Модем под черепом. Когда хакеры начнут взламывать мозги
Суперспособности для военных
Агентство передовых оборонных исследовательских проектов (DARPA) Минобороны США уже четвертый год работает над программой RAM - "Восстановление активной памяти". С 2000 г. более чем 270 тыс. американских военных пришлось бороться с последствиями травм головного мозга, и в DARPA решили помочь возвращению воспоминаний.
Как рассказал руководитель биотехнологического подразделения DARPA Джастин Санчез, в рамках RAM разрабатываются импланты в мозг для восстановления памяти у пациентов с травмами мозга. Исследователи смогли выявить сигналы мозга, которые указывают, насколько хорошо сохранится то или иное воспоминание. При направленной электростимуляции этими процессами можно управлять. DARPA хочет использовать эту технологию для помощи не только военным, но и миллионам других американских пациентов, которые страдают потерей памяти в результате черепно-мозговой травмы.
С начала прошлого года DARPA работает также над программой NESD - "Дизайн нейроинженерных систем". Это часть проекта по исследованию мозга с использованием продвинутых инновационных нейротехнологий (BRAIN), который был запущен президентом Бараком Обамой в 2013 г. с целью борьбы с нарушениями и заболеваниями мозга.
В рамках NESD агентство намерено создать имплантируемый нейроинтерфейс, который позволит человеку напрямую подключаться к компьютерам. Это устройство, преобразующее электрохимические сигналы нейронов в цифровые сигналы и наоборот, должно помочь людям (но в первую очередь, конечно, американским военным) вернуть зрение и слух, научиться контролировать протезы, управлять различными устройствами удаленно и вообще обрести суперспособности.
"Сегодня большинство интерфейсов мозг-компьютер напоминают систему из двух суперкомпьютеров, которые пытаются общаться друг с другом посредством старого модема, - пояснил руководитель NESD Филип Альвельда. - Представьте, какие возможности откроются перед нами, если мы сможем наладить высокоскоростной канал связи между мозгом и современным электронным устройством".
Проблема существующих нейроинтерфейсов не только в очень низкой скорости, но еще и в том, что они способны воспринимать лишь суммарные сигналы от небольшого числа (несколько десятков) довольно больших групп нейронов (от 100 до 1000). DARPA хочет улавливать индивидуальные сигналы от миллионов нейронов. При этом агентство надеется создать такое устройство, которое размером будет не крупнее обычной плоской батарейки.
"Создание интерфейса, способного работать одновременно с более чем миллионом нейронов, позволит наладить интенсивную двустороннюю коммуникацию с мозгом. Это поможет нам лучше понять биологическую суть мозга и его функционал, заложит широкую основу для новых неврологических терапий", - обещает Альвельда. В то же время он признает: "Даже миллион нейронов представляют собой лишь незначительную долю от 86 миллиардов нейронов в человеческом мозге. Его более глубокие сложности останутся загадкой в течение некоторого времени".
Для осуществления своих планов DARPA привлекло целый ряд экспертов в области нейронауки, синтетической биологии, фотоники, разработчиков нейроинтерфейсов и медицинских приборов. А в августе 2017 г. стало известно, что DARPA заключило контракты на фундаментальные разработки в рамках NESD с пятью исследовательскими группами и одной компанией.
Четырем из шести рабочих групп агентство поручило работать над визуальными системами. Две другие команды займутся проектами в области слуха и речи. С помощью этих шести команд DARPA надеется создать нейроинтерфейс, который вернет полноценное восприятие окружающего мира людям с нарушениями зрения и слуха.
Модем для мозга
Еще один проект, финансируемый DARPA, - модем для мозга, способный передавать данные со скоростью более одного гигабита в секунду. Технологию, которая позволит создать высокоскоростной широкополосный нейроинтерфейс, разрабатывает калифорнийский стартап Paradromics. В июле 2017 г. стало известно, что Paradromics получил от DARPA на реализацию этой концепции $65 млн.
