Модем під черепом. Коли хакери почнуть ламати мізки
Суперздатності для військових
Агентство передових оборонних дослідницьких проектів (DARPA) Міноборони США вже четвертий рік працює над програмою RAM - "Відновлення активної пам'яті". З 2000 р. більш ніж 270 тис. американських військових довелося боротися з наслідками травм головного мозку, і в DARPA вирішили допомогти поверненню спогадів.
Як розповів керівник біотехнологічного підрозділу DARPA Джастін Санчез, в рамках RAM розробляються імпланти в мозок для відновлення пам'яті у пацієнтів з травмами мозку. Дослідники змогли виявити сигнали мозку, які вказують, наскільки добре збережеться те чи інше спогад. При спрямованої електростимуляції цими процесами можна управляти. DARPA хоче використати цю технологію для допомоги не тільки військовим, але і мільйонам інших американських пацієнтів, які страждають втратою пам'яті в результаті черепно-мозкової травми.
З початку минулого року DARPA працює над програмою NESD - "Дизайн нейроинженерных систем". Це частина проекту з дослідження мозку з використанням передових інноваційних нейротехнологій (BRAIN), який був запущений президентом Бараком Обамою у 2013 р. з метою боротьби з порушеннями і захворюваннями мозку.
В рамках NESD агентство має намір створити імплантується нейроинтерфейс, який дозволить людині безпосередньо підключатися до комп'ютерів. Це пристрій, що перетворює електрохімічні сигнали нейронів в цифрові сигнали і навпаки, повинно допомогти людям (але в першу чергу, звичайно, американським військовим) повернути зір і слух, навчитися контролювати протези, управляти різними пристроями віддалено і взагалі знайти суперздатності.
"Сьогодні більшість інтерфейсів мозок-комп'ютер нагадують систему з двох суперкомп'ютерів, які намагаються спілкуватися один з одним за допомогою старого модему, - пояснив керівник NESD Філіп Альвельда. - Уявіть, які можливості відкриються перед нами, якщо ми зможемо налагодити високошвидкісний канал зв'язку між мозком і сучасним електронним пристроєм".
Проблема існуючих нейроинтерфейсов не тільки в дуже низькій швидкості, але ще і в тому, що вони здатні сприймати лише сумарні сигнали від невеликого числа (кілька десятків) досить великих груп нейронів (від 100 до 1000). DARPA хоче вловлювати індивідуальні сигнали від мільйонів нейронів. При цьому агентство сподівається створити такий пристрій, яке розміром не більші звичайної батарейки.
"Створення інтерфейсу, здатного працювати одночасно з більш ніж мільйоном нейронів, дозволить налагодити інтенсивну двосторонню комунікацію з мозком. Це допоможе нам краще зрозуміти біологічну суть мозку і його функціонал, закладе широку основу для нових неврологічних терапій", - обіцяє Альвельда. У той же час він визнає: "Навіть мільйон нейронів являють собою лише незначну частку від 86 мільярдів нейронів у людському мозку. Його глибші труднощі залишаться загадкою протягом деякого часу".
Для здійснення своїх планів DARPA привернуло цілий ряд експертів у сфері нейронауки, синтетичної біології, фотоніки, розробників нейроинтерфейсов і медичних приладів. А в серпні 2017 р. стало відомо, що DARPA уклало контракти на фундаментальні розробки в рамках NESD з п'ятьма дослідницькими групами і однією компанією.
Чотирьом з шести робочих груп агентство доручив працювати над візуальними системами. Дві інші команди займуться проектами в галузі слуху і мови. З допомогою цих шести команд DARPA сподівається створити нейроинтерфейс, який поверне повноцінне сприйняття навколишнього світу людям з вадами зору та слуху.
Модем для мозку
Ще один проект, фінансований DARPA, - модем для мозку, здатний передавати дані зі швидкістю більше одного гігабіта в секунду. Технологію, яка дозволить створити високошвидкісний широкосмуговий нейроинтерфейс, розробляє каліфорнійський стартап Paradromics. У липні 2017 р. стало відомо, що Paradromics отримав від DARPA на реалізацію цієї концепції $65 млн.
