Интерфейс мозг-компьютер

29 августа 2020 года Илон Маск, который заведует компанией Neuralink, представил последние достижения компании в работе над интерфейсом мозг-компьютер.




Подключение мозга к компьютеру планируется осуществлять при помощи миниатюрного чипа диаметром 23 мм и высотой 8 мм. Чип может максимум иметь 1024 соединения с мозгом. То есть для работы чипа необходимо воткнуть в мозг более одной тысячи микроскопических проводов с электродами на концах. Чтобы качественно и максимально безопасно выполнить операцию подсоединения проводков к внешней поверхности коры головного мозга был создан специальный робот, который способен проводить операцию автоматически.


Робот анализирует внешний вид коры мозга и старается воткнуть электроды между сосудами и крупными капиллярами так, чтобы не было кровотечения.


Новая конструкция чипа отличается от парадигмы с прошлогодней презентации Neuralink, когда планировалось расположить аккумулятор и модуль беспроводной связи отдельно от чипов.


Теперь чип уже содержит в себе и аккумулятор, и модуль беспроводной связи и катушку для беспроводной индуктивной зарядки.

Благодаря такой универсальности чип стал больше, но теперь не нужно проводить очень сомнительную и сложную операцию по протягиванию проводов под скальпом человека от чипов до уха, как это предполагалось раньше.


Заряда батареи в чипе должно хватать на один день. Ночью его можно будет подзарядить при помощи индуктивного зарядного устройства.


Чип успешно имплантировали в голову свиньи и научились считывать сигналы о движении различных частей тела. На графиках вы можете видеть, что график предсказанных движений свиньи очень неплохо совпадает с её реальными движениями в этот момент.

Такой чип в скором будущем должен начать помогать бороться с различными психическими заболеваниями, позволит управлять механизированными протезами напрямую с помощью мозга, поможет немым и парализованным начать говорить с помощью синтезатора речи.

Борьба с болезнями это очень важно, но мы конечно понимаем, что это только лишь самое начало развития технологии подключения мозга к компьютеру. Борьба с болезнями это отличный результат и хороший предлог на пути к главной цели, которая заключается в переходе жизни на земле на новый эволюционный уровень, когда живые существа смогут модифицировать своё тело по своему усмотрению в крайне широких пределах. С самого момента самозарождения жизни на Земле шла эволюция тел, при этом увеличивалась вычислительная мощность мозгов у живых существ, что позволило с определённого момента времени у некоторых организмов появиться эволюции идей. Наиболее ярко эволюция идей или эволюция мемов наблюдается у людей. При дальнейшем развитии нейроинтерфейсов можно достичь слияния человека и компьютера и перехода жизни на земле в новую форму, когда эволюция идей будет приводить к эволюции тел.

Но можно ли осуществить слияние человека и машины при помощи технологии Neuralink? Допустим, что в будущем можно будет вставить в череп не один чип, а всю поверхность головы покрыть такими чипами. Сколько каналов между мозгом и компьютером тогда можно получить при таком максимальном чипировании? Площадь поверхности крышки черепа около 400 квадратных сантиметров, площадь чипа около 2-х. Итого получаем 200 тысяч проводков к мозгу. А всего в коре мозга содержится 16 миллиардов нейронов. Таким образом, на один проводок будет приходиться 80 тысяч нейронов, даже при максимальном покрытии чипами всего черепа.

Для того чтобы считать все тонкости мыслей и чувств такого небольшого количества каналов может не хватить. Поэтому могут оказаться более перспективными другие способы подключения мозга к компьютеру.


Например, можно выращивать искусственные нейроны уже изначально в матрице с электродами. Их можно генно модифицировать, чтобы им было комфортнее жить на чипе с электродами. Затем уже данный чип с некоторым слоем нейронов можно приложить к поверхности коры головного мозга в надежде, что искусственно выращенные нейроны срастутся с естественными нейронами и таким образом будет возможным добиться гораздо большего числа каналов соединения. В будущем станет возможным создать целиком искусственную крышку черепа, в которой будет аккумулятор, процессор обработки сигналов и возможно даже нейросеть, которая будет дополнять работу биологического мозга.


На внутренней поверхности такой крышки черепа будут искусственно выращены все слои тканей между черепом и мозгом и небольшой слой нейронов в матрице из электродов для сращивания искусственных нейронов с поверхностью мозга. Останется только выпилить свою родную крышку черепа и заменить на новую прокачанную. Кто знает, может после смерти биологического тела, вы продолжите жить в процессоре, встроенном в эту электронную крышку.

