abzads (abzads) wrote,
abzads
abzads

Categories:

Последнее слово науки о мысли

Недавно в "Эксперте" опубликовали статью "Мысль, ставшая материальной силой". Они с этого года в платном доступе, поэтому пришлось покупать журнал, и поскольку я решил, что статься заинтересует некоторых друзей, положил его на сканер.

В XXI веке, по мнению многих специалистов, изучение мозга и разума будет играть такую же роль, какую сыграло для наук прошлого века изучение генов и наследственности. Ожидается, что исследование мозга также объединит многие науки, в том числе социальные и естественные, а кроме того, послужит основой для создания новых технологий.

Разработка методов непосредственного, без использования моторной деятельности, взаимодействия мозга человека или животного и машины - одно из самых популярных направлений современной нейрофизиологии, которое требует использования самых разнообразных математических методов и технических средств. Такие устройства получили название <интерфейс мозг-машина> (Brain Machine Interface, BMI) или <интерфейс мозг-компьютер> (Brain Computer Interface, BCI).

Можно выделить два основных метода создания подобных интерфейсов: инвазивный, то есть связанный с проникновением в мозг и получением сигнала от имплантированных в него электродов, и неинвазивный, не предполагающий проникновения в мозг, а использующий его электромагнитное излучение. Любое движение, восприятие или внутренняя мыслительная деятельность связаны с взаимодействием нейронов посредством электрических импульсов нервных клеток и волокон.

В сумме эти процессы создают электромагнитное поле, которое можно зарегистрировать снаружи головы с помощью методов электроэнцефалографии.

Кроме собственно научного Интереса у разработок интерфейса мозг-машина есть несколько важных прикладных применений. Например, возможность управлять различными техническими устройствами <силой мысли>. Но в первую очередь это возможность прийти на помощь людям, которые страдают неврологическими заболеваниями, парализованы и неспособны ни к каким двигательным функциям, но все еще обладают когнитивными способностями. Единственно возможный для них способ общения со своим окружением-использование мозговой деятельности для управления какими-то устройствами.

В декабре 2015 года состоялся II Междисциплинарный научный форум <Неделя науки в Москве>, одним из организаторов которого выступил Институт проблем передачи информации им. А. А. Харкевича РАН (ИППЙ РАН). В рамках форума прошла научная сессия <Современные нейронауки: как использовать данные о функционировании и структуре мозга>, в которой приняли участие многие известные специалисты в области интерфейсов мозг-машина, в том числе старший научный сотрудник нейроинжинирингового центра Университета Дьюка (США) Михаил Лебедев и заведующий сектором ИППИ РАН Михаил Беляев. Лебедев - нейрофизиолог, Беляев - математик. И оба работают над созданием интерфейсов мозг-машина. Мы решили воспользоваться случаем и обсудить с ними проблемы создания BCI. А начали беседу с просьбы пояснить, чем именно они занимаются.

Михаил Беляев: В нашей лаборатории мы разрабатываем математические методы распознавания и обработки сигналов энцефалограмм, с помощью которых можно построить устройства, которые, как любят говорить фантасты, позволят силой мысли управлять чем-нибудь вокруг нас. То есть создать интерфейсы мозг-машина.

Хотя энцефалограмма - это совокупная активность огромного числа нейронов и, соответственно, электрических сигналов и извлечь из нее какие-то сигналы, связанные со сложной активностью мозга, пока не удается, тем не менее уже существуют математические методы, которые позволяют извлекать из энцефалограммы полезную информацию для управления различными объектами.

Михаил Лебедев: Мы тоже работаем в области интерфейсов мозг-машина. Но не с людьми, а с обезьянами. Мы записываем у них активность мозга, декодируем ее и подключаем к каким-то внешним устройствам, например, к механической или виртуальной руке. Обезьяна контролирует активностью мозга движение и, скажем, управляет виртуальной рукой на экране.

- Как вы получаете сигналы от обезьян?

