Уявіть собі експериментальний нанонаркотік, який здатний зв'язувати свідомості різних людей. Уявіть, як група підприємливих нейробіологів і інженерів відкриває новий спосіб використання цього наркотику - запустити операційну систему прямо всередині мозку. Тоді люди зможуть телепатично спілкуватися між собою, використовуючи уявний чат, і навіть маніпулювати тілами інших людей, підпорядковуючи собі дії їх мозку. І незважаючи на те, що це сюжет науково-фантастичної книги Рамеза Наама «Нексус», описане ним майбутнє технологій вже не здається таким далеким.
Як під'єднати мозок до планшета і допомогти паралізованим хворим спілкуватися
Параліч може наступити і від пошкоджень кісткового мозку, інсульту або нейродегенеративних захворювань, які блокують здатність говорити, писати і взагалі будь-яким чином спілкуватися з оточуючими.
Ера інтерфейсів, що зв'язують мозок і машину, розцвіла два десятиліття тому, в процесі створення допоміжних пристроїв, які б допомогли таким пацієнтам. Результат був фантастичним: стеження за поглядом (eye-tracking) і стеження за положенням голови користувача системи (head-tracking) дозволили відстежувати рухи очей і використовувати їх як вихідні дані для управління курсором миші на екрані комп'ютера. Іноді користувач міг навіть кликати по посиланню, фіксуючи свій погляд на одній точці екрану. Це називається "час затримки».
Проте, системи eye-tracking були важкі для очей користувача і занадто дороги. Тоді з'явилася технологія нейронного протезування, коли усувається посередник у вигляді сенсорного органу і мозок зв'язується з комп'ютером безпосередньо. У мозок пацієнта імплантується мікрочіп, і нейросигналів, пов'язані з бажанням або наміром, можуть бути розшифровані за допомогою складних алгоритмів в режимі реального часу і використані для контролю курсора на інтерфейсі комп'ютера.
Два роки тому, пацієнтці T6 імплантували в ліву сторону мозку, що відповідає за рух, 100-канальну електродний установку. Паралельно Стенфордська лабораторія працювала над створенням прототипу протеза, що дозволяє паралізованим друкувати слова на спеціально розробленої клавіатурі, просто думаючи про ці слова. Пристрій працювало наступним чином: вбудовані в мозок електроди записували мозкову активність пацієнтки в момент, коли вона дивилася на потрібну букву на екрані, передавали цю інформацію на нейропротез, інтерпретує потім сигнали і перетворює їх в безперервне управління курсором і клацанням на екрані.
Однак цей процес був надзвичайно повільним. Стало зрозуміло, що на виході вийде пристрій, що працює без безпосереднього фізичного з'єднання з комп'ютером через електроди. Сам інтерфейс теж повинен був виглядати цікавіше, ніж в 80-х. Команда клінічного інституту BrainGate, що займається цими дослідженнями, зрозуміла, що їх система «вказівки і клацання» була схожа на натискання пальцем на сенсорний екран. І оскільки сенсорними планшетами більшість з нас користується щодня, то ринок їх величезний. Досить просто вибрати і купити будь-який з них.
Паралізована пацієнтка T6 змогла «натискати» на екран планшета Nexus 9. нейропротез зв'язувався з планшетом через протокол Bluetooth, тобто як бездротова миша.
Зараз команда працює над продовженням працездатності імплантату на термін усього життя, а також розробляє системи інших рухових маневрів, таких як «виділити і перетягнути» і мультисенсорні руху. Крім того, BrainGate планують розширити свою програму на інші операційні системи.
Комп'ютерний чіп з живих клітин мозку
Кілька років тому дослідники з Німеччини і Японії змогли симулювати 1 відсоток активності людського мозку за одну секунду. Це стало можливим тільки завдяки обчислювальної потужності одного з найсильніших в світі суперкомп'ютерів.
Але людський мозок досі залишається найпотужнішим, низько енерговитратним і ефективним комп'ютером. Що якби можна було використовувати силу цього комп'ютера для харчування машин майбутніх поколінь?
Як би дико це не звучало, нейробіолог Ош Агаб запустив проект «Коніку» (Koniku) якраз для реалізації цієї мети. Він створив прототип 64-нейронної кремнієвої мікросхеми. Першим додатком цієї розробки став дрон, який може «чути» запах вибухових речовин.
Одою з найчутливіших нюхових здібностей відрізняються бджоли. Насправді, вони навіть переміщаються в просторі по запаху. Агаб створив дрон, який не поступається бджолиної здатності розпізнавати і інтерпретувати запахи. Він може бути використаний не тільки для військових цілей і виявленні бомб, але і для дослідження сільгоспугідь, нафтопереробних заводів - всіх місць, де рівень здоров'я і безпеки може бути визначений за запахом.
В процесі розробки Агаб і його команда вирішували три основні проблеми: структурувати нейрони так само, як вони структуровані в мозку, прочитати і записати інформацію в кожен окремий нейрон і створити стабільне середовище.
Технологія індукованої диференціювання плюрипотентні клітини - метод, коли зріла клітина, наприклад, шкіри, генетично вбудована в вихідну стовбурові клітини, дозволяє будь-якій клітині перетворитися в нейрон. Але як і будь-яким електронним компонентам, живим нейронам потрібна спеціальна середовище проживання.
Тому нейрони були поміщені в оболонки з керованою середовищем, для регулювання рівня температури і водню всередині, а також для подачі їм харчування. Крім того, така оболонка дозволяє контролювати взаємодію нейронів між собою.