Таким образом, эксперименты Neuralink это прорыв в технологии нейроинтерфейсов, но с полным слиянием человека и машины могут возникнуть трудности, если в дело не вмешаются биотехнологи.

В конце августа Илон Маск провел вторую презентацию технологии Neuralink нейроинтерфейса для считывания мозговой активности. Первую версию устройства Макс представил в июле 2019. Тогда редакция журнала J Med Internet Res обратилась за рецензией к ученым из Лаборатории нейронауки и когнитивных технологий Университета Иннополис. Александр Писарчик, Владимир Максименко и Александр Храмов дали экспертные комментарии на новый способ вживления электродов в головной мозг. В этой статье сотрудники университета разбирают новую технологию Маска.



Свой комментарий на технологию Neuralink мы опубликовали в октябре 2019 года. По сравнению с прошлогодней презентацией изменился внешний вид устройства теперь это миниатюрная круглая таблетка размером с монету и язычком из связки электродов, которых, кстати, стало меньше. Изначально было заявлено 3072 электрода, теперь осталось 1024.

Можно предположить, что изменение количества электродов связано с задачами устройства. Прибор нацелен на распознавание конкретной активности мозга. В презентации показали, как с его помощью считывается двигательная активность. Для этой задачи чип должен быть имплантирован в моторную кору. Это небольшая область и 1000 электродов, скорее всего, достаточно.

Если мы захотим решить другую задачу стимулировать зрительные или аудиальные центры, то необходимо имплантировать чип в другие области мозга. Более того, чтобы контролировать сложную когнитивную активность, электроды должны покрывать несколько областей одновременно. Тут уже вопрос не в количестве электродов, а безопасности такой операции.

Появились и новые фишки. На вопрос журналистов можно ли будет с помощью Neuralink управлять Tesla, Макс ответил положительно, добавив, что все чувства: зрение, слух, осязание это электрические сигналы, которые отправляются нейронами в мозг. Учитывая сказанное, можно предположить, что технология применима для управления умным домом и интернетом вещей. Также в презентации говорилось, что чип может транслировать музыку и работать с различными устройствами по Bluetooth-соединению, а для управления Neuralink будет разработано мобильное приложение. Маск сравнил новый прототип с фитнес-браслетов Fitbit только с маленькими проводами в черепе.

Давайте разберем, в чем новизна технологии и почему Neuralink может стать прорывом в области лечения когнитивных нарушений. Для этого абстрагируемся от маркетинговых теглайнов про управление с помощью чипа в игре StarCraft и разговоров про чипирование людей.


Прототип устройства год назад и сейчас

Чем перспективен проекта Маска

Идея Neuralink основана на интерфейсе мозг компьютер. Термин интерфейс мозг компьютер (ИМК) появился в начале 1970-х годов, а первые попытки исследовать нейронную активность на обезьянах проводились уже в 1960-х. Сегодня работа в этом направлении перспективна для реабилитации при нарушениях двигательных функций.

Neuralink позволяет применять инвазивный метод следующего поколения. Устройство содержит до 1024 электродов, распределенных по десяткам нитей, с помощью которых подключается к мозгу. Чтобы преодолеть хирургическое ограничение, разработчики создали нейрохирургического робота, который вводит до шести нитей в минуту с точностью до микрометра.

Технология может служить прототипом инвазивного нейроинтерфейса для клинических приложений. Многоэлектродные нейроинтерфейсы могут стать основой для новых технологий и медицинских решений для парализованных людей. Развитие технологии позволит взаимодействовать с внешней средой без ограничений благодаря интеграции в умный дом и интернет вещей.

Neuralink не имеет аналогов по числу регистрируемых каналов. Существующие ИМК, которые используют инвазивные записи с нескольких десятков нейронов, уже позволяют обезьяне и человеку управлять движениями манипулятора силой мысли. В журнале Nature опубликованы работы, которые демонстрируют, как обезьяна ест роботизированной рукой и как полностью парализованные пациенты захватывают и перемещают предметы с помощью манипулятора.


Нити устройства взаимодействуют с мозгом

ИМК перспективны для обнаружения скрытой информации о работе мозга, которую невозможно получить с помощью обычных каналов связи. Использование неинвазивных ИМК ограничено небольшим количеством распознаваемых команд. Это ограничение возникает из-за зашумленности и нестационарности неинвазивных записей электроэнцефалографии или спектроскопии в ближнем инфракрасном диапазоне.

