Продемонстрировано устройство для управления компьютером с помощью электрических сигналов мозга. После короткого обучения любой человек может, отдавая мысленные приказы, перемещать курсор по экрану.
Прямые интерфейсы «мозг-компьютер» разрабатываются уже далеко не первый год. Их работа основана на слежении за электрической активностью мозга, выявлении характерных состояний и преобразовании их в команды для компьютера. Главная проблема состоит в том, чтобы надежно отождествлять различные состояния мозга и связывать их с желаниями человека.
Конечно, о том, чтобы читать мысли человека, речь не идет. Механизмы абстрактного мышления пока остаются совершенно недоступными для понимания. Поэтому создатели ранних моделей интерфейса «мозг-компьютер» даже не пробовали разбираться в естественных состояниях мозга, связанных с различными намерениями человека. Вместо этого людям предлагалось самим научиться приводить свой мозг в то или иное состояние, удобное для распознавания компьютером. Например, электрическая активность мозга заметно различается в состояниях релаксации и бурной деятельности. Причем изменения оказываются заметными даже в том случае, когда человек лишь мысленно представляет себе эти состояния - главное поотчетливее на них сконцентрироваться. Но, согласитесь, не слишком удобно расслабляться всякий раз, когда нужно подвинуть курсор влево, и наоборот взбадриваться, чтобы сместить его вправо.
Совместно с медицинской школой Шарите (Charité) при берлинском университете Гумбольдта разработана новая система, получившая название «Mental Typewriter» («мысленная машинопись»). Для работы с системой не требуется заниматься столь напряженными медитативными практиками. Вместо этого программа, написанная в институте Фраунгофера, сама изучает электроэнцефалограмму и приспосабливается к индивидуальным особенностям человека.
Вся процедура занимает около 20 минут. За это время человек должен, следуя указаниям компьютера, постараться отдать около 150 мысленных команд, связанных с перемещением курсора по экрану. Для повышения качества распознавания команд рекомендуется представлять при этом движения левой и правой рукой.
Для работы с системой необходимо надеть специальную резиновую шапочку с электродами, которые регистрируют биопотенциалы мозга. Чтобы повысить качество сигналов электроды размещают непосредственно на скальпе с использованием электропроводящей смазки. Соответствующие места на голове приходится выбривать. И все же такой способ связи мозга с компьютером является куда более щадящим, чем вживлением электродов непосредственно в мозг. Конечно, вживление электродов обеспечивает намного более точную передачу сигналов компьютеру, но их применение пока ограничено пациентами, которым такая операция выполняется по медицинским показаниям, например, для предотвращения эпилептических припадков.
Конечно, размещение электродов на скальпе тоже не назовешь особенно приятным, а при длительном использовании они могут вызывать раздражение на коже головы. Но вот парализованным больным или инвалидам с ампутированными руками такое устройство может оказаться весьма полезным.
Но разработчики видят и более широкие перспективы применения своей системы. Например, она может использоваться в качестве средства управления в компьютерных играх. Другое направление – помощь водителю в критических ситуациях на дороге. Интерфейс «мозг-компьютер» может распознать реакцию мозга на опасную ситуацию и передать сигнал тормозной системе быстрее, чем водитель сам нажмет на педаль тормоза.
C учетом таких планов не должно удивлять, что своей ближайшей задачей разработчики считают такое усовершенствование системы, чтобы электроды не требовали прямого контакта со скальпом. Неизбежное при этом ослабление регистрируемых сигналов можно попробовать скомпенсировать за счет развития методов их обработки. Сейчас эти методы развиваются очень быстро и даже специалисты, традиционно работающие с имплантированными электродами, признают, что в области неинвазивных (нетравматичных) методов анализа работы мозга сейчас наблюдается очень быстрый прогресс. Свидетельством тому новая немецкая разработка «mental typewriter».
Возможности и ресурсы человеческого мозга огромны, но до конца еще не изучены. Исследователи во всем мире давно пытаются найти ответы на непростые вопросы. И похоже, они очень близко подошли к раскрытию одной из главных тайн, которая будоражит умы на протяжении многих веков: Действительно ли существует телепатия? Можно ли наладить связь между мозгом человека и компьютером, или даже с Интернетом?
