Чтение и перезапись мозга

Роман Фишман
«Популярная механика» №9, 2017

Запомните эту дату: исследователи Технологического университета в Тоёхаси обещают, что через пять лет — уже в 2022-м — появится работающее устройство и мобильное приложение для чтения мыслей и воспоминаний. А где чтение — там и запись?

Для оптимистичного прогноза профессора Цунео Нитты имеются вполне понятные основания. Весной 2017 года его команда показала систему, которая считывает электрическую активность клеток мозга, угадывая задуманную человеком цифру или односложное слово. Годом раньше их американские коллеги научились определять вид картинки, на которую смотрит человек, — изображение лица или дома — по возбуждению нейронов его зрительной коры. Все это стало возможным благодаря совершенствованию старых методов регистрации активности клеток мозга и новым подходам к интерпретации этих «шумных» данных.

В самом деле, наши мысли, воспоминания и сны нематериальны, но у них есть материальный субстрат. В основе происходящих в мозге процессов лежат согласованные возбуждения нейронных паттернов, вспышки активности в ансамблях клеток. Обучаясь и накапливая опыт, мозг перестраивает эти паттерны, создавая и укрепляя одни связи, ослабляя и удаляя другие. Скачки их электрической активности можно измерить, а найдя более-менее устойчивые паттерны клеток, «вспыхивающих» вместе, — распознать их. Однако трудности нас ждут уже с первого шага...

Измерить

Самый точный способ узнать активность нейронов — подвести прямо к ним тонкие электроды. Так действовали еще пионеры изучения мозга, так работают ученые и сейчас, разве что датчики стали миниатюрнее и чувствительнее, а главное — их стало больше. Массивы из десятков тысяч микроэлектродов моментально регистрируют возбуждение с разрешением до отдельных клеток. Именно они позволили определять, дом или лицо видит человек, по активности нейронов зрительной коры его мозга. А Михаил Лебедев и его коллеги из группы профессора Мигеля Николесиса имплантировали электроды в моторную кору обезьяны, расшифровали ее команды и передали на роботизированную руку, так что животное научилось хватать ею банан. Замечательно — если б не одно но.

Михаил Лебедев экспериментировал на макаках; в опытах со зрительной корой использовались больные эпилепсией, проходившие хирургическую операцию. Вряд ли человек в здравом уме согласится на столь опасное вмешательство только затем, чтобы кто-то имплантировал электроды ему в мозг. По счастью, существуют и неинвазивные подходы к измерению активности нейронных паттернов. Самый популярный из них — электроэнцефалография (ЭЭГ), электроды для которой накладываются на кожу головы. Результат они дают не такой точный, зато не требуют рискованных манипуляций на открытом мозге.

Оба метода работают только для процессов, происходящих неглубоко под поверхностью мозга. Увидеть его во всем объеме можно с помощью томографии, и ее часто используют ученые. Но для повседневного «чтения мыслей» это способ долгий и громоздкий. К тому же нас интересуют именно верхние слои, где локализованы высшие функции: все самое любопытное лежит у поверхности, доступной ЭЭГ и электродам. Остается эти данные...

Распознать

Характеристики ЭЭГ у людей неповторимы, как отпечатки пальцев: их вполне можно использовать для идентификации личности. Паттерны нейрональной активности у разных людей похожи лишь в общем, а детали складываются в процессе развития мозга и накопления опыта. Однако в последние годы ИИ научился находить общие закономерности в картинах активности мозга, соответствующей тем или иным образам.

Совсем недавно, летом 2017 года, ИИ позволил ученым довольно точно восстановить детали человеческого лица, фотография которого предъявлялась обезьяне с имплантированными в зрительные зоны мозга микроэлектродами. Нужно лишь обучить машину на достаточно большой выборке исходных данных, чтобы понемногу компьютер стал различать их самостоятельно, все лучше и лучше.

Принципиальной разницы между организацией паттернов в моторной коре или зрительной нет, меняются лишь детали представления информации разными системами мозга. Иное дело — индивидуальные различия, из-за которых алгоритм требуется предварительно обучать на данных того же человека, мысли которого мы собираемся прочесть. Впрочем, есть надежда, что благодаря быстрому развитию искусственного интеллекта эта задача будет решена, и компьютер сможет работать и с мозгом незнакомого человека, считывать его мысли и даже их...

Переписывать

Активность нейронных ансамблей можно не только регистрировать, но и менять и даже создавать их искусственно. Профессор Брайан Уилтген из Калифорнийского университета в Дейвисе воздействовал на воспоминания, подавляя возбуждение определенных клеток гиппокампа. Стимулированные у мышей неприятные переживания слабели, а затем и вовсе пропадали из памяти. Удается и обратная задача: точечное возбуждение нейронов позволило восстановить утерянные воспоминания у животных с аналогом человеческой болезни Альцгеймера. К сожалению, использованный при этом подход — оптогенетика — людям снова не подойдет: для возбуждения нейронов в них вносят гены белков, чувствительных к свету, после чего облучают лазером сквозь небольшое «окошко» в черепе.

Но и в этом случае, помимо инвазивного метода, существует вполне безопасная альтернатива. Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) — техника, по большому счету обратная ЭЭГ. Возбуждения нейронов добиваются, стимулируя их магнитным полем, которое создают закрепленные на черепе электроды. Джоэль Уосс из Северо-Западного университета с коллегами уже показали, что ТМС-воздействие на гиппокамп стимулирует память и помогает больным тем же Альцгеймером. Остается лишь дождаться усовершенствования этого метода: когда он позволит целенаправленно воздействовать на отдельные нейроны, дело будет в шляпе. Или нет? Ведь даже заполучив в свои руки инструмент для «перезаписи мозга», нам придется сформулировать, что и как именно мы намерены в нем менять. А для этого мозг нужно...

Понимать

Исходя из знания одних нейронных паттернов, мы не можем предсказать, как будут выглядеть другие. По выражению Михаила Лебедева, «чтение мыслей возможно, только если это мысль на заранее заданную тему» — будь то лицо, цифра или загаданная карта из колоды. Но допустим, что в будущем более совершенные алгоритмы научатся и этому. Представим, что гаджет, который профессор Нитта обещал через пять лет, отобразит на экране череду образов: вот что-то синее, вот фигура одноклассника, запах дождя... Что скажет нам этот набор о переживаниях и чувствах человека? Как сложить из этого целостную мысль? Для этого придется «прочесть» и интерпретировать весь личный опыт человека, а главное — понять, что же такое сама мысль и как она складывается из набора нейронных паттернов. Судя по всему, технологий «чтения и перезаписи мозга» придется подождать дольше, чем надеются японские ученые.