22.09.2015

Нейрофизиолог Михаил Лебедев: О перспективах нейронаук, о главных вызовах в проекте "Аватар" и создании полного протеза тела

В преддверии лекции нейрофизиолога Михаила Лебедева публикуем интервью о перспективах нейронаук, о главных вызовах в проекте "Аватар", перспективах создания полного протеза тела, аплоадинга и многом другом.

Беседовала Мария Тучина

Михаил Лебедев: Старший научный сотрудник в Центре нейроинженерии (Департамент нейробиологии, Медицинский Центр Университета Дьюка). Индех Хирша 29. С 2003 года Лебедев работает с Мигелем Николелисом в университете Дьюка, где он руководит рядом исследований на обезьянах. Главный фокус этих исследований — нейрокомпьютерные интерфейсы, обеспечивающие контроль внешних устройств биоэлектрической активностью мозга. Лебедев разработал интерфейсы, управляющие механическими и виртуальными руками и ногами, а также интерфейсы с искусственной сенсорикой, в которых сенсорные сигналы вызываются электрической стимуляцией мозга.

Какие из последних достижений в области исследования мозга и нейропротезирования вы считаете наиболее значимыми?

Сам темп развития поражает. Все ускорилось примерно 15 лет назад, и с тех пор количество статей и работ возрастает по экспоненте. Следует отметить, что это междисциплинарная область, в ней участвуют ученые разных направлений: робототехники, инженеры, электронщики, нейрофизиологи, медики, - и в каждой области есть определенное продвижение.

Возьмем электронику – сегодня электроника работает под многоканальное отведение информации из мозга. Сравнивая с тем, что мы имели, допустим, 15 лет назад – небо и земля. Тогда мы могли записывать только один канал, теперь их число тоже растет по экспоненте: сегодня – сотни каналов, потом будут тысячи, десятки тысяч и так далее.

Что касается робототехники, если раньше она развивалась по другим направлениям, разработчики не фокусировались на конкретных целях протезирования, то теперь реальностью становится возможность дать людям нейропротезы. Медицина также идет навстречу. Если раньше исследования мозга и нейропротезирование были сугубо экспериментальными, научными, далекими от практики направлениями, то сегодня мы уже видим, что проводятся клинические исследования на людях, то есть такие исследования уже не табу, а значит, будут в дальнейшем развиваться.

Наступил ли какой-то прорыв? Я думаю, что наступит в течение следующих 5-10 лет, и, возможно, прорыв произойдет благодаря нанотехнологиям, которые лягут в основу новых способов связи машины с мозгом, и это уже будет взаимодействие на клеточном уровне. Нанотехнологии позволят создать такой интерфейс с минимальной инвазивностью.

Что касается планов движения “Россия 2045”, насколько вы согласны со сроками, в которые планируется создать Аватары А, Б, В?

Как я уже отметил, развитие технологий происходит по экспоненте, поэтому если сейчас сроки кажутся слишком оптимистичными, то при сохранении экспоненциального темпа развития все возможно.

С технологической точки зрения, в чем вы видите главные препятствия для создания технологий, необходимых проекту “Аватар Б”?

Мне кажется самым сложным для Аватара Б будет создание системы жизнеобеспечения мозга. Сейчас представляется вполне реальным, что изолированный мозг будет жить несколько дней, но ведь необходимо создать такую систему, которая позволит ему жить вечно. Вот тут, как мне кажется, ученых ждет главный вызов.

Что касается связи мозга с искусственными органами чувств, сенсорами, искусственным телом, уже сейчас мы имеем представление, как считывать информацию из мозга и как доставлять ее в мозг. Так что это направление развивается вполне успешно.

Если ученые смогут изолировать мозг от тела и продлить ему жизнь, будет ли это означать продление жизни человека?

Конечно же, это будет продлением жизни мозга. Я бы и сам поучаствовал в этом эксперименте; конечно при условии, что это направление достаточно развито и опробовано.

Значит, вы считаете, что личность человека, душа, находится в мозге?