М. Л.: В наших исследованиях мы используем электроды, которые имплантированы в мозг обезьян в непосредственной близости к нейронам. Конечно, выбрать какой-то нейрон <по вкусу> мы не можем. Но мы точно знаем, где в моторной коре представлены руки, где представлены ноги, где туловище, где голова. Если мы хотим управлять протезом для ноги, то помещаем электроды в область, которая ответственна за ноги.

Нейрон генерирует электрические импульсы. Мы смотрим, в какое время нейрон сгенерировал импульс, чтобы понять, как этот импульс связан с движением руки или ноги. Основная характеристика работы нейрона- частота разряда. Например, нейрон разряжается медленно до начала движения, но в момент движения руки частота разряда увеличивается. Нейрон может разряжаться с частотой до 500 герц. И мы смотрим, как меняется разряд: 10 герц, потом 20, потом... Зная, какие сигналы соответствуют каким движениям и ощущениям, мы можем электрически стимулировать мозг и посредством этой стимуляции вызывать ощущения. Скажем, в таком эксперименте: обезьяна контролирует искусственную руку, как бы ощупывающую виртуальные предметы и генерирующую сигналы искусственного тактильного восприятия. Мы этот сигнал посылаем обратно в мозг при помощи электрической стимуляции, что создает у обезьяны полную иллюзию того, что она и управляет этой рукой, и пользуется ею для получения тактильных ощущений. А недавно мы показали, что обезьяна может активностью мозга управлять двумя виртуальными руками одновременно. Мы работаем не только с руками, но и с ногами. В мире миллионы людей страдают от паралича ног. Эти исследования направлены на то, чтобы получить возможность восстанавливать у таких людей способность ходить.

- Но при параличе происходит отключение участков мозга, управляющих, скажем, ногами.

М. Л.: Не всегда. Паралич может наступать, например, и вследствие травмы спинного мозга. Разрывается спинной мозг, поэтому к мышцам не поступают управляющие сигналы. При этом известно, что область головного мозга, ответственная за движение, не умирает, сохраняя функциональность. Если мы сможем записать сигналы в головном мозге и направить их на протез, а может быть, в будущем даже в спинной мозг, то сможем создать своеобразный <мост> вместо поврежденного участка.

Разговаривать моргая

- А энцефалограмму можно использовать для таких целей?

М. Б.: Существует три основных способа управления с помощью электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Первый способ основан на том, что, когда в поле зрения человека происходят некоторые события, скажем мигает лампочка, на ЭЭГ через 300 миллисекунд после события возникает большой пик, получивший название Р300.

Использование этого явления лежит в основе устройства РЗОО-speller, предназначенного для парализованных людей, которые не могут говорить, -оно позволяет им коммуницировать с внешним миром. Устройство представляет собой матрицу, состоящую из шести строк и шести столбцов, на пересечении которых расположены последовательно мигающие лампочки, каждая из которых подписана буквой или цифрой. Или аналогичная матрица из мигающих символов изображена на экране компьютера. Когда человек хочет, чтобы устройство написало какую-то букву, он смотрит именно на эту букву. Когда она вспыхивает, в его электроэнцефалограмме возникает сигнал . Р300, и с помощью специального устройства на экран компьютера выводится соответствующая буква. Последовательно распознавая сигналы Р300, мы сможем записать, что человек хочет сказать.

Эту технологию можно применять и по-другому. Например, если у человека парализована рука, можно надевать лампочки на разные пальцы этой руки, он будет смотреть на лампочку, а экзоскелет будет сгибать соответствующий палец. Экзоскелет -это устройство, воспроизводящее возможности человеческих мускулов или усиливающее Их действие.

Вторая, похожая, технология основана на том, что когда мы смотрим на какой-то экран, моргающий с определенной частотой, то оказывается, что в ЭЭГ появляются сигналы, повторяющиеся с той же частотой или кратно ей. Технология очень простая: четыре экранчика моргают с разной частотой,- каждой из которых соответствует какая-то команда. В зависимости от того,- на каком из четырех экранчиков концентрируется человек, мы увидим на ЭЭГ сигнал с соответствующей частотой и сможем понять, о какой команде идет речь. Например, с помощью этой технологии в Корее недавно сделали управление экзоскелетом нижних конечностей. У человека на уровне пояса закреплен пульт с лампочками, мигающими на пяти частотах, соответствующих командам <стоять>, <вперед>, <влево>, <вправо> и <сесть>. Соответственно, он на это смотрит и может передвигаться. Понятно, что обе эти технологии достаточно ограничены в возможностях, поскольку все время надо на что-то смотреть.