Одними из первых к решению этой задачи подошли Московские ученые. Они разработали интерфейс «мозг-компьютер». С помощью технологии управления силой мысли человеческий мозг имеет возможность посылать команды и управлять компьютером без применения мыши. Сейчас ученые разрабатывают системы интерфейса «мозг-компьютер», который поможет управлять андроидным роботом и манипуляторами-протезами.
Нейро-компьютерный интерфейс это система обмена информацией на расстоянии. В его основе применяется метод обратной связи. С помощью интерфейса компьютер может, как принимать сигналы от мозга, так и посылать сигналы мозгу человека.
Подобными исследованиями занимаются и в университете Буффало. Там ученые разрабатывают технологию, которая также поможет управлять роботами при помощи человеческого мозга. Они стремятся создать протезы, которые будут подключаться к мозгу, чтобы тот мысленно отдавал роботу различные команды.
Сила мысли
А вот последние достижения американских ученых из Вашингтона в области исследований возможностей человеческого мозга еще более поразительны. Они представили нейро-компьютерный интерфейс «мозг-мозг», который работает через Интернет. Дистанционное управление движениями человека и его мыслями посредством Интернета дало однозначный ответ: контакт мозга одного человека с мозгом другого вполне реален.
В эксперименте приняли участие два ученых-добровольца. Один из них, Раджеш Рао, исполнял роль «передатчика» информации – играл в игру на компьютере. Второй, Андреа Стокко, был в роли «приемника» информации. В эксперименте использовались электроэнцефалограф и транскраниальная магнитная стимуляция. Сигнал от «человека-передатчика» к «человеку-приемнику» должен был поступить в определенную часть коры головного мозга.
С помощью медицинских приборов исследователи смогли уловить сигнал, отвечающий за определенные действия: точный рисунок электрической активности мозга, который зафиксировал момент нажатия «передачиком» клавиши пробела – т.е. выстрела в компьютерной игре. Сигнал передался через Интернет на транскраниальный стимулятор «человека-приемника» Андреа Стокко. И в этот самый момент его палец нажал на клавишу пробела и выстрелил. По его словам, это было непроизвольное движение, которое контролировать он никак не мог, потому что сидел спиной к компьютеру, на котором играл другой участник эксперимента.
Всего лишь усилием мысли Раджеш Рао заставил палец Стокко сделать движение. Мгновенная передача сигнала на расстоянии с помощью Интернета – это технотелепатия. Исследователи говорят, что подобное «убеждение мозга» на деле оказалось намного проще, чем предполагалось ранее.
Что может ждать человечество в будущем, если наладится производство нейроинтерфейсов, страшно представить. Ведь возможностью применения на практике технотелепатии с целью вторжения в мозг не преминут воспользоваться хакеры. А о том, что интерфейс «мозг-мозг» найдет широкое применение у будущих поколений, говорят и сами разработчики. Но надеются, что в благих целях.
Управление мыслью и виртуальная реальность
Пока ученые опытным путем пытаются извлечь пользу для человечества, используя современные технологии, крупные производители уже налаживают выпуск интеллектуальных приборов и техники. Похоже, передача человеком мысли на расстоянии уже применяется для управления компьютерами и другими устройствами! И это уже не эксперименты.
Технология, позволяющая не использовать мышку во время работы на компьютере, контролировать в виртуальной реальности движения героя в игре и даже управлять инвалидным креслом способом передачи мысли уже нашла свое применение.
Модели нейропроигрывателей и iPhone с функцией воспроизведения и остановки музыки, когда человек об этом подумает, уже имеют некоторые счастливые обладатели. Для детей выпущен вертолет с программным обеспечением, который также контролируется мозгом.
Для инвалидов изготовлен уникальный протез руки, управляемый с помощью мысли. Все это еще раз доказывает, что возможности и ресурсы человеческого мозга огромны. И хоть до конца он не изучен, но люди уже пытаются применять их на практике.