Свое изобретение компания намерена использовать для восстановления речи у людей, страдающих от редких заболеваний, вроде астрофизика Стивена Хокинга. Но если испытания будут успешными, это устройство вызовет революцию также и в области протезирования. Так, камеры высокой четкости можно будет использовать для восстановления зрения. А прикосновения роботизированными пальцами-протезами можно будет чувствовать. "Когда вы можете подключить мозг к компьютеру, тогда вы можете подключить мозг и ко всему, что связано с компьютером", - пояснил генеральный директор Paradromics Мэтт Энгл сайту Seeker.
В этом направлении уже имеет достижения компания Blackrock Microsystems. Созданная ею технология Utah Array использует для повышения чувствительности протезов электроды, внедренные в мозг. Система позволила Натану Коупленду, у которого в результате автокатастрофы в 2004 г. был поврежден позвоночник и парализованы руки и ноги, "дать пять" президенту США Бараку Обаме в октябре 2016 г. И даже почувствовать руку президента. "Это невероятно, - сказал тогда Обама. - Натан двигает этой роборукой силой своего мозга". Однако если Utah Array использует десятки электродов, Paradromics хочет увеличить количество каналов связи с мозгом до нескольких сотен тысяч.
С этой целью компания разрабатывает Neural Input-Output Bus, или NIOB - по сути, мозговой модем. NIOB представляет собой расширяемую модульную конструкцию, причем каждый миллиметровый чип, вмонтированный в мозг, вмещает около 50 тыс. ультратонких микропроводов, каждый из которых соединяется с 3-5 отдельными нейронами мозга.
Микропровода способны уловить производимые нейронами электрические импульсы. NIOB сможет не только фиксировать на компьютере этот электрический трафик, но и управлять им, посылая обратно в мозг сигналы от чипов роботизированных протезов.
Чтобы модем функционировал качественно, микропровода необходимо внедрить в мозг на глубину в несколько миллиметров. Для этого потребуется серьезная и опасная операция. "Вам реально придется снять половину костей черепа и поместить устройство прямо на мозг", - признает Энгл.
В конечном итоге Paradromics планирует подключиться к речевому центру мозга и научиться читать мысли. Энгл надеется, что тогда можно будет понять, как устроено сознание.
Чипы для обмена мыслями
Основанный в марте 2017 г. Илоном Маском стартап Neuralink работает над созданием "нейронного кружева" - миниатюрных чипов размером несколько микрон, которые улучшат когнитивные способности человека. В ближайшие четыре года компания собирается выпустить чипы для пациентов, перенесших инсульт, а также для людей с онкологическими и врожденными заболеваниями. Устройства помогут восстановить память и двигательные функции, а со временем даже позволят обмениваться мыслями. Через 8-10 лет Neuralink планирует сделать "нейронное кружево" доступным устройством, которым смогут воспользоваться все люди без ограничений.
Маск занял в Neuralink пост главы компании, а также вошел в экспертную группу. Как рассказал сам предприниматель автору блога Wait But Why Тиму Урбану, чтобы сформировать команду, он лично встретился с 1000 специалистами из разных областей. В состав Neuralink по приглашению Маска вошел Пол Меролла - разработчик процессоров IBM и участник проекта SyNAPSE (этот проект был начат DARPA еще в 2008 г. и нацелен на создание нейроморфических технологий, процессоров и систем, имитирующих работу живого мозга). Также Маск привлек к работе Ванессу Толозу - специалистку по созданию микроустройств и одну из ведущих исследовательниц в области биоматериалов.
В команде есть эксперты, которые уже имеют опыт создания нейроинтерфейсов. Так, Диджей Сео, еще будучи студентом Калифорнийского университета в Беркли, разработал "нейронную пыль" - комплект крошечных ультразвуковых датчиков для записи мозговой активности. А ведущий исследователь из Бостонского университета Тим Гарднер разрабатывал мозговые импланты для вживления птицам.