-А без таких ограничений?

М. Б.: Существуют технологии управления, основанные на так называемом воображаемом движении. Известно, что когда человек делает какие-то движения рукой, то у него в моторной коре возникает очень характерный сигнал. И когда человек в реальности не двигает рукой, а просто представляет себе это движение, то наблюдается очень похожая картина. Мы можем использовать эти Сигналы для управления внешним объектом. Можно добавить, например, воображаемые движения ног. Отдельные сигналы для левой и правой ног распознать практически невозможно, а вот для двух ног сразу - удается. Таким образом получаются три степени свободы. Эти же сигналы можно использовать для управления какой-нибудь машиной, например, квадрокоптером.

У этой технологии есть и медицинское применение. Человек, у которого произошел инсульт и который, например, утратил подвижность руки, может пытаться воображать движение этой конечностью. Если мы сможем распознать те моменты, когда человек воображает движение, то, надев ему на руку экзоскелет, сможем использовать активность мозга в качестве командного сигнала, скажем, чтобы сжимать и разжимать ладонь. А можно просто подключить устройство для миостимуляции и током стимулировать соответствующие мышцы. Существует популярный подход к реабилитации, в рамках которого предполагается, что таким образом можно запустить процессы замещения функций поврежденных участков мозга неповрежденными. И это, наверное, из возможных применений воображаемых движений самое востребованное. Специалисты предполагают, что в ближайшем будущем будут сделаны удобные шапочки, удобный экзоскелет или устройство для миостимуляции, чтобы люди могли дома проводить все эти процедуры.

-Мне не ясно, как человек представляет, что он что-то делает рукой или ногой, потому что, когда я двигаю рукой, я же не думаю об этом. А сейчас, например, я подумал, что я двигаю рукой, ну и что?

М. Б.: Это на самом деле большая проблема, поскольку воображать движение для нас нетипичная задача. Оказывается, что кто-то может хорошо представить движение локтем, а кто-то - сжимание кисти. Если тип воображаемого движения выбран неправильно, то мы наблюдаем более слабый сигнал и, как следствие, хуже распознаем команды. Еще одна схожая проблема состоит в том, что мы никогда не знаем на самом деле, воображал ли человек требуемое движение или нет. Часто эксперименты ставятся следующим образом: на экране у человека загорается какая-то метка, например, изображение правой руки, и дальше ему в течение десяти секунд надо воображать движение этой рукой. Но мы не знаем - может, он только три секунды воображал, потом забыл и начал думать о чем-то своем. А для нас это очень важно, в таких ситуациях мы не видим качественного распознавания и не может понять, проблема в наших алгоритмах или же в зарегистрированных сигналах. Как с этим бороться, мне не очень понятно, потому что мы никогда не сможем проконтролировать, что же человек на самом деле думает.

М. Л.: Важную роль в том, как человек управляет своими руками и ногами, играет сенсорная информация, то есть обратная связь от рецепторов, мышц, суставов, сухожилий и так далее. И если мы хотим заменить реальную ногу протезом, хотим, чтобы он управлял им так же, как мы управляем ногой, нужно пытаться восстановить все компоненты этой цепи. Не только сигнал к протезу, но и обратную связь. Это сложная задача. Пока все эти системы рассчитаны на зрительно-обратную связь. Но недавно DARPA, американское агентство по перспективным разработкам, сообщило, что они вживили в сенсорную кору человека электроды. У человека была искусственная кисть руки; и когда до ее сенсоров дотрагивались, это вызывало стимуляцию в мозге.

-То есть это своеобразный массаж. Когда у человека паралич, конечности разрабатывают с помощью массажа...