Свій винахід компанія має намір використовувати для відновлення мови у людей, які страждають від рідкісних захворювань, начебто астрофізика Стівена Хокінга. Але якщо випробування будуть успішними, це пристрій викличе революцію також і в області протезування. Так, камери високої чіткості можна буде використовувати для відновлення зору. А дотики роботизованими пальцями-протезами можна буде відчувати. "Коли ви можете підключити мозок до комп'ютера, тоді ви можете підключити мозок і до всього, що пов'язано з комп'ютером", - пояснив генеральний директор Paradromics Метт Енгл сайту Seeker.
В цьому напрямку вже має досягнення компанія Blackrock Microsystems. Створена нею технологія Utah Array використовує для підвищення чутливості протезів електроди, вбудовані в мозок. Система дозволила Натану Коупленду, у якого в результаті автокатастрофи в 2004 р. був пошкоджений хребет і паралізовані руки і ноги, "дати п'ять" президентові США Бараку Обамі у жовтні 2016 р. І навіть відчути руку президента. "Це неймовірно, - сказав Обама. - Натан рухає цієї роборукой силою свого мозку". Однак якщо Utah Array використовує десятки електродів, Paradromics хоче збільшити кількість каналів зв'язку з мозком до декількох сотень тисяч.
З цією метою компанія розробляє Neural Input-Output Bus, або NIOB - по суті, мозковий модем. NIOB являє собою розширювану модульну конструкцію, причому кожен міліметровий чіп, вмонтований в мозок, вміщує близько 50 тис. ультратонких мікродротів, кожен з яких з'єднується з 3-5 окремими нейронами мозку.
Микропровода здатні вловити вироблені нейронами електричні імпульси. NIOB зможе не тільки фіксувати на комп'ютері цей електричний трафік, але і керувати ним, посилаючи назад в мозок сигнали від чіпів роботизованих протезів.
Щоб модем функціонував якісно, микропровода необхідно впровадити в мозок на глибину в кілька міліметрів. Для цього потрібна серйозна і небезпечна операція. "Вам реально доведеться зняти половину кісток черепа і помістити пристрій прямо на мозок", - визнає Енгл.
В кінцевому підсумку Paradromics планує підключитися до мовного центру мозку і навчитися читати думки. Енгл сподівається, що тоді можна буде зрозуміти, як влаштована свідомість.
Чіпи для обміну думками
Заснований у березні 2017 р. Илоном Маском стартап Neuralink працює над створенням "нейронного мережива" - мініатюрних чіпів розміром кілька мікрон, які поліпшать когнітивні здібності людини. У найближчі чотири роки компанія збирається випустити чіпи для пацієнтів, які перенесли інсульт, а також для людей з онкологічними та вродженими захворюваннями. Пристрої допоможуть відновити пам'ять і рухові функції, а з часом навіть дозволять обмінюватися думками. Через 8-10 років Neuralink планує зробити "нейронний мереживо" доступним пристроєм, яким зможуть скористатися всі люди без обмежень.
Маск зайняв в Neuralink пост глави компанії, а також увійшов в експертну групу. Як розповів сам підприємець автору блогу Wait But Why Тіму Урбану, щоб сформувати команду, він особисто зустрівся з 1000 фахівцями з різних областей. До складу Neuralink на запрошення Маска увійшов Пол Меролла - розробник процесорів IBM і учасник проекту SyNAPSE (цей проект був початий DARPA ще в 2008 р. і націлений на створення нейроморфических технологій, процесорів і систем, що імітують роботу живого мозку). Також Маск залучив до роботи Ванессу Толозу - спеціалістку по створенню мікропристроїв і одну з провідних дослідників в області біоматеріалів.
В команді є експерти, які вже мають досвід створення нейроинтерфейсов. Так, Діджей Сео, ще будучи студентом Каліфорнійського університету в Берклі, розробив "нейронну пил" - комплект крихітних ультразвукових датчиків для запису мозкової активності. А провідний дослідник з Бостонського університету Тім Гарднер розробляв мозкові імпланти для імплантації птахам.