А где еще? Конечно, в мозге. Однако, не будем забывать о том, что мозг – это часть материального мира, воспринимаемая сознанием. Другими словами, получается замкнутый круг: без сознания и не было бы ни мозга, ни всего мира. Подобными вопросами занимаются философы. Но чисто «технически» личность находится в мозге, не где-то еще. Все эксперименты на мозге показывают, что мыслительная деятельность, сознание – все там: ощущения, мысли, представления.

Сможет ли мозг функционировать, если будет лишен внешней информации? Наша личность, находясь в изолированном мозге, сможет ли сохранить себя как личность, или ей жизненно необходимы внешние раздражители?

Чтобы быть связанным с этим миром, нужны внешние раздражители. Человек спит, видит сны и живет как бы в другом мире. Если человека лишить притока сенсорной информации, он мгновенно заснет. Поэтому сенсорика нужна. Возможно, проще всего будет снабжать мозг слуховыми ощущениями.

Это уже не мало.

Да, и уже проводятся эксперименты на животных, в которых сенсорная информация доставляется в мозг при помощи электрической стимуляции.

Существует ли подобный опыт, проводятся ли эксперименты, в которых изолированных мозг подключают к внешним сенсорам?

В прошлом проводились эксперименты по изоляции мозга и пересадке головы, однако такие проекты сталкиваются с этическими проблемами. А вот использовать культуру клеток мозга использовать можно, с культурой клеток проводятся многочисленные эксперименты. Причем, чтобы получить подобные культуры из анестезированного животного (например, крысы) извлекают мозг, затем, его превращают в срезы или дробят, диссоциируют ткань, получают диссоциированные нейроны.

Эксперименты с изолированным мозгом – это более сложная задача. Возникают вопросы – а может, он чувствует боль? Для работы с изолированным мозгом необходимо иметь стопроцентную гарантию, что боли нет, что мозг находится в состоянии сна, бессознательном состоянии. А вот экспериментировать с сознательным изолированным мозгом никто не позволит из-за массы этических вопросов.

Какова судьба “Аватара Б” в проекте “Россия 2045”, если даже эксперименты на животных вызывают такое яростное сопротивление?

Любые сложности со временем преодолеваются. Скажем, если мы можем трансплантировать сердце, легкие, другие органы, почему нельзя то же самое сделать с мозгом? Но общество должно прийти к пониманию того, что это возможно и в некоторых случаях необходимо. Предпосылкой к такому пониманию должны стать кропотливые исследования.

Чем вы конкретно сейчас занимаетесь? Расскажите о перспективах вашей деятельности для применения в медицине и других областях.

Я занимаюсь записью информации из мозга и доставкой ее обратно в мозг. Работаю в основном на обезьянах, так как на них можно записывать инвазивно, и соответственно, весь мозг обезьяны в моем распоряжении – я могу выбрать участки мозга, откуда хочу считывать информацию, а их много. В идеале я бы хотел записывать из всех отделов мозга одновременно. Далее, если мы имеем такую запись, мы можем изучать, как работает мозг, приблизиться к понимаю, как считывать из него информацию и как эту информацию в него обратно поставлять. Подобные исследования просто необходимы для всех этапов проекта “Аватар”, потому что, заглянем в будущее, если вы хотите считать сигнал из мозга и перенести его в компьютер – нужно же знать, что считывать и как считывать. Таким образом, нейрофизиология готовит основу для всего развития проекта «Аватар».

Как оцениваете перспективы аплоадинга?

Возвращаясь к вопросу о том, где в мозге находится душа, спросим, а что такое мозг? Мозг – это сложная электрическая схема, построенная из нейронов, являющихся элементами этой сети. А раз мозг – это сеть элементов, пусть и очень сложная, мы приходим к логическому выводу, что ее можно скопировать или смоделировать. Казалось бы, никаких принципиальных проблем к аплоадингу нет. Но технически это, конечно, это неимоверно сложно. При механическом копировании будут накапливаться ошибки, которые постепенно вырастут в большое отклонение. А для немеханического копирования нужно лучше понимать, как мозг хранит и обрабатывает информацию. Об этом мы знаем пока что слишком мало.