Чтобы выполнить свою задачу, стартап должен решить две главные проблемы. Первая - это увеличение скорости передачи данных. Существующие нейроинтерфейсы работают слишком медленно, а недостаточное количество вживленных электродов не позволяет добиваться более высоких результатов. Настоящий прорыв возможен, только если нейроинтерфейс будет связан одновременно с миллионом нейронов мозга, отмечают в Neuralink. Это как раз то, над чем работают DARPA в рамках программы NESD и компания Paradromics.
Вторая проблема - вживление датчиков. Эксперты Neuralink считают, что нейроинтерфейс должен быть неинвазивным, т. е. не требующим никаких имплантаций и операций на мозге. Любые хирургические манипуляции в мозге обходятся дорого и проводятся не часто. Маск надеется, что удастся создать автоматизированную систему для вживления электродов, не более сложную, чем устройство для лазерной коррекции зрения.
В беседе с Урбаном глава Neuralink подчеркнул, что выбрал это направление биотехнологий, а не генетику, из-за нехватки времени. "Генетика работает слишком медленно. Чтобы человек стал взрослым, должно пройти 20 лет. У нас просто нет столько времени", - заявил Маск, считающий, что нужно спешить.
Писать музыку взглядом
Австрийские ученые из Грацкого университета разработали программу, позволяющую писать музыку с помощью силы мысли. Это изобретение должно порадовать музыкально одаренных людей с ограниченной подвижностью.
Уже довольно давно созданы нейроинтерфейсы, помогающие парализованным людям написать текстовое сообщение. Пользователь надевает устройство, снабженное электродами, которое измеряет мозговые волны. Буквы отображаются одна за другой на экране компьютера, и когда появляется подходящая буква, пользователь фокусирует свое внимание на ней. Электроды регистрируют активность мозга, и буква выбирается. Таким образом пользователи выбирают одну за другой буквы для формирования слов и предложений.
Как сообщает New Atlas, на том же принципе работает созданная командой во главе с Гернотом Мюллером-Путцем система Brain Composer. Только ее пользователи выбирают не буквы, а ноты, аккорды и паузы. Таким же способом можно определять длительность ноты и высоту регистра. Написанное произведение появляется в виде обозначений в отдельной программе для создания музыки. Готовое произведение можно воспроизвести.
Система была успешно опробована на 18 здоровых испытуемых, которые имели базовые музыкальные и композиционные знания. "После небольшой тренировки все они смогли начать сочинять мелодии, а затем проигрывать их", - говорит Мюллер-Путц. Далее ученые планируют проводить испытания на пациентах с параличом.
Все подуманное станет явным
Тем временем Facebook работает над созданием неинвазивного нейроинтерфейса, который позволит пользователям набирать текст без клавиатуры очень быстро, целыми словами, а не подбирая букву за буквой. В апреле 2017 г. о проекте рассказала глава Building-8 - исследовательского подразделения Facebook - Регина Дуган.
Работа над нейроинтерфейсом ведется с осени прошлого года. Facebook уже собрала команду из 60 человек, включая экспертов по машинному обучению и нейропротезированию. Компания сотрудничает в этом проекте с Калифорнийским университетом в Сан-Франциско, Калифорнийским университетом в Беркли, Университетом Вашингтона в Сент-Луисе и Университетом Джонса Хопкинса в Балтиморе. Дуган не раскрыла секретов технологии, но некоторыми подробностями все же поделилась.
"В течение следующих двух лет мы будем строить системы, которые демонстрируют способность печатать со скоростью 100 слов в минуту путем декодирования нейронной активности, связанной с речью. Подобно тому, как вы делаете много фотографий и решаете поделиться некоторыми из них, вы также генерируете много мыслей и решаете поделиться некоторыми из них в форме устных слов. Именно эти слова - те, которые вы уже решили отправить в речевой центр своего мозга, - мы стремимся превратить в текст", - объяснила руководительница Building-8. Она предположила, что такой нейроинтерфейс сможет стать речевым протезом для людей с нарушениями коммуникации, а также новым средством ввода в "дополненную реальность" в смартфонах.