Щоб виконати своє завдання, стартап повинен вирішити дві головні проблеми. Перша - це збільшення швидкості передачі даних. Існуючі нейроинтерфейсы працюють занадто повільно, а недостатня кількість імплантованих електродів не дозволяє домагатися більш високих результатів. Справжній прорив можливий, тільки якщо нейроинтерфейс буде пов'язаний одночасно з мільйоном нейронів мозку, відзначають в Neuralink. Це як раз те, над чим працюють DARPA в рамках програми NESD і компанія Paradromics.
Друга проблема - імплантація датчиків. Експерти Neuralink вважають, що нейроинтерфейс повинен бути неінвазивним, тобто не вимагає ніяких імплантацій і операцій на мозку. Будь-які хірургічні маніпуляції в мозку обходяться дорого і проводяться не часто. Маск сподівається, що вдасться створити автоматизовану систему для вживлення електродів, не більш складну, ніж пристрій для лазерної корекції зору.
У бесіді з Урбаном глава Neuralink підкреслив, що обрав цей напрям біотехнологій, а не генетику, з-за браку часу. "Генетика працює занадто повільно. Щоб чоловік став дорослим, має пройти 20 років. У нас просто немає стільки часу", - заявив Маск, який вважає, що потрібно поспішати.
Писати музику поглядом
Австрійські вчені з Грацкого університету розробили програму, що дозволяє писати музику за допомогою сили думки. Це винахід має порадувати музично обдарованих людей з обмеженою рухливістю.
Вже досить давно створені нейроинтерфейсы, допомагають паралізованим людям написати текстове повідомлення. Користувач надягає пристрій, забезпечене електродами, яке вимірює мозкові хвилі. Букви відображаються одна за одною на екрані комп'ютера, і коли з'являється відповідна літера, користувач фокусує свою увагу на ній. Електроди реєструють активність мозку, і буква вибирається. Таким чином, користувачі вибирають одну за іншої літери для формування слів і пропозицій.
Як повідомляє New Atlas, на тому ж принципі працює створена командою на чолі з Гернотом Мюллером-Путцем система Brain Composer. Тільки її користувачі вибирають не букви, а ноти, акорди і паузи. Таким же способом можна визначати тривалість ноти та висоту регістра. Написане твір з'являється у вигляді позначень в окремій програмі для створення музики. Готове твір можна відтворити.
Система була успішно випробувана на 18 здорових добровольців, які мали базові музичні та композиційні знання. "Після невеликого тренування всі вони змогли почати складати мелодії, а потім програвати їх", - каже Мюллер-Путц. Далі вчені планують проводити випробування на пацієнтах з паралічем.
Все подумане стане явним
Тим часом Facebook працює над створенням неінвазивного нейроинтерфейса, який дозволить користувачам набирати текст без клавіатури дуже швидко, цілими словами, а не підбираючи літеру за літерою. У квітні 2017 р. про проект розповіла голова Building-8 - дослідного підрозділу Facebook - Регіна Дуган.
Робота над нейроинтерфейсом ведеться з осені минулого року. Facebook вже зібрала команду з 60 осіб, включаючи експертів з машинного навчання та нейропротезированию. Компанія співпрацює в цьому проекті з Каліфорнійським університетом у Сан-Франциско, Каліфорнійським університетом у Берклі, Університетом Вашингтона в Сент-Луїсі та Університет Джонса Хопкінса в Балтіморі. Дуган не розкрила секретів технології, але деякими подробицями все ж поділилася.
"Протягом наступних двох років ми будемо будувати системи, які демонструють здатність друкувати зі швидкістю 100 слів на хвилину шляхом декодування нейронної активності, пов'язаної з промовою. Подібно до того, як ви робите багато фотографій і вирішуєте поділитися деякими з них, ви генеруєте багато думок і вирішуєте поділитися деякими з них у формі усних слів. Саме ці слова - ті, які ви вже вирішили відправити в мовний центр свого мозку, - ми прагнемо перетворити в текст", - пояснила керівниця Building-8. Вона припустила, що такий нейроинтерфейс зможе стати мовним протезом для людей з порушеннями комунікації, а також новим засобом введення в "доповнену реальність" в смартфонах.