Американская корпорация Facebook впервые официально рассказала о методах, которые разрабатывает в области управления компьютером силой мысли. С докладом выступила Регина Дуган, возглавляющая в компании секретный отдел Building 8, занимающийся такими исследованиями. Идея в том, чтобы «записывать мысли напрямую» без применения периферийных устройств, пояснила она, выступая на конференции разработчиков под F8, организованной Facebook в Сан-Хосе (штат Калифорния). «Это кажется нереальным, но такое, вероятно, будет возможно раньше, чем вы предполагаете», - выразила уверенность Дуган.
По словам руководителя Building 8, компания надеется вскоре выпустить систему, позволяющую записывать силой мысли 100 слов в минуту, что в пять раз быстрее скорости набора текста на смартфоне. При этом Facebook стремится к тому, чтобы работа устройства не требовала вживления каких-либо элементов в тело человека. Во время выступления представитель социальной сети показала видеозапись, где парализованная женщина набирает текст силой мысли с помощью специального импланта. Глава Building 8 объяснила, что пока система позволяет набирать восемь слов в минуту.
В Facebook изучают возможность следить за активностью речевых центров в мозге молчащего человека и передавать информацию на компьютер с помощью особых датчиков. Дуган отметила, что компания не стремится создать систему, которая бы «расшифровывала случайные мысли людей». «Можно представить себе это так: вы много фотографируете, но не все снимки выкладываете. Также у вас много мыслей, но делитесь вы лишь некоторыми», - объяснила она.
В 2015 году основатель Facebook Марк Цукерберг (№5 в глобальном рейтинге миллиардеров по версии Forbes, состояние $56 млрд) утверждал, что будущее коммуникации вполне может стать «телепатия». «Однажды я верю, что мы сможем отправлять полностью оформленные мысли друг другу напрямую, используя технологии», - говорил он. «Вы просто сможете придумать что-то, и ваши друзья тут же смогут испытать это вместе с вами», - отмечал предприниматель.
Руководитель Building 8 рассказала также, что Facebook занимается также технологиями, которые позволили бы глухим воспринимать звуки. Компания тестирует метод преобразования звука в вибрацию и иные сигналы, которые пользователь ощущает кожей – «сложной системой нервов, которые передают данные в мозг». В ходе презентации Дуган показала запись, на которой мужчина, лишенный возможности говорить и видеть, общается при помощи устройств от Facebook.
Глава секретного подразделения Facebook ранее руководила Управлением перспективных исследовательских проектов министерства обороны США (DARPA). До апреля 2016 года она также управляла подразделением «Инновационных технологий и проектов» (ATAP) в Google, занимающимся разработкой инновационных технологий, пока ее не переманил основатель Facebook. В Google Дуган, в частности, отвечала за создание технологии построения 3D-модели пространства с помощью смартфона (проект Tango).
Израильские ученые из Университета имени Давида Бен-Гуриона в Негеве представили систему MindDesktop, которая позволяет взаимодействовать практически со всем интерфейсом операционной системы компьютера исключительно при помощи мыслей. Об этом пишет MIT Technology Review, препринт научной статьи с подробностями опубликован на arxiv.org.
Система основана на нейроинтерфейсе EPOC+ от компании Emotiv, который через анализ ЭЭГ способен распознавать сигналы мозга, связанные с конкретной мимикой. После обучения устройство также можно настроить на распознавание определенных образов – например, если пользователь думает о любимой песне или своем домашнем животном.
Ученые во главе с Ори Оссми (Ori Ossmy) разработали систему, в которой распознавание образов в EPOC+ является средством ввода для интерфейса по управлению компьютером. Подумав о каком-то образе, который ассоциирован с элементом интерфейса, пользователь, например, выбирает алфавит, затем нужный набор букв, а затем нужную букву для ввода текста.
Иерархия элементов интерфейса MindDesktop, которые пользователь выбирает силой мысли
По той же схеме нейроинтерфейс позволяет управлять курсором: чтобы запустить нужную программу: экран разделяется на четыре части, пользователь «силой мысли» выбирает нужную часть, которая затем разделяется на еще четыре части, и так далее вплоть до иконки программы.