М. Л.: Это очень верно. Мозг весьма пластичен, он может восстанавливаться даже при инсульте и повреждении спинного мозга. Если какая-то часть волокна осталась, есть надежда на восстановление. Но чтобы восстановились утраченные функции, очень важно активировать нейронные сети.

- Какие еще примеры использования данных, получаемых в результате исследования ЭЭГ, можно привести?

М. Б.: Так называемое ускоренное обучение, когда интерфейс мозг-компьютер используется не для управления внешним устройством, а для мониторинга состояния человека. В частности, в DARPA попробовали на основе ЭЭГ сделать систему для ускоренного обучения новобранцев стрельбе. Система анализирует состояние iirsiMr человека: устал ли он, а значит, бессмысленно его дальше учить, или ему скучно, потому что для него задача слишком проста. И на основе такого мониторинга создается программа адаптивного обучения, настроенного под состояние конкретного человека. Они утверждают, что точность стрельбы за стандартный цикл обучения выросла в 2,3 раза по сравнению с обычными методами обучения.

-Электроэнцефалограмма - единственный вид данных, получаемых при изучении мозга, который можно анализировать вашими математическими методами?

М. Б.: Второй тип данных, с которыми мы работаем, -разные варианты магнитной резонансной томографии (МРТ): обычная МРТ, функциональная МРТ и диффузионная МРТ. Хотя, в общем, это практически не пересекающиеся с ЭЭГ области, но и там и там возникают очень сложные данные, с очень специальной структурой, и мы, соответственно, стараемся понять, какими методами можно извлечь из этих данных какую-то информацию.

В частности, мы по данным МРТ решаем задачи различения нормы и патологии. Тут важно сказать, что есть просто МРТ, которая нам дает трехмерную картинку, и мы можем определить, где белое или серое вещество. А есть диффузионная МРТ, которая позволяет увидеть тракты, то есть, грубо говоря, провода, которые соединяют между собой различные части мозга.

И мы пытаемся, изучая эти тракты, отличать здоровых людей от людей, у которых, например, болезнь Альцгеймера или другие когнитивные нарушения. Если мы сумеем это сделать, то сможем на ранних стадиях диагностировать эти болезни.

- Информация о конкретной вещи, ее движении сконцентрирована в одном месте или она распределена, как голограмма, по всему мозгу?

М. Л.: Верно и то и другое. Информация о любом действии широко распределена в мозгу, потому что она включает очень много компонентов. Если речь идет о движении, скажем, руки, то практически в любом месте мозга есть нейроны, которые коррелируют с этим движением. Корреляция не означает, что они коррелируют по одним и тем же причинам. Есть области мозга, которые больше связаны с планированием движения, другие - сих осуществлением, третьи - с ответом на внешние стимулы, запускающие движения. В конце концов все эти сигналы сходятся к спинальным нейронам, которые уже посылают сигнал напрямую к мышцам.

-Вы из этой большой совокупности сигналов выделяете некий узкий спектр именно тех сигналов, которые конкретно управляют движением?

(Тут FineReader засбоил, и полстраницы пропало, но дальше интересное)

А как бы вы сформулировали, что такое мысль с вашей точки зрения, нейрофизиолога и математика? Управление движением-это ведь тоже мысль. Это просто набор электрических сигналов?

М. Л.: Когда мы записываем сигналы с нейрона из мозга обезьяны, мы их отправляем на громкоговоритель. И я просто слышу звук. После некоторой практики я могу сказать, о чем обезьяна думает. Скажем, обезьяна что-то делает, а потом ей становится лень, и она перестает. В момент, когда ей становится лень, меняется характер пульсации. Так что в данном случае мысль становится звуком, к которому можно прислушаться. Некоторые сравнивают подобные нейронные звуки с музыкой и даже с симфонией. Хотя, если вы послушаете, скорее назовете это какофонией. . '