В июне The Wall Street Journal разведал еще некоторые секреты. Колумнист WSJ Кристофер Мимс встретился с инженерами Building-8 и выяснил, что они планируют разработать нейроинтерфейс с помощью технологии оптического сканирования. "По сути, свет направляют в голову и непосредственно в мозг, а затем измеряют отраженный свет", - рассказал Мимс. 100 слов в минуту означает, что с такой частотой должно проводиться сканирование.
Инженеры Building-8 разрабатывают датчики для улавливания отраженных фотонов, но нужно еще научиться преобразовывать эти сигналы в слова. В Building 8 надеются, что смогут собрать достаточно данных о работе мозга, чтобы натренировать систему машинного обучения. И тогда алгоритм самостоятельно свяжет нервную активность с конкретными словами в конкретном языке.
Однако другие исследователи из области нейроинтерфейсов считают, что такой план будет трудно реализовать. "Я не говорю, что это невозможно, но я бы такой подход использовать не стал", - заявил в интервью Мимсу управляющий вице-президент компании NIRx Medical Technologies Ричард Барбор.
Вместо клавиатуры - напульсники
В том же направлении работает стартап CTRL-Labs. Но он, в отличие от Building-8, старается считывать слова не из мозга, а из нервов, идущих от мозга через позвоночный столб к пальцам.
Чтобы продемонстрировать достигнутые результаты, один из основателей стартапа Томас Рирдон надевает махровые напульсники с микрочипами и электродами и начинает набирать текст на клавиатуре. После нескольких строчек отодвигает ее и продолжает печатать на столе. Тем не менее буквы появляются на экране.
Напульсники улавливают сигналы, поступающие от мозга к кончикам пальцев, интерпретируют их и передают компьютеру в том же виде, в каком они поступают от клавиатуры. На самом деле пальцы могут вообще не шевелиться. Можно строчить на смартфоне со скоростью сотня знаков в минуту, держа руки в кармане. Коллега Рирдона достиг неплохих результатов в игре в Asteroids на iPhone, положив руку на стол и едва двигая пальцами.
Рирдон и его коллеги воспринимают сигналы, идущие к кончикам пальцев, как своего рода API (прикладной программный интерфейс) между мозгом и компьютерами. К следующему году они хотят уменьшить напульсники, чтобы они стали элегантными и больше походили на браслет от часов.
Как отмечает журнал Wired, эта система обладает огромным потенциалом в области VR - виртуальной реальности. Сейчас VR отпугивает многих необходимостью шокировать посторонних людей странными движениями и нажимать кнопки на невидимом контроллере. Другое дело, если можно будет взаимодействовать с цифровыми устройствами только силой мысли.
У Рирдона амбициозные планы: "Я бы хотел, чтобы наши изобретения через три-четыре года были на миллионах людей". Но набор эсэмэсок силой мысли - это только начало. Цель CTRL-Labs - открыть путь к будущему, в котором люди смогут силой мысли манипулировать окружающими предметами.
Протезы, управляемые нервами
Хью Герр, будучи инвалидом без ног, остро нуждался в подходящих для него протезах, но в конечном итоге, не найдя их, решил разработать самостоятельно. Кто бы мог подумать, что он изобретет самую продвинутую бионическую технологию.
Сейчас Герр является соучредителем Центра экстремальной бионики в Массачусетском технологическом институте (MIT). Эта уникальная научно-исследовательская лаборатория намерена вывести бионику на по-настоящему новый уровень.
С момента основания центра в 2014 г. его ключевой целью является развитие продвинутой бионики для решения проблем самого широкого спектра физических ограничений у людей. На днях Business Insider сообщил, что центр получил грант на сумму в $100 млн и занялся пятилетним проектом. Бионические технологии будут применены для лечения паралича, депрессии, эпилепсии, болезни Паркинсона, а также для восстановления функций у людей, перенесших ампутацию конечностей.
Хотя уже имеющиеся современные протезы способны быть действительно полезными и дают ампутантам возможность восстановить часть утраченных моторных функций, Герр и его коллеги уверены, что они могут улучшить эти устройства, объединив их с продвинутыми нейроимплантами. Польза от этого будет заключаться в том, что протезы смогут напрямую общаться с нервными окончаниями и мышцами. Это сделает управление протезами гораздо более простым и фактически превратит их в бионическое продолжение организма человека.