Другие интерфейсы, как правило, используют для этих целей анализ мимики пользователя, однако это не всегда удобно – ввести букву, например, иногда получается только за минуту, отмечает издание. Система исследователей из Университета имени Давида Бен-Гуриона позволяет сократить это время до 20 секунд, говорится в статье ученых.
Система была протестирована на 17 испытуемых. После нескольких сессий обучения пользователи научились работать с нейроинтерфейсом заметно быстрее и смогли отправить с помощью него электронное письмо. Мужчины, однако, справлялись лучше, чем женщины – это объясняется длиной волос, которая влияла на эффективность нейроинтерфейса, отметили ученые.
Когда система может быть выпущена на рынок и будет ли выпущена вообще – не уточняется. Как отмечает издание, 20 секунд для ввода одной буквы – это все же довольно долго по сравнению с другими методами коммуникаций, и разработка более чувствительных нейроинтерфейсов может сократить этот разрыв.
Ранее нейроинтерфейс для набора текста на компьютере анонсировали в Facebook, также нейроинтерфейсами компания Илона Маска Neuralink и ряд других стартапов и научных коллективов по всему миру. В последние годы в этой области произошел заметный прогресс: недавно, к примеру, ученые устройство, которое может извлекать из мозга пользователей информацию, помогающую подбирать их пароли.
Экзоскелеты, механические руки, глаза-камеры и уши-микрофоны, передача мысли от мозга к мозгу - всё это уже реальность, возникшая на наших глазах в последние 15-20 лет. Технологии пока несовершенны, а некоторые - принципиально несовершенны на нашем уровне знаний. Однако первый удар по мячу на чемпионате мира по футболу в 2014 году нанёс человек с парализованными ногами. И пусть это выглядело не особенно впечатляюще, но человек управлял механической конечностью, и управлял мысленно.
История началась в 60-е годы прошлого века, когда в нескольких лабораториях стали работать с имплантированными в мозги обезьян и людей электродами. Человек с таким имплантатом нажимал на кнопку, меняя слайды в проекторе. Затем кнопку от проектора отсоединяли, но слайды продолжали переключаться по сигналу. В это же время начались работы по восстановлению слуха глухих через микрофон, совмещённый со слуховым нервом. Но настоящий прорыв лет назад, когда появились достаточно мощные компьютеры и новые алгоритмы.
Как работают нейроинтерфейсы, нам рассказал Александр Каплан, руководитель лаборатории нейрофизиологии и нейрокомпьютерных интерфейсов МГУ им. М.В. Ломоносова.
Читает ли компьютер мысли?
В интерфейсе "мозг - компьютер" нет ничего мистического, - говорит Каплан. - Технология позволяет регистрировать электрическую активность мозга и преобразовывать её в команды для внешних исполнительных систем. Мозг спрятан глубоко в черепе, но электрические поля, создаваемые нервными клетками, пробиваются через кости, мышцы, кожу и улавливаются электродами на кожной поверхности головы. Это хорошо всем знакомый метод электроэнцефалографии - нет такой поликлиники, где бы он ни применялся для диагностики. Мы в лаборатории тоже занимались диагностикой, но в какой-то момент мне стало интересно: а почему бы этот сигнал не послать на какое-нибудь внешнее устройство, чтобы управлять им?
Когда мы управляем руками, мы их видим и ощущаем, но электрических полей в голове мы не чувствуем. Оказалось, что этому можно научиться: на экране компьютера испытуемому показывают активность мозга и просят так или иначе изменить её. Постепенно у него начинает получаться. Отсюда уже недалеко до нейроинтерфейса, нужно лишь послать изменение ритма на внешнее устройство.
Что можно сделать? Ну, конечно, игрушки - они есть уже сейчас. Например, человек управляет игрушечной машинкой, изменяя активность мозга, - рассказывает Каплан. - Задаёт ей повороты. А наша задача - вычленить те самые сигналы мозга, составить нужный алгоритм. Ошибок должно быть как можно меньше, а время распознавания сигнала как можно короче. Если с момента, когда ребёнок задумал повернуть машинку, до самого действия проходит полчаса, какая уж тут игра!