У червні The Wall Street Journal розвідав ще деякі секрети. Колумніст WSJ Крістофер Мимс зустрівся з інженерами Building-8 і з'ясував, що вони планують розробити нейроинтерфейс за допомогою технології оптичного сканування. "По суті, світло направляють в голову і безпосередньо в мозок, а потім вимірюють відбите світло", - розповів Мимс. 100 слів на хвилину означає, що з такою частотою повинно проводитися сканування.
Інженери Building-8 розробляють датчики для уловлювання відбитих фотонів, але потрібно ще навчитися перетворювати ці сигнали в слова. У Building 8 сподіваються, що зможуть зібрати достатньо даних про роботу мозку, щоб натренувати систему машинного навчання. І тоді алгоритм самостійно зв'яже нервову активність з конкретними словами в конкретній мові.
Однак інші дослідники з області нейроинтерфейсов вважають, що такий план буде важко реалізувати. "Я не кажу, що це неможливо, але я б такий підхід використовувати не став", - заявив в інтерв'ю Мимсу керуючий віце-президент компанії NIRx Medical Technologies Річард Барбор.
Замість клавіатури - напульсники
У тому ж напрямку працює стартап CTRL-Labs. Але він, на відміну від Building-8, намагається зчитувати слова не з мозку, а з нервів, що йдуть від мозку через хребетний стовп до пальців.
Щоб продемонструвати досягнуті результати, один із засновників стартапу Томас Рирдон одягає махрові напульсники з мікрочіпами і електродами і починає набирати текст на клавіатурі. Після декількох рядків відсуває її і продовжує друкувати на столі. Тим не менш літери з'являються на екрані.
Напульсники вловлюють сигнали, що надходять від мозку до кінчиків пальців, інтерпретують їх і передають комп'ютера в тому ж вигляді, в якому вони поступають від клавіатури. Насправді пальці можуть взагалі не ворушитися. Можна строчити на смартфоні зі швидкістю сотня знаків в хвилину, тримаючи руки в кишені. Колега Рирдона досяг непоганих результатів у грі в Asteroids на iPhone, поклавши руку на стіл і ледве рухаючи пальцями.
Рирдон і його колеги сприймають сигнали, що йдуть до кінчиків пальців, як свого роду API (прикладний програмний інтерфейс) між мозком і комп'ютерами. До наступного року вони хочуть зменшити напульсники, щоб вони стали елегантними і більше були схожі на браслет від годинника.
Як зазначає журнал Wired, ця система володіє величезним потенціалом в області VR - віртуальної реальності. Зараз VR відлякує багатьох необхідністю шокувати сторонніх людей дивними рухами і натискати кнопки на невидимому контролері. Інша справа, якщо можна буде взаємодіяти з цифровими пристроями лише силою думки.
У Рирдона амбітні плани: "Я б хотів, щоб наші винаходи через три-чотири роки були на мільйони людей". Але набір есемесок силою думки - це тільки початок. Мета CTRL-Labs - відкрити шлях до майбутнього, в якому люди зможуть силою думки маніпулювати оточуючими предметами.
Протези, керовані нервами
Х'ю Герр, будучи інвалідом без ніг, гостро потребував підходящих для нього протезах, але в кінцевому підсумку, не знайшовши їх, вирішив розробити самостійно. Хто б міг подумати, що він винайде саму просунуту бионическую технологію.
Зараз Гер є співзасновником Центру екстремальної біоніки в Массачусетському технологічному інституті (MIT). Ця унікальна науково-дослідна лабораторія має намір вивести бионику на по-справжньому новий рівень.
З моменту заснування центру в 2014 р. його ключовою метою є розвиток просунутої біоніки для вирішення проблем самого широкого спектру фізичних обмежень у людей. Днями Business Insider повідомив, що центр отримав грант на суму в $100 млн і зайнявся п'ятирічним проектом. Біонічні технології будуть застосовані для лікування паралічу, депресії, епілепсії, хвороби Паркінсона, а також для відновлення функцій у людей, що перенесли ампутацію кінцівок.
Хоча вже наявні сучасні протези здатні бути дійсно корисними і дають ампутантам можливість відновити частину втрачених моторних функцій, Герр і його колеги впевнені, що вони можуть поліпшити ці пристрої, об'єднавши їх з просунутими нейроимплантами. Користь від цього буде полягати в тому, що протези зможуть безпосередньо спілкуватися з нервовими закінченнями і м'язами. Це зробить управління протезами набагато більш простим і фактично перетворить їх в бионическое продовження організму людини.