Насколько мы близки к разгадке мозга? С одной стороны, хочется верить, что все это будет доступно завтра, с другой стороны довольно долго мы изучаем мозг, но пока не понятно, как он работает и как будет работать искусственный мозг.

Мы и близки, и далеки одновременно. Рассмотрим проблему создания реалистичной копии человека, включая его внешний вид, привычки, стиль жизни. Уже сейчас можно сделать робота, который будет выглядеть, как умерший родственник. Можно дать этому роботу искусственный мозг, который позволит этому роботу поведенчески напоминать этого человека. Есть такое очень популярное в настоящее время направление в робототехнике – робот-компаньон. Далее, не так сложно наделить этого робота основными чертами человека. Он будет по утрам читать газету, при разговоре с вами говорить какие-то ключевые слова. (Помните фильм «Солярис»?)  Но реально перенести сознание в новый носитель – совсем другая, гораздо более сложная задача.

В области исследований сознания в настоящее время полный хаос. Никто не может дать убедительное определение тому что же такое сознание и откуда оно берется. С субъективной точки зрения, это наши ощущения, то почему, скажем, желтое мы ощущаем как желтое, а красное как красное. Почему активность одной группы нейронов приводит к субъективному ощущению красного цвета, а примерно такой же другой группы к ощущению желтого – совершенно непонятно.  Пока мы описываем мозг как техническое устройство для обработки сигналов – все понятно и поддается исследованиям, но как только мы касаемся субъективной сферы, начинаются трудности.

Каким образом будет осуществляться перенос сознания? Ведь мы же не хотим сделать копию человека после его смерти. Мы хотим продлить ему жизнь, хотим сделать перенос “Я” человека в небиологический носитель.

Давайте представим, что создана технология, которая позволяет измерить состояние каждого нейрона (включая производные этого состояния, то есть динамику изменений). Затем эти данные перенесятся в искусственную модель с теми же стартовыми параметрами. С технической точки зрения и если отвлечься от рассуждений о субъективном это будет перенос сознания.

Но все же у человека в мозге десятки миллиардов нейронов. Тут, как мне кажется, основная проблема в том, что если мы копируем миллиард нейронов, то мы неизбежно будем допускать мелкие ошибки при копировании, а мелкие ошибки накапливаются в большую ошибку в воспроизведении характеристик личности. В процессе такого переноса мы можем потерять и самое главное, то, что мы называем душой. Но если мы в какой-то момент лучше узнаем принципы кодирования информации в мозге, то, возможно, появятся более разумные способы копирования. Мозг в определенном смысле напоминает голограмму, где в каждом небольшом отделе мозга содержится информации обо всем организме. Если нам удастся декодировать такую голограмму, считывать информацию, вместо копирования каждого элемента, то здесь, возможно, произойдет основной научный прорыв.

Мы сейчас с вами все-таки говорим о копировании. Что будет с личностью, которая копируется? Мы скопировали, запустили работу идентичного существа. Что происходит после с тем, с кого сняли копию?

Это довольно сложный вопрос, здесь мы опять входим в философские дебри.  А вот вам другой пример – мы засыпаем, теряем сознание, просыпаемся. Проснулся тот же самый человек или его копия? (Ведь во сне произошла профилактика мозга, произошел перерыв в сознании). Определенно могу сказать, что оригинал и копия сами не смогут определить, кто из них оригинал, а кто копия. Вопросы сложные, философские.

А эти два существа? Как они себя ощущают?

В начале, видимо, будут ощущать себя одинаково, а потом они разойдутся. Уже через пять секунд их мысли пойдут в разных направлениях.

Были какие-то попытки создания полного протеза тела в вашей лаборатории? По аналогии с тем, что мы планируем сделать, Аватар Б или, может быть, Аватар А, управляемый на расстоянии?