Лучше всего спонсируются медицинские применения. И, надо сказать, интерфейс "мозг - компьютер" там нужнее всего. Например, есть постинсультные пациенты, которые не могут говорить и находятся в таком состоянии годами. Что делаем? Рисуем на экране компьютера матрицу, где в каждой клеточке написана буква. Клеточки мигают по очереди со скоростью 5-6 помигиваний в секунду. А в это время компьютер показывает энцефалограмму: если какая-то буква заинтересовала человека, реакция будет сильнее. Мы детектируем внимание и печатаем букву. Сейчас, по словам учёного, в его лаборатории скорость распознавания сигнала - примерно 8-10 букв в минуту, а безошибочных попаданий 95%.
Такой аппарат уже год тестируется в Первой градской больнице. Человек может общаться с помощью интерфейса, но пока медленно. В разработке - выход в интернет усилием мысли.
То же самое с парализованными пациентами, которые научились управлять инвалидным креслом, да и механическим экзоскелетом, если вспомнить первый удар на ЧМ-2014.
Есть и другой способ расшифровать намерения мозга - вживить в него электроды. В мозг втыкается пластинка, усеянная иголочками. Сама пластинка очень маленькая, примерно пять на пять миллиметров, а иголочек в ней около сотни. Это электроды, которые регистрируют электрическую активность отдельных нервных клеток в том месте, куда воткнуты. На голове есть разъём, который связывает по проводам мозг с компьютером и дальше - с внешним устройством. Уже есть пациенты, несколько человек, которые хорошо двигают, например, механической рукой: в эксперименте 2012 года женщина манипулятором берёт чашку кофе, шоколадку со стола, подносит её ко рту. Эта технология более чувствительна: электрод на коже снимает сигнал со 100-300 тысяч клеток, а здесь с каждого нейрона.
При имплантации такой пластины медику не требуется попасть точно в то место, которое управляет руками здорового человека. Достаточно воткнуть электрод в зону коры, которая в целом отвечает за подобные действия, а мозг сам разберётся, какие сигналы ему посылать. Такой вот он, мозг, умный.
Недавно прошло сообщение, что американцы собираются таким образом управлять самолётом. Реально ли это?
Реально. Только самолёты будут падать, - объясняет Каплан. - Кто ж возьмётся управлять летательным аппаратом, если сигнал распознаётся через полторы - две секунды, да ещё с пятью процентами ошибок? Пока я не видел подобных разработок.
Как почувствовать механическую руку?
Одно дело - приказать механизму, совсем другое - получить от него обратную связь. Например, ощутить механической рукой шершавость поверхности, почувствовать, куда едет игрушечная машинка, увидеть картинку с телекамеры так, будто это твой собственный глаз. Здесь успехи киборгизации скромнее, но они есть.
Во-первых, обезьянам пробовали вживлять электроды не только в то место, откуда идёт сигнал, но и в сенсорную кору, которая связана с ощущениями. А на механической руке были датчики, распознающие текстуру предмета. И обезьяны уверенно отличали шероховатые поверхности от гладких.
Во-вторых, можно обучить мозг получать сигнал об успешности действия:
Допустим, человек управляет машиной на мониторе компьютера. Если он делает успешный поворот, то в сенсорную кору его мозга поступает сигнал с частотой 10 герц, а если неверно - 30. Таким образом мозг понимает, правильно он действует или нет. И человек с закрытыми глазами может регулировать активность мозга и управлять механизмом, - рассказывает Каплан.
В-третьих, сенсорные датчики уже используются. Например, в видеокамерах для слепых. Конечно, мозг не получает столь же детальную информацию, как от живого глаза, потому что в сетчатке 126 миллионов чувствительных единиц - в компьютерном мире это называется пикселями. У настоящего глаза каждый такой пиксель имеет выход в мозг. Столько проводов от камеры внутрь головы не проведёшь.
В природе не предусмотрена встреча со 126-мегапиксельными камерами, - говорит Каплан. - И пока нет соображений, как это сделать искусственно.
Но даже 400 входов уже позволяют слепому "видеть" препятствия и ориентироваться.
Когда мозг сольётся с компьютером?
Год назад появилось сообщение, что через интерфейс "мозг - компьютер" один человек передал слово "привет" другому. Оба были в специальных шапочках. Можно ли научиться передавать не только отдельные слова, но и связные мысли? Или вообще подключить мозг к компьютеру настолько, чтобы человек, допустим, видел панораму Манхэттена чужими глазами, то есть камерами, а сам находился в Ростове? И ещё управлял этими "глазами"? Где предел технологии?
Если бы мы научились транслировать тексты в мозг, это было бы очень круто, - говорит Каплан. - Такие опыты проводят уже лет шестьдесят, с тех пор как в человеческий мозг начали вживлять электроды, но пока результатов нет. Если в алфавите 33 буквы, вы должны стимулировать мозг в 33 местах. И человек не просто должен понимать, что идёт стимуляция, но и распознать конкретное место. Неизвестно, как это сделать.
Такая же проблема и с виртуальным Манхэттеном. Проблема расшифровки. Понятно, что 126 миллионов электродов в мозг не затолкать, но, может быть, мы сумеем стимулировать его по небольшому числу каналов какими-то специальными способами?
Для этого нужно расшифровать весь информационно-аналитический процесс, который идёт в голове, - объясняет Каплан. - Как контактирует компьютер с, допустим, флешкой? Они подогнаны друг к другу, одни и те же инженеры сделали и флешку, и компьютер. А здесь ситуация другая: одни инженеры - высокого класса - сделали мозг, другие - поделки вроде нейроинтерфейса. И вот они пытаются их совместить, хотя не знают ни кодов, ни формата, ни где что хранится… В этом вопросе я скептик.
Мозг гораздо сложнее компьютера. Самый совершенный процессор содержит два миллиарда операционных единиц, а мозг - миллион миллиардов. Это контакты между нервными клетками. Из анатомии известно, что самих клеток 86 миллиардов и на каждую приходится примерно 15 тысяч контактов.
К тому же мозг очень пластичен: вчера здесь проходили импульсы, а сегодня нет. Так что полная виртуальность пока откладывается. Но начало положено: мы уже умеем отличать свет от тени через камеру.
Гибрид живого организма и электронного устройства. Любого пациента с имплантированным кардиостимулятором можно считать киборгом. Но лишь в последние несколько лет учёные нашли способы гибридизировать мозг человека и машину.
Системы "мозг - компьютер"
Развитие нейроинтерфейсов стимулировали в первую очередь работы учёного бразильского происхождения Мигеля Николелиса, опубликованные на рубеже 1990-х и 2000-х годов. Он создал системы управления механической рукой (управляла обезьяна) и восприятия тактильных ощущений. Так в этой области наметились два конкурирующих исследовательских направления.
Сегодня интерфейсы бывают двух типов: инвазивные и неинвазивные. Первые отмечают электрическую активность мозга и передают её на компьютер напрямую, через имплантированные в мозг электроды. Вторые расшифровывают сигналы энцефалограммы.
Есть учёные, вживившие электроды в свой мозг.
ри имплантации электродной матрицы некоторые нервные клетки разрушаются. Но это микроскопические нарушения, некритичные для мозга.
Экспериментальные нейроинтерфейсы
В 1963 году американский кибернетик и нейрофизиолог Грей Уолтер поставил эксперимент, в котором впервые был использован интерфейс "мозг - компьютер". "Пациентам по медицинским показаниям были имплантированы электроды в различные области коры мозга. Им предлагалось переключать слайды проектора, нажимая на кнопку. Обнаружив область коры, ответственную за воспроизведение этого мышечного паттерна, исследователь подключил её напрямую к проектору. Пациенты нажимали на отсоединённую кнопку, но слайды продолжали переключаться: управление осуществлялось непосредственно мозгом, причём даже быстрее, чем человек успевал нажать на кнопку", - пишут О. Левицкая и М. Лебедев в монографии "Интерфейс мозг - компьютер: будущее в настоящем".
