Ученый рассказал Metro, как "мысленная связь" человека и компьютера улучшит жизнь

На выходных в Петербурге пройдёт научный фестиваль Science Fest, на котором учёные поделятся своими знаниями в виде лекций со всеми желающими.

Александр Храмов, руководитель Лаборатории нейронауки и когнитивных технологий Университета Иннополис, расскажет о том, как «мысленная связь» человека и компьютера улучшит нашу жизнь.

Вы разрабатываете интерфейсы мозг-компьютер. И сразу возникают картинки из научной фантастики с чтением мыслей...
К сожалению, до чтения мыслей нейрофизиологам и инженерам ещё так далеко, что даже непонятно – сколько. Однако задача создания интерфейсов мозг-компьютер понемногу решается. Они, в отличие от традиционных устройств управления и взаимодействия с вычислительными системами – клавиатуры, мыши, джойстика, сенсорных экранов, – регистрируют ту или иную активность в различных областях головного мозга и переводят эти сигналы в команды управления внешним цифровым устройством.

В реальной жизни как это может нам помочь?
Области применения можно условно разделить на несколько групп. Первая – это наука, то есть исследование мозга, его функций и возможностей. Вторая область применения – медицина, то есть диагностика, лечение и реабилитация. Третья – это управление «силой мысли» всем на свете – экскаватором на Земле, исследовательским роботом на Луне, экзоскелетом для увеличения возможностей здорового, коляской для инвалида, автомобилем, помощь частично или полностью парализованным во взаимодействии с внешними устройствами. Четвёртая группа – неочевидная область: тонкое взаимодействие мозга и внешних устройств, в том числе с обратной связью. Сюда относятся тренировка устойчивости человека к стрессу, улучшение владения своим психофизиологическим состоянием, разработка возможности оценивать и передавать эмоции.

Как на практике это работает?
Активность мозга может проявляться несколькими способами. Мозг обрабатывает входящие сенсорные стимулы, принимаемые через периферические нервы, и подаёт импульсы на исполнительные механизмы – например, мышцы и железы. Кроме того, он отвечает за более высокие способности: мышление, обучение, обработку зрительной информации, речь, память, эмоции и так далее. Все эти действия мозга отражаются в регистрируемой активности головного мозга. Например, движение конечностью отражается вполне определённым образом на электроэнцефалограмме человека. Аналогичная ситуация происходит при воображаемом движении, что можно использовать, воображая несколько разных движений для формирования до четырёх-шести команд для интерфейса. При этом может производиться сложная обработка – и программа будет обучаться, адаптируясь как к задаче, так и к конкретному человеку.

Теория от практики: далеки ли они друг от друга сегодня?
Продвижение в области создания нейроинтерфейсов зависит от понимания того, как работает наш мозг, как его работа отражаются в том, что мы можем наблюдать. В современных интерфейсах регистрируют макроактивность головного мозга в виде сигналов ЭЭГ, магнитоэнцефалограмм (МЭГ), ближней инфракрасной спектроскопии (NIRS, от англ. Near Infrared Spectroscopy). Специалисты в области нейронауки вводят классификацию нейроинтерфейсов — активные, реактивные и пассивные. Активный интерфейс использует изменения активности мозга, которая непосредственно и сознательно управляется человеком, реактивный интерфейс для формирования управляющих команд изучает ответ мозга на внешний сигнал (свет, звук и т. д.), пассивный — анализирует текущую активность головного мозга, которая возникает сама по себе. Пример активного интерфейса — для формирования управляющих команд используется воображение различных типов движений (например, воображаемое движение правой рукой и правой ногой). Пример реактивного интерфейса — экранная клавиатура с мигающими по очереди символами — мозг откликается, когда мигает тот символ, который задумал человек. Пассивные интерфейсы могут быть полезны для создания систем мониторинга, которые следят за эмоциональным состоянием, обнаруживают снижение концентрации внимания или потерю контроля над системой. Активные и реактивные интерфейсы в первую очередь представляют интерес в работе с людьми с ограниченными возможностями с полностью или частично закрытым сознанием из-за низкой скорости передачи информации. Пассивные, оценивающие состояние человека, могут найти применение в индустрии развлечений, компьютерных игр, нейромаркетинга, а также мониторинга тех или иных эмоциональных и функциональных состояний оператора в человеко-машинных системах с биологической обратной связью.

Здравоохранение – всё-таки основное применение таких технологий в ближайшей перспективе?
Да. Большинство приложений интерфейсов направлено на использование людьми с тяжёлыми двигательными нарушениями, чтобы улучшить их качество жизни. Этих пациентов можно условно разделить на три группы. Первая группа – пациенты, которые потеряли весь моторный контроль из-за последней стадии бокового амиотрофического склероза или тяжёлой формы церебрального паралича. Вторая группа – с остаточной контролируемой двигательной активностью, например, движение или мигание глаз, подёргивание губами. Третья – с сохранившимся нервно-мышечным контролем, в частности, с нарушениями речи, парезами.  