Мы сотрудничали с японскими робототехниками, которые сделали человекообразного робота. Роботом управляла наша обезьяна. Одна из тематик лаборатории Митсуо Кавато сформулирована следующим образом. Если мы сможем сделать робота, имеющего моторный контроль, зрение, который ведет себя как человек, то лучше будем понимать, как происходят все эти процессы в биологическом объекте, который мы изучали в качестве модели. Хоть они использовали такую формулировку, фактически речь идет о создании полного протез тела. У этого робота есть и голова, и глаза, и ноги, он может ходить, даже может в бейсбол играть. Остается его только одушевить с помощью технологий аватара В.

Каким образом с роботом контактировала ваша обезьяна?

В то время как обезьяна ходила по беговой дорожке, мы считывали сигнал из ее мозга, отправляли в Японию и их робот повторял движения обезьяны. В какой-то мере этот эксперимент напоминал Аватар А, когда биологическое существо управляет телом робота, используя сигналы мозга.

Замечу, что эксперимент проходил в режиме реального времени. Сначала обезьяна ходила по беговой дорожке, а на экран проецировалось изображение робота из Японии, который тоже ходил. Обезьяна понимала, что она управляет этим роботом. Мы провели тест – выключили беговую дорожку, а обезьяна так увлеклась управлением роботом, что робот какое-то время шел, хотя она уже стояла.

То есть фактически в этот момент она управляла им сигналами своего мозга?

Одно из основных свойств мозга – воображение. Если сделать управление роботом настолько реальным, что человек думает, что этот робот является собственным телом, то таким образом можно переселиться в новое тело, чисто за счет виртуальной реальности и управления непосредственно мозгом.

Многие смотрели видео эксперимента под руководством Эндрю Шварца, когда женщина управляет искусственной рукой. Насколько сложно управлять полным протезом тела – роботом?

Эта задача гораздо сложнее: нужно записывать больше информации из мозга, то есть чтобы управлять одним пальцем достаточно несколько нейронов, рукой – больше, целым телом – еще больше.

Как это работает? Как вы раскодируете сигналы мозга и настраиваете робота?

Если мы попросим робота ходить, двигаться, выполнять действия, в мозгу будут модулироваться нейроны, они будут разряжаться с определенной частотой. Эти изменения частоты разряда будут коррелировать с движением робота. А раз есть корреляция, можно решить обратную задачу – смотреть на разряды нейронов и предсказывать, декодировать движения робота. Если есть декодирующая модель, можем применить ее к роботу и тогда уже сигналы мозга будут управлять роботом.

Нужно ли для каждого человека подбирать все параметры индивидуально, или есть некая модель, которая применима для каждого?

Для каждого испытуемого декодирование будет происходить индивидуально. Нам примерно понятно, из каких зон какую информацию получать. Например, из моторной коры – моторную информацию, из зрительной – сигналы связанные со зрением. А если настраивать в деталях, все сугубо индивидуально.

Насколько сложен процесс настройки?

Пока настройка требует значительного времени. Даже ребенок после рождения целый год учится управлять своим телом, его первые движения совершенно хаотичны. То же самое будет с управлением искусственным телом.

Как можно сократить время настройки?

Есть такие алгоритмы, которые работают помогают мозгу подстроиться под управление. Мозг пытается научиться, и алгоритм ему в этом помогает. Так можно сократить время настройки. Допустим, я хочу взять чашку и промахиваюсь. У меня уже есть искусственное зрение, зрительный процессор замечает, что я промахнулся, происходит корректировка. Так, например, фотоаппарат автоматически настраивает фокус. Часть коррекция может производиться самим мозгом, другая часть компьютерным алгоритмом, так дело пойдет быстрее.

В продвинутых автомобилях есть такие системы: вы управляете автомобилем, а его компьютер подстраивается под вашу манеру управления и оптимизирует, но вы об этом не знаете, вам кажется, что все делаете вы сами.

Как вы в целом относитесь к проекту «Аватар»?

Даже если и некоторые задачи окажутся слишком сложны, их работа над их решением даст массу плодов, причем совсем неожиданных. Если только теоретизировать, никогда ничего не получится. А вот попытки что-то сделать, даже если некоторые из них неудачны, приводят к результатам. И вы удивитесь – часто к желаемым.

http://www.2045.ru/news/34417.html