Команда MIT вважає, що нейроимпланты володіють потенціалом, далеко виходять за межі звичайного протезування. Наприклад, їх можна використовувати в якості альтернативного центру мозкових функцій, щоб лікувати неврологічні і психічні захворювання.
Дослідники також бачать великий потенціал в розробці цифрової нервової системи, яка зможе замінити біологічну і допоможе в лікуванні паралічу і хвороби Паркінсона. Крім того, вчені вважають, що зможуть розробити клітини і тканини, на базі яких можна буде вирощувати органи для відновлення або заміни уражених хворобою, пошкоджених або втрачених органів людського тіла. Якщо співробітники центру зможуть довести свої технології до масового використання, то мрія Герра про світ, в якому інвалідності не буде існувати в принципі, може стати реальністю.
Біонічні замінники очей
В Стенфордському університеті вже розробили біонічні "протези для очей". Команда дослідників повідомила про прогрес у створенні пристрою, здатного допомогти людям з прогресуючими захворюваннями сітківки, особливо пігментним ретинітом і макулодистрофією.
За даними Національного інституту охорони здоров'я США, пігментний ретиніт є найпоширенішою причиною спадкової сліпоти. Зазвичай він починається в дитинстві з втрати нічного зору, а потім поступово забирає у хворого можливість читати, водити машину і розрізняти особи. Макулодистрофія більш властива літнім людям після 60 років. Вона руйнує світлочутливі фоторецептори в центрі сітківки і також призводить до сліпоти.
Однак, руйнуючи колбочки і палички, ці захворювання залишають недоторканими деякі біполярні та гангліозні клітини, через які проходить сигнал до нервів і далі в мозок. Це означає, що нейрони в сітківці хворих можна стимулювати штучно, з допомогою микроэлектродов, повністю обходячи ушкоджені клітини.
Зоровий протез Prima, який розробляє професор Деніел Паланкер, є найскладнішим з його численних проектів, оскільки вимагає поєднання різноманітних навичок - оптики, електроніки, неврології та офтальмології. Пристрій складається з маленької відеокамери, встановленої на окуляри доповненої реальності і підключеної разом з ними до відеопроцесору розміром з мобільний телефон. Воно не вимагає імплантації громіздкою електроніки, антен або кабелів. Замість них є масив світлодіодів діаметром близько 1 мм, що складається з сотень пікселів, які працюють подібно сонячним панелям на даху будинку. Лікарі можуть вистилати ними, немов черепицею, сітківку, замінюючи пошкоджені колбочки і палички.
Коли камера Prima захоплює зображення, скажімо, квітки, відеопроцесор передає його на микродисплей, встановлений усередині очок. Далі зображення з микродисплея передається в око імпульсами інфрачервоного світла. Імплантовані світлодіоди ловлять цей сигнал і перетворюють в імпульси електричного струму, що стимулює біполярні клітини. Від них сигнал передається в гангліозних клітини і в мозок, який сприймає його як світлові плями, які формують зображення квітки.
Клінічні випробування пристрою почнуться в кінці 2017 р. Вчені сподіваються, що за допомогою цього винаходу пацієнти зможуть розрізнити текст, написаний великим шрифтом, або особа новонародженої внучки.
Чи потрібно боятися нейротехники
Нейроинтерфейсы і вдосконалені системи нейровізуалізації вже дозволяють вченим розшифровувати сигнали нервової системи і навіть керувати ними. Хоча подібні розробки мають величезне значення для науки, вони викликають етичні, юридичні та соціальні питання. Про це розмірковує у своїй колонці в Scientific American експерт з біоетики Марчелло Йенка.
Він бачить небезпеку в тому, що багато нейротехнологии стали переходити з медичної сфери в комерційну. У деяких випадках нейровизуализацию застосовують навіть у суді. Так, у 2008 р. мешканку Індії засудили до довічного ув'язнення на підставі того, що сканування її мозку вказало на "емпіричне знання" про вбивство. Аналіз активності мозку в майбутньому може стати аналогом детектора брехні.