Команда из MIT считает, что нейроимпланты обладают потенциалом, далеко выходящим за пределы обычного протезирования. Например, их можно использовать в качестве альтернативного центра мозговых функций, чтобы лечить неврологические и психические заболевания.
Исследователи также видят большой потенциал в разработке цифровой нервной системы, которая сможет заменить биологическую и поможет в лечении паралича и болезни Паркинсона. Кроме того, ученые считают, что смогут разработать клетки и ткани, на базе которых можно будет выращивать органы для восстановления или замены пораженных болезнью, поврежденных или утраченных органов человеческого тела. Если сотрудники центра смогут довести свои технологии до массового использования, то мечта Герра о мире, в котором инвалидности не будет существовать в принципе, может стать реальностью.
Бионические заменители глаз
В Стэнфордском университете уже разработали бионические "протезы для глаз". Команда исследователей сообщила о прогрессе в создании устройства, способного помочь людям с прогрессирующими заболеваниями сетчатки, в особенности пигментным ретинитом и макулодистрофией.
По данным Национального института здравоохранения США, пигментный ретинит является самой распространенной причиной наследственной слепоты. Обычно он начинается в детстве с потери ночного зрения, а затем постепенно отнимает у больного возможность читать, водить машину и различать лица. Макулодистрофия более свойственна пожилым людям после 60 лет. Она разрушает светочувствительные фоторецепторы в центре сетчатки и также приводит к слепоте.
Однако, разрушая колбочки и палочки, эти заболевания оставляют нетронутыми некоторые биполярные и ганглиозные клетки, через которые проходит сигнал к нервам и дальше в мозг. Это значит, что нейроны в сетчатке больных можно стимулировать искусственно, с помощью микроэлектродов, полностью обходя поврежденные клетки.
Зрительный протез Prima, который разрабатывает профессор Дэниел Паланкер, является самым сложным из его многочисленных проектов, поскольку требует сочетания разнообразных навыков - оптики, электроники, нейробиологии и офтальмологии. Устройство состоит из крошечной видеокамеры, установленной на очках дополненной реальности и подключенной вместе с ними к видеопроцессору размером с мобильный телефон. Оно не требует имплантации громоздкой электроники, антенн или кабелей. Вместо них есть массив светодиодов диаметром около 1 мм, состоящий из сотен пикселей, которые работают подобно солнечным панелям на крыше дома. Врачи могут выстилать ими, словно черепицей, сетчатку, заменяя поврежденные колбочки и палочки.
Когда камера Prima захватывает изображение, скажем, цветка, видеопроцессор передает его на микродисплей, установленный внутри очков. Далее изображение с микродисплея передается в глаз импульсами инфракрасного света. Имплантированные светодиоды ловят этот сигнал и превращают в импульсы электрического тока, который стимулирует биполярные клетки. От них сигнал передается в ганглиозные клетки и в мозг, который воспринимает его как световые пятна, формирующие изображение цветка.
Клинические испытания устройства начнутся в конце 2017 г. Ученые надеются, что с помощью этого изобретения пациенты смогут различить текст, написанный крупным шрифтом, или лицо новорожденной внучки.
Нужно ли бояться нейротехники
Нейроинтерфейсы и усовершенствованные системы нейровизуализации уже позволяют ученым расшифровывать сигналы нервной системы и даже управлять ими. Хотя подобные разработки имеют огромное значение для науки, они вызывают этические, юридические и социальные вопросы. Об этом рассуждает в своей колонке в Scientific American эксперт по биоэтике Марчелло Йенка.
Он видит опасность в том, что многие нейротехнологии стали переходить из медицинской сферы в коммерческую. В некоторых случаях нейровизуализацию применяют даже в суде. Так, в 2008 г. жительницу Индии приговорили к пожизненному заключению на основании того, что сканирование ее мозга указало на "эмпирическое знание" об убийстве. Анализ активности мозга в будущем может стать аналогом детектора лжи.