Что могут дать ваши разработки пациентам?  
Для первой и второй групп применение интерфейсов мозг-компьютер в основном нужно для коммуникации. Для третьей представляет интерес не передача информации, а нейрореабилитация – восстановление утраченных моторных или когнитивных функций у постинсультных пациентов и пациентов с повреждениями спинного мозга. Она основана на использовании биологической обратной связи для саморегуляции мозговой активности и происходит за счёт изменения топологии нейронных сетей мозга, то есть мозг начинает использовать другие пути передачи сигнала.

А если брать здоровых людей?
Здесь основная цель – повышение когнитивных способностей во время деятельности, связанной с высокой нагрузкой. Например, в процессе рутинной работы, требующей высокой концентрации внимания, мы предложили метод, основанный на диагностике состояний мозга, для перераспределения данной задачи между несколькими операторами, то есть создали не просто интерфейс мозг-компьютер, а интерфейс мозг-мозг. Кроме того, пассивные интерфейсы – основа для создания систем мониторинга концентрации внимания, когнитивного утомления, эмоционального состояния, возможности совершения ошибок и потери контроля над системой. Пассивные интерфейсы могут быть использованы для мониторинга эмоционального состояния человека. Сейчас удаётся распознать до шести эмоций.

Россия в фарватере разработок интерфейсов мозг-компьютеОни р: насколько мы в авангарде в сравнении с американцами и китайцами?

— Первые интерфейсы, упоминаемые в научной литературе, были разработаны в 1973–1977 годах научной группой Калифорнийского университета при поддержке Национального научного фонда США и Управления перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США. В тех работах авторы использовали анализ особенностей структуры сигналов ЭЭГ, возникающих во время визуальных стимулов человека, так называемые зрительные вызванные потенциалы. Вызванные потенциалы использовались для выявления характерных особенностей ЭЭГ путем усреднения большого числа отрезков сигнала (триалов), но в результате авторы предложили методику для классификации отдельных триалов в режиме реального времени. В экспериментальных исследованиях авторы использовали пять электродов, расположенных в затылочной и теменной области, и сложную обработку получаемых сигналов.

За последние несколько лет возник настоящий бум созданий нейроинтерфейсов. Интересные результаты получены в области нейрореабилитации постинсультных больных российским ученым профессором Фроловым из Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН. Его научная группа разработала и использовала специальный экзоскелет, который по команде, подаваемой с интерфейса мозг-компьютер, сгибал руку больного с парезом, имитируя естественное движение. Наша научная группа совместно с коллегами из Саратовского медицинского университета старается разработать методы нейрореабилитации, которые можно было бы применять как можно быстрее после возникновения инсульта, так как известно, что восстановление утраченных функций происходит наиболее эффективно в первые дни после поражения мозга. Большой прогресс достигнут в области создания систем коммуникации с парализованными людьми. В этой области на Западе уже возникают даже юридические вопросы: можно ли принимать во внимание волю пациента, находящегося в полностью парализованном состоянии или коме, полученную с использованием нейроинтерфейса? Например, завещание имущества или желание отключить пациента от аппарата, поддерживающего жизнь. Возникают и вопросы, требующие философского осмысления: что есть сознание и как мы можем его интерпретировать в этом случае?

Также российские учёные разработали систему «нейрочат», которая позволяет общаться в социальных сетях парализованным пациентам.

Мне кажется, что интересным направлением применения нейроинтерфейсов может стать оценка состояний человека, используя пассивные интерфейсы «мозг-компьютер». Задача — работа со здоровыми людьми, а цель — повышения когнитивных способностей во время деятельности, связанной с высокой нагрузкой. Например, во время рутинной работы, требующей высокой концентрации внимания мы предложили метод, основанный на диагностике состояний мозга, для перераспределения данной задачи между несколькими операторами, то есть создали не просто интерфейс мозг-компьютер, а интерфейс мозг-мозг. Кроме того, пассивные интерфейсы — основа для создания систем мониторинга концентрации внимания, когнитивного утомления, эмоционального состояния, возможности совершения ошибок и потери контроля над системой. Здесь у нашей лаборатории есть большой задел. Интересное направление — мониторинг состояния студентов и школьников в процессе обучения, которым активно занимается наша научная лаборатория.

Пассивные интерфейсы могут быть использованы для мониторинга эмоционального состояния человека. Согласно результатам исследований, эмоциональное состояние человека может быть детектировано путем анализа сигналов ЭЭГ. Сейчас удается распознать до шести эмоций. Например, предложены системы, позволяющие в режиме реального времени различать эмоции счастливый/несчастливый, вызванные картинками и музыкой, при помощи анализа ЭЭГ сигналов. В медицине таким образом можно диагностировать депрессию, шизофрению и болезнь Паркинсона. Не медицинские применения — развлечения и игры, научные — исследование влиянием различных внешних стимулов и внутренних особенностей человека на его эмоциональное состояние. В итоге мы сможем определять, как сделать конкретного человека счастливым. То есть система, анализируя активность мозга, сможет подбирать музыку, книги и игры, так, чтобы сделать нас счастливыми.

Это огромный рынок, который сейчас начинает осваивать Китай и США, но у российских учёных есть все шансы выйти в лидеры в этой области.