Силой мысли: история нейроинтерфейсов, современные разработки и финансовые перспективы области

Обозреватель и автор нескольких научно-популярных книг Алесь Мищенко изучил развитие отрасли нейроинтерфейсов — технологий, которые позволяют управлять объектами «силой мысли».

Он выделил основные научные и промышленные разработки в этой области, описал историю направления и предположил, как отрасль будет развиваться в дальнейшем.

Редакция DTF публикует материал издания vc.ru.

Идея нейроинтерфейса, почти как идея межзвёздного корабля, стара как сама фантастика. Тот, кто смотрел, например, сериал «Звездные врата», знает, что управление техникой силой мысли (то есть с помощью нейроинтерфейса) — это одна из основных технологий древних высокоразвитых цивилизаций.

Нейроинтерфейс (НКИ или интерфейс «мозг — компьютер») — это, в широком смысле, устройство для обмена информацией между мозгом и внешним