Електроди під оболонкою дозволяють зчитувати або записувати інформацію на нейрони. Агаб описує цей процес так:
«Ми укладаємо електроди в оболонку з ДНК і збагачених протеїнів, яка стимулює нейрони формувати штучну тісний зв'язок з цими провідниками. Так, ми можемо зчитувати інформацію з нейронів або, навпаки, надсилати інформацію на нейрони тим же способом або за допомогою світла або хімічних процесів ».
Агаб вірить, що майбутнє технологій - за розкриттям можливостей так званого wetware - людського мозку в кореляції з машинним процесом.
«Ні практичних кордонів для того, якими великими ми зробимо наші майбутні пристрої або як по-різному ми може моделювати мозок. Біологія - це єдина межа ».
Подальші плани «Коніку» включать розробку чипів:
- з 500 нейронами, який буде керувати машиною без водія;
- з 10 000 нейронами - буде здатний обробляти і розпізнавати зображення так, як це робить людське око;
- з 100 000 нейронами - створить робота з мультисенсорним входом, який буде практично не відрізняється від людини по перцептивних властивостями;
- з мільйоном нейронів - дасть нам комп'ютер, який буде думати сам за себе.
Чіп пам'яті, вбудований в мозок
Щороку сотні мільйонів людей зазнають труднощів через втрату пам'яті. Причини цього різні: пошкодження мозку, які переслідують ветеранів та футбольних гравців, інсульти або хвороба Альцгеймера, які проявляються в старості, або просто старіння мозку, яке чекає на всіх нас. Доктор Теодор Бергер, біомедичний інженер Університету Південної Каліфорнії, на кошти Агентства з перспективних оборонних досліджень Міністерства оборони США DARPA, тестує розширює пам'ять імплантат, який імітує обробку сигналу в момент, коли нейрони відмовляються працювати з новими довгостроковими спогадами.
Щоб пристрій запрацював, вчені повинні зрозуміти, як працює пам'ять. Гіпокамп - це область мозку, яка відповідає за трансформацію короткострокових спогадів в довгострокові. Як він це робить? І чи можливо симулювати його діяльність в рамках комп'ютерного чіпа?
«По суті, пам'ять - це серія електричних імпульсів, які виникають з плином часу і які генеруються певним числом нейронів», - пояснює Бергер, - «Це дуже важливо, тому що це означає, що ми можемо звести цей процес до математичного рівняння і помістити його в рамки обчислювального процесу ».
Так, нейробіологи почали декодувати потік інформації усередині гіпокампу. Ключем до цієї дешифрування став сильний електричний сигнал, який йде від області органу під назвою СА3 - «входу» гіпокампу - до СА1 - «виходить» вузлу. Цей сигнал послаблюється у людей з розладом пам'яті.
«Якби ми могли відтворити його, використовуючи чіп, ми б відновили або навіть збільшили обсяг пам'яті», - говорить Бергер.
Але простежити цей шлях дешифрування складно, так як нейрони працюють нелінійно. І будь-який незначний фактор, замішаний в процесі, може привести до зовсім іншим результатам.Тем не менше, математика і програмування не стоять на місці, і сьогодні можуть разом створити найскладніші обчислювальні конструкції з безліччю невідомих і безліччю «виходів».
Для початку вчені привчили щурів натискати один із важелів, щоб отримати ласощі. У процесі запам'ятовування щурами і перетворення цього спогади в довгострокову, дослідники ретельно фіксували і записували все трансформації нейронів, і потім по цій математичної моделі створили комп'ютерний чіп. Далі, вони ввели щурам речовина, тимчасово дестабілізуючий їх здатність запам'ятовувати і ввели чіп в мозок. Пристрій впливало на «виходить» орган СА1, і, раптом, вчені виявили, що спогад щурів про те, як домогтися ласощі відновилося.
Наступні тести були проведені на мавпах. На цей раз вчені сконцентрувалися на префронтальної корі головного мозку, яка отримує і модулює спогади, отримані з гіпокампу. Тваринам була продемонстрована серія зображень, деякі з який повторювалися. Зафіксувавши активність нейронів в момент впізнавання ними однієї і той же картинки, була створена математична модель і мікросхема, на її основі. Після цього роботу префронтальної кори мавп придушили кокаїном і вчені знову змогли відновити пам'ять.
Коли досліди проводилися на людях, Бергер обрав 12 волонтерів, хворих на епілепсію, з уже імплантованими електродами в головний мозок, щоб простежити джерело їх нападів. Повторювані судоми руйнують ключові частини гіпокампу, необхідні для формування довгострокових спогадів. Якщо, наприклад, вивчити активність мозку в момент нападів, можна буде відновити спогад.
Точно також, як і в попередніх експериментах, був зафіксований спеціальний людський «код пам'яті», який згодом зможе передбачити патерн активності в клітинах СА1, грунтуючись на даних, що зберігаються або виникають в СА3. У порівнянні з «справжньої» мозковою активністю, такий чіп працює з точністю близько 80%.
Поки рано говорити про конкретні результати після дослідів на людях. На відміну від моторного кортекса головного мозку, де кожен відділ відповідає за певний орган, гіпокамп організований хаотично. Також поки рано говорити, чи зможе такий імплантат повернути пам'ять тим, хто страждає від пошкоджень «виходить» ділянки гіпокампу.
Проблемний залишається питання геералізаціі алгоритму для такого чіпа, так як експериментальний прототип був створений на індивідуальних даних конкретних пацієнтів. Що, якщо код пам'яті різний для всіх, в залежності від типу вхідних даних, які він отримує? Бергер нагадує, що і мозок обмежений своєї біофізикою:
«Є тільки таку кількість способів, якими електричні сигнали в гіпокампі можуть бути оброблені, яке незважаючи на своє безліч, проте обмежена і звичайно», - говорить учений.