Йенка визнає, що технології "злому мозку" можна сприймати як частина нового цифрового світу, в якому наш особистий простір поступово звужується. Однак ментальна приватність завжди була непорушним правом людини. Нові технології можуть привести до переосмислення базових прав людини і навіть появи окремих прав у галузі неврології. Про поняття когнітивної свободи вже кажуть юристи. Люди повинні мати право на ментальну приватність, яке захистить людину від вторгнення третьої сторони в розумові процеси та від несанкціонованого збору даних. Витоку даних на нейронному рівні принесуть набагато більше проблем, ніж злом комп'ютерної бази даних, вважає Йенка.
Розкритикував проект "нейронного мережива" Ілона Маска та аналогічні розробки юрист Кембриджського університету Крістофер Маркоу. Він побоюється, що нейроинтерфейсы зроблять мозок людини об'єктом жадання урядових агентств, рекламодавців, страхових і маркетингових компаній. Вони будуть стежити за громадянами, контролювати їх та керувати їх бажаннями, а можливо, навіть введуть обов'язкову чіпізацію населення.
На іншу сторону проблеми звертає увагу у своїй колонці в журналі Wired футуролог Золтан Іштван. Його головна думка: "Нейронний мереживо - основа економіки майбутнього". Він упевнений, що люди повинні вдосконалити свої організми за допомогою нейроинтерфейсов, екзоскелетів і біонічних органів, щоб на рівних конкурувати з штучним інтелектом (ШІ). Ключову роль в цьому зіграє "нейронний мереживо": воно дозволить людям підключатися до хмарних сховищ та їв з допомогою сили думки. До речі, Ілон Маск розпочав проект Neuralink саме з побоювань, що без нейроинтерфейсов людина буде вразливий перед ІІ і програє йому в конкурентній боротьбі.
"Якщо людство не розробить нейроимпланты і нейрогарнитуры, то сотні мільйонів робочих місць перейдуть до роботам", - пророкує футуролог. Він додає, що людям майбутнього знадобляться також вдосконалені кінцівки, біонічні органи і екзоскелети, які допоможуть вийти на один рівень з роботами по силі і витривалості. Девізом майбутнього світу Іштван бачить формулу: "Якщо не можеш здолати машину, стань нею".
Втім, тут футуролог може і помилятися. Люди будуть роботизувати своє тіло і з'єднувати мізки з комп'ютером для конкуренції не тільки і не стільки з роботами і ШІ, скільки один з одним.
Биоэлектроды для спілкування з нейронами
Нові перспективи у розвитку нейротехники відкриває винахід учених з Х'юстонського університету і Університету штату Пенсільванія. Вони повідомили про нову технологію виробництва біосумісних пристроїв.
"Роками вчені намагалися взаємодіяти з нервовою системою, щоб якомога раніше діагностувати хворобу Паркінсона, епілепсію, множинний склероз, пухлина мозку та інші розлади, - говорить професор біомедичної інженерії Х'юстонського університету Мохаммед Реза Абидиан. - У своїй лабораторії ми створили мікро - і нанопристрою, здатні спілкуватися з нейронами".
Основна вимога до нейронних пристроїв - наявність електродів високої щільності, біологічно сумісних з нейронними тканинами, при цьому здатних ефективно перетворювати нейросигналы в електричні і продовжувати працювати тривалий час. Однак нинішні технології досі використовують металеві матеріали, які хоч і володіють високою провідністю, але погано сумісні з нейронними тканинами. Крім того, при зменшенні їх розміру страждає продуктивність.
Абидиан і його колеги вважають більш придатними провідні полімери, оскільки вони завдяки своїм механічним властивостям краще імітують біологічні тканини, а їх електронна та іонна провідність дозволяє ефективно перетворювати нейросигнал. Вчені використовували электроструйный метод і гальванізацію для створення провідних полімерних микроуглублений на поверхні біоелектроніки. Завдяки новому методу виробництва можна точно контролювати поверхневу морфологію проводять полімерних микроуглублений, змінювати їх розмір, товщину і шорсткість, які впливають на електричні властивості полімеру. Це дозволяє значно збільшити продуктивність биоэлектродов.
