Мигель Николелис: Обезьяна управляет роботом силой мысли. На самом деле

То, чем я мои коллеги занимаемся в области неврологии, во многом похоже на работу метеорологов. Мы гоняемся за бурями. Мы хотим наблюдать и изучать бури — бури в мозге. Мы с вами часто говорим о мозговых штурмах, но редко можем увидеть или послушать настоящую мозговую бурю. Я люблю начинать свои лекции со знакомства слушателей с такой бурей.

С первой записи, когда нам удалось запечатлеть не один нейрон, а целую сотню одновременно. Мы смогли измерить электрические разряды сотни клеток одного животного. Вот что мы получили, это первые 10 секунд записи. Нам удалось поймать крошечный фрагмент мысли и рассмотреть его.

Я говорю студентам, что неврологи — это в некоторой степени астрономы. Мы имеем дело с системами, сравнимыми по количеству клеток только с количеством галактик во Вселенной. И вот среди миллиардов нейронов нам удалось записать сотню 10 лет назад. Теперь мы можем записать уже тысячу. И надеемся выяснить нечто первостепенное о человеческой природе. Если вы еще не в курсе, знайте: все, чем мы определяем человеческую природу, связано с этими бурями — бурями, которые бушуют над холмами и равнинами мозга, придавая форму нашим воспоминаниям, убеждениям, чувствам, планам на будущее. Все, что мы делаем, все, что человек когда-либо совершил или совершит — это тяжкий труд множества нейронов, порождающих такие бури.

Буря, если вам не доводилось слышать ранее, звучит вот так. Можно сделать чуть громче. Мой сын говорит, что это похоже на «попкорн, взрывающийся под звуки шипящей радиоволны». А это мозг. Вот что случается, если подключить такую электрическую бурю к динамику: вы услышите, как зажгутся сотни нервных клеток. Ваш мозг будет звучать именно так. И мой мозг, и любой другой. Мы, неврологи, слушаем эти симфонии, симфонии мозга, и пытаемся расшифровать послания, скрытые в них.

В частности 12 лет назад мы создали так называемый компьютерно-мозговой интерфейс. На этой схеме показано, как он работает. Идея была такая. Мы взяли датчики для прослушивания этих бурь, электрических разрядов, и решили проверить, возможно ли за тот же отрезок времени, что сигнал, выходящий из мозга, достигает ног или рук животного — примерно за полсекунды — возможно ли прочесть эти сигналы, выделить моторную составляющую, перекодировать ее в цифровую команду и передать искусственному устройству, которое будет воспроизводить произвольные двигательные намерения мозга в реальном времени. А затем оценить, насколько хорошо нам удалось перекодировать команду в сравнении с тем, как это делает тело.

И если нам удастся создать обратный сигнал — сенсорный сигнал, отправленный роботизированным, механическим, вычислительным устройством, которое находится под контролем мозга — отправить его обратно в мозг и посмотреть, как мозг реагирует на получение информации от искусственного механизма.

Именно это мы сделали 10 лет назад. Мы начали с замечательной обезьяны Авроры, которая потом прославилась в этой области. Аврора любила видеоигры. Как видно на экране, для игры ей нравилось пользоваться джойстиком, как и всем нам или нашим детям. И как настоящий примат, она даже пыталась смухлевать, прежде чем найти правильный ответ. Мишень, которую ей нужно перечеркнуть курсором при помощи джойстика, еще не появилась, а Аврора уже пытается найти ее по всему экрану. Каждый раз перечеркивая мишень маленьким курсором, она получает каплю бразильского апельсинового сока. Я вас уверяю, ради капли бразильского апельсинового сока любая обезьяна пойдет на все, что вам будет угодно. Или даже любой примат. Задумайтесь над этим.

Итак, пока Аврора играла, проходя тысячу испытаний в день, попадая по цели в 97% случаев и получая 350 миллилитров апельсинового сока, мы записывали мозговые бури, которые происходили у нее в голове и пересылали их на роботизированную руку, которая обучалась копировать движения Авроры. Идея заключалась в том, чтобы подключить интерфейс взаимодействия мозга и компьютера и сделать так, чтобы Аврора смогла играть, только подумав об игре, не совершая движений телом. Ее мозг управлял бы роботизированной рукой, которая перемещала бы курсор, перечеркивая мишени. И к нашему глубокому удивлению, у Авроры все получилось. Она играла, не двигая телом.

Вот эти траектории движения курсора, когда Аврора впервые осознала это. Это первый раз, когда намерение мозга удалось высвободить из оков тела примата и реализовать во внешнем мире с помощью управляемого устройства. Аврора продолжала играть, попадать по маленьким мишеням и получать желанный апельсиновый сок.

Ей удавалось это делать, потому что к тому времени у нее появилась новая рука. Вот роботизированная рука спустя 30 дней после первого, предыдущего видеофрагмента. Рукой управляет мозг Авроры и перемещает ее так, чтобы попасть по мишени. Аврора знает, что теперь она может играть с помощью роботизированной руки, но она не потеряла способность пользоваться своими руками, чтобы делать, что ей заблагорассудиться. Она может почесать спину себе или кому-нибудь из нас, а может играть в другую игру. С уверенностью можно утверждать, что мозг Авроры принял искусственное устройство как продолжение ее тела. Образ своего тела, который был у Авроры, расширился — к нему добавилась еще одна рука.

Это тоже было 10 лет назад. Давайте перенесемся на 10 лет вперед. В прошлом году мы поняли, что для такого расширения образа роботизированное устройство не нужно. Достаточно создать виртуальное тело, проекцию, аватар обезьяны. Обезьян можно обучить взаимодействовать с аватарами или воспринимать аватар в виртуальном мире как деятеля, от первого лица, и управлять движением ее рук и ног с помощью своего мозга.

Мы научили животных управлять такими проекциями и изучать объекты, находящиеся в виртуальном мире. Эти объекты внешне идентичны друг другу, но когда аватар касается поверхности одного из них, то в мозг поступает электрический сигнал, соответствующий микротактильной текстуре объекта, и сообщает мозгу, чего коснулась рука аватара. Спустя всего четыре недели мозг привыкает к обработке новых сигналов и создает новый сенсорный канал — можно сказать, новое чувство. Таким образом, мозг освобождается. Теперь он может посылать двигательные команды для управления аватаром. Обратные сигналы, поступающие от аватара, обрабатываются мозгом непосредственно, без участия кожи.

На экране вы видите задание. Животное должно коснуться трех объектов и выбрать один из них, потому что только за один из них можно получить награду, желанный апельсиновый сок. Выбрать объект нужно, полагаясь на тактильные ощущения виртуальной руки. Руки, которой не существует. Именно это животные и делают.

Это полное освобождение мозга от физических ограничений тела и двигательных нервов при восприятии. Животное управляет виртуальной проекцией, которая касается объектов. И животное чувствует текстуру объектов, получая электрические послания прямо в мозг. А мозг анализирует, какая из текстур связана с наградой. Подписи, которые показаны на экране, не видны обезьянам. Хотя они и по-английски то не читают. Эти подписи специально для вас, чтобы показать, что положение искомого объекта меняется. Но обезьянам все равно удается его найти по тактильным ощущениям, нажать на него и выбрать.

Давайте взглянем на мозг такой обезьяны. Вверху показан блок из 125 клеток, демонстрирующих мозговую активность: электрические бури блока нейронов в мозге животного, которое играет с помощью джойстика. Это изображение знакомо каждому нейрофизиологу. Клетки мозга посылают сигналы о движениях во всех возможных направлениях. На изображении внизу показано, что происходит, когда тело не двигается, и животное управляет роботом или виртуальной проекцией. Так же быстро, как мы перезагружаем компьютеры, мозговая активность переключается на восприятие нового инструмента как естественного продолжения тела животного. Мозг приспосабливается к этому стремительно — мы едва успеваем измерить.

Это говорит нам о том, что наше самоощущение не заканчивается на последнем слое эпителия нашей кожи — оно заканчивается на последнем слое электронов инструмента, которым мы управляем с помощью своего мозга. Скрипки, автомобили, велосипеды, футбольные мячи, одежда — ненасытная удивительная динамичная система под названием «мозг» впитывает все эти предметы.

Есть ли тому предел? Несколько лет назад мы провели эксперимент, чтобы выяснить это. Обезьяна в Университете Дьюка на Восточном побережье США бежала по беговой дорожке, генерируя мозговые бури, необходимые для движения. А в городе Киото, в Японии, в лаборатории вычислительной неврологии Международного института передовых телекоммуникационных исследований у нас был человекоподобный робот, всю жизнь мечтавший получить команду от мозга — мозга человека или примата.

Мозговая активность, управляющая движением обезьяны, была передана японскому роботу, который смог пойти, а данные с движущегося робота, были отправлены обратно в Университет Дьюка, чтобы обезьяна могла видеть перед собой ноги идущего робота. Так обезьяна получала награду не за движения своего тела, а за каждое правильное движение робота, находящегося в другом полушарии и управляемого ее мозгом.

Удивительно, но путь сигнала вокруг земного шара занял на 20 миллисекунд меньше, чем нужно мозговой буре, чтобы покинуть мозг обезьяны, и достигнуть мышцы. Обезьяна управляла роботом в шесть раз большего размера, чем она сама, и находящимся на другом конце света. Это один из экспериментов, когда роботу удалось пойти автономно. Робот CB1 осуществляет свою мечту в Японии, находясь под управлением мозга примата.

К чему нас все это? Для чего нам все эти исследования, помимо самоцели изучить свойства этой динамичной вселенной, что у нас между ушей? С помощью накопленных знаний и технологий мы хотим решить одну из самых сложных неврологических проблем на сегодняшний день. Миллионы людей утратили способность расшифровывать мозговые сигналы в приказы к действию, к движению. Их мозг продолжает порождать сигналы и отдавать приказы двигаться, но они не могут преодолеть преграду, возникшую при повреждении спинного мозга.

Мы хотим создать обходной путь, использовать интерфейс взаимодействия между компьютером и мозгом для чтения мозговых сигналов, масштабных мозговых бурь, в которых зашифровано желание двигаться, чтобы обойти пораженные ткани с помощью компьютерной микроинженерии и передать их новому телу — экзоскелету, роботизированному костюму, который станет новым телом для таких людей.

На экране схема проекта «Пойти снова». Некоммерческое объединение «Walk Again Project» [англ. «Пойти снова»], в которое входят ученые из Европы, США и Бразилии, работает над тем, чтобы создать такое новое тело. Тело, которое, по нашему мнению, с помощью таких же пластиковых механизмов, что позволяют Авроре и другим обезьянам использовать инструменты через интерфейс взаимодействия между компьютером и мозгом, позволяет нам приспосабливаться к инструментам, которые мы создаем и используем в повседневной жизни… Мы надеемся, что этот же механизм позволит людям не просто думать о движениях, которые они хотели бы совершить, и расшифровывать сигналы мозга в движения нового тела, но и воспринять такое тело как новое, управляемое мозгом.

Десять лет назад мне говорили, что это никогда не произойдет, что это невозможно. Но как ученый я могу ответить только одно. Я вырос в южной части Бразилии. В середине 60-х годов я смотрел как сумасшедшие ребята говорили о том, как они полетят на Луну. Мне было 5 лет, и я не понимал, почему НАСА не наняли капитана Керка и Спока для выполнения этой миссии — они же эксперты в этом деле. Однако только увидев это, еще будучи ребенком, я понял кое-что. Как говорила моя бабушка: «Невозможное — это возможное, просто никто еще не потрудился достаточно, чтобы оно сбылось».

Мне говорили, что невозможно сделать так, чтобы человек снова пошел. Думаю, я последую совету моей бабушки.

Перевод: Полина Гортман
Редактор: Александр Автаев

Источник