Йенка признает, что технологии "взлома мозга" можно воспринимать как часть нового цифрового мира, в котором наше личное пространство постепенно сужается. Однако ментальная приватность всегда была незыблемым правом человека. Новые технологии могут привести к переосмыслению базовых прав человека и даже появлению отдельных прав в области неврологии. О понятии когнитивной свободы уже говорят юристы. Люди должны обладать правом на ментальную приватность, которое защитит человека от вторжения третьей стороны в мыслительные процессы и от несанкционированного сбора данных. Утечки данных на нейронном уровне принесут намного больше проблем, чем взлом компьютерной базы данных, считает Йенка.
Раскритиковал проект "нейронного кружева" Илона Маска и аналогичные разработки юрист Кембриджского университета Кристофер Маркоу. Он опасается, что нейроинтерфейсы сделают мозг человека объектом вожделения правительственных агентств, рекламодателей, страховых и маркетинговых компаний. Они будут следить за гражданами, контролировать их и управлять их желаниями, а возможно, даже введут обязательную чипизацию населения.
На другую сторону проблемы обращает внимание в своей колонке в журнале Wired футуролог Золтан Иштван. Его главная мысль: "Нейронное кружево - основа экономики будущего". Он уверен, что люди должны усовершенствовать свои организмы с помощью нейроинтерфейсов, экзоскелетов и бионических органов, чтобы на равных конкурировать с искусственным интеллектом (ИИ). Ключевую роль в этом сыграет "нейронное кружево": оно позволит людям подключаться к облачным хранилищам и ИИ с помощью силы мысли. Кстати, Илон Маск начал проект Neuralink именно из опасений, что без нейроинтерфейсов человек будет уязвим перед ИИ и проиграет ему в конкурентной борьбе.
"Если человечество не разработает нейроимпланты и нейрогарнитуры, то сотни миллионов рабочих мест перейдут к роботам", - предрекает футуролог. Он добавляет, что людям будущего понадобятся также усовершенствованные конечности, бионические органы и экзоскелеты, которые помогут выйти на один уровень с роботами по силе и выносливости. Девизом будущего мира Иштван видит формулу: "Если не можешь одолеть машину, стань ею".
Впрочем, тут футуролог может и ошибаться. Люди будут роботизировать свое тело и соединять мозги с компьютером для конкуренции не только и не столько с роботами и ИИ, сколько друг с другом.
Биоэлектроды для общения с нейронами
Новые перспективы в развитии нейротехники открывает изобретение ученых из Хьюстонского университета и Университета штата Пенсильвания. Они сообщили о новой технологии производства биосовместимых устройств.
"Годами ученые пытались взаимодействовать с нервной системой, чтобы как можно раньше диагностировать болезнь Паркинсона, эпилепсию, множественный склероз, опухоль мозга и другие расстройства, - говорит профессор биомедицинской инженерии Хьюстонского университета Мохаммед Реза Абидиан. - В своей лаборатории мы создали микро- и наноустройства, способные общаться с нейронами".
Основное требование к нейронным устройствам - наличие электродов высокой плотности, биологически совместимых с нейронными тканями, при этом способных эффективно преобразовывать нейросигналы в электрические и продолжать работать длительное время. Однако нынешние технологии до сих пор используют металлические материалы, которые хоть и обладают высокой проводимостью, но плохо совместимы с нейронными тканями. Кроме того, при уменьшении их размера страдает производительность.
Абидиан и его коллеги считают более подходящими проводящие полимеры, поскольку они благодаря своим механическим свойствам лучше имитируют биологические ткани, а их электронная и ионная проводимость позволяет эффективно преобразовывать нейросигнал. Ученые использовали электроструйный метод и гальванизацию для создания проводящих полимерных микроуглублений на поверхности биоэлектроники. Благодаря новому методу производства можно точно контролировать поверхностную морфологию проводящих полимерных микроуглублений, менять их размер, толщину и шероховатость, которые влияют на электрические свойства полимера. Это позволяет значительно увеличить производительность биоэлектродов.