В этом плане инвазивные электроды более устойчивы к помехам и артефактам, и позволяют получить качественные записи нейронной активности. Вместе с тем, инвазивная регистрация требует большего числа электродов, чтобы покрыть распределенные области мозга. При помощи методов Neuralink эта проблема может быть решена.

Как с помощью инвазивного подхода предсказывать приступы эпилепсии

Для нас технология Маска интересна в том числе с точки зрения собственных разработок. В Лаборатории нейронауки и когнитивных технологий мы работаем над проектом по предупреждению приступов эпилепсии.

Мы разработали ИМК, который при помощи трех электродов, вживленных в мозг крысы, позволяет предсказывать эпилептические приступы с точностью до 90%. Однако, существуют проблемы, связанные с большим числом ложных предсказаний. Если говорить о системе предотвращения приступа при помощи электрической стимуляции, то ложные предсказания приводят к большому числу ненужных стимуляций. В нашем интерфейсе удалось свести к минимуму число ложных предсказаний, но точность предсказания приступа снизилась до 50%.


Подробнее про разработки Университета Иннополис в области предупреждения приступов эпилепсии

Neuralink расширяет возможности для считывания сигналов мозговой активности. Скорее всего, использование 1000 каналов вместо трех, позволит значительно повысить точность предсказаний приступа эпилепсии и уменьшить количество ложных предсказаний.

Для прогнозирования эпилептических приступов нейронная активность должна регистрироваться в заранее определенных фокальных областях мозга, где активность проявляется раньше всего, а патология выражена наиболее ярко. В таком случае можно быстро обнаружить приближающийся приступ.

ИМК нового поколения, которые могут появиться благодаря Neuralink, предполагают стимуляцию мозга для прерывания или даже предотвращения эпилептических приступов среди людей с лекарственной устойчивостью.

Незаменимый робот-хирург

Еще в первой презентации прошлым летом Маск показал прототип нейрохирургического робота для установки импланта. Это очень важное преимущество, потому что ИМК не применяется в клинической практике в том числе из-за хирургических трудностей и проблем биосовместимости. Робот-хирург очень быстрый устанавливает до шести электродов в минуту. Команда Neuralink ставит задачу сократить время установки импланта до часа, а операцию проводить под местной анестезией, чтобы отправлять пациента домой в тот же день.

По идее разработчиков проблему биосовместимости решит использование биосовместимого полиимида с тонкой пленкой золота. При выборе материалов нужно учитывать импеданс и биосовместимость. Команда Neuralink протестировала полимер допированный полиэтилендиокситиофеном с полистиролсульфонатом и оксидом иридия. В результате достигли более низкого импеданса для первого, но лучшей биосовместимости для второго. Разработчики обещают продолжить исследования в этом направлении и проверить гипотезы на других типах проводящих электродных материалах и покрытиях.


Робот-хирург Neuralink

Наши вопросы к Neuralink

Было бы интересно узнать, возможно ли доставлять электрические импульсы к клеткам и одновременно регистрировать нейронную активность. Другими словами, сохраняет ли стимуляция возможность одновременной регистрации нейронной активности с минимальными артефактами.

Если данный функционал будет реализован, то это решит ещё одну важную задачу в области ИМК, возможность подстройки нейронной активности непрерывно. Например, при предотвращении эпилептического приступа путем электрической стимуляции появится возможность контролировать эффективность этого процесса. Можно будет подбирать оптимальную интенсивность стимуляции, чтобы предотвратить приступ, и при этом минимизировать негативное влияние на мозг.

Если заглянуть далеко вперед, то среди нежелательных эффектов ИМК с электродами, имплантированными в мозг человека, можно отметить потенциальную возможность контролировать и манипулировать поведением человека не только через средства массовой информации, но и напрямую посылать команды в мозг. Это предъявляет повышенные требования к шифрованию и защите данных и протоколов, использующихся в ИМК. Сейчас это кажется фантастикой, но в будущем этот вопрос обязательно возникнет.

По поводу этичности таких методов ведутся многочисленные дискуссии. Интересно, как в итоге будет сформулирована общественная позиция на этот счет. Захочет ли большинство добровольно устанавливать нейроимпланты? Напишите в комментариях, что думаете по этому поводу, согласились бы на такое, чтобы силой мысли найти Tesla на парковке или включить свет в квартире?