М. Б.: Кажется, что все действительно сводится к каким-то электрическим сигналам. Но это настолько сложная система, и мы смотрим на нее настолько издалека, что пока мало что можем понять, разобраться, что там на самом деле происходит. Недавно была новость, что в DARPA стали собирать предложения по созданию инвазивного чипа. Они хотят регистрировать до миллиона сигналов нейронов одновременно. Причем хотят, чтобы это было автономное устройство, не было проводов, которые подключаются к голове. Например, то, что делает Михаил Лебедев, а это передовые исследования, - порядка тысяч сигналов, но далеко не миллион. Очень интересно посмотреть, придумают инженеры что-нибудь для этого или нет. Но если будет сигнал с миллиона нейронов, это уже будет гораздо более богатый сигнал. Может быть, тогда мы сможем увидеть что-то более тонкое, чем сейчас, и ближе подойти к пониманию того, что такое мысль.

-Войно-Ясенецкий, известный российский нейрохирург, работавший во время войны, и одновременно крупный священнослужитель, как-то сказал: <Я много раз оперировал мозг, но никогда не видел ума>. Что такое ум с точки зрения людей, которые пытаются расшифровать мысль?

М. Б.: Мне кажется, что это очень сложный вопрос, на который пока никто не знает ответа. Как специалисту по анализу данных мне хотелось бы сначала определить, как количественно можно оценить ум. Есть какие-то классические способы, которые у всех на слуху, вроде тестов на IQ, но известно, что это очень спорный метод. Тем не менее для нас это была бы очень хорошая задача: на вход наших алгоритмов поступает электроэнцефалограмма от конкретного человека, а в качестве выходной переменной нам надо предсказать ту самую количественную характеристику ума. На это было бы любопытно посмотреть, хотя это вряд ли продвинет нас в понимании того, что же такое ум.

М. Л.: Пока науке точно не известно, как из нервной ткани и ее активности получается ум. Удивительная вещь: миллиарды нейронов связаны, функционируют, создают наше собственное <я>, множество задач решают... Но каким образом этим миллиардам нейронов удается такую разумную активность поддерживать, пока непонятно. Неполадки в такой сложной системе приводят к тому, что нейроны начинают генерировать неукротимые колебания, как нередко происходит в электронных схемах, созданных радиолюбителями. Почему мозг большую часть нашей жизни стабильно генерирует осмысленные сигналы, а не автоколебания, до конца не понятно. Впрочем, наличие ума критично только для человека - животным необходимо лишь добывать пищу и размножаться. Поэтому если какое-то животное, та же обезьяна, страдает шизофренией (например, иногда испытывает слуховые галлюцинации или ведет себя не вполне адекватно), то для его благополучия это может быть не столь существенно, как для человека; животное может позволить себе быть <слегка с приветом>. Человеческий разум, по всей видимости, - это продукт эволюции и отбора, в том числе социального. Стоит упомянуть попытки объяснить возникновение сознания, то есть наших субъективных ощущений (красноты красного, солености соленого и так далее). Здесь современная наука недалеко ушла от споров, описанных в <Материализме и эмпириокритицизме> Ленина: кто-то приписывает сознание специальным областям мозга, кто-то бредит об электромагнитных полях, рождающих сознание, кто-то рассуждает о том, что сознание как-то связано с информацией, а некоторые даже считают, что любая организованная система (например, стопка блинов) имеет сознание. Но если резюмировать, то главным достижением научной мысли здесь стало заключение, что проблема сознания - это очень сложная проблема. (Этот тезис сформулировал австралиец Дэвид Чалмерс.) Что ж, наука не привыкла останавливаться перед сложностями; будем их преодолевать.
Tags: мышление, наука
Subscribe

  • Цена и ценность

    В наукообразной политэкономии господствует спекуляция. Всё по-прежнему, рассуждают о том, что завод произвёл товар, но при этом загрязнил окружающую…

  • Закрыл тему

    Действительные причины, вызвавшие провал советской хозяйственной системы, как показано в нашей книге, прямо вытекали из самого характера…

  • Фукуяма был прав

    Прочёл наконец статью "Конец истории?" Угу, она так нашумела в то время, что не было необходимости читать. Похоже, слова о "последних гвоздях в…

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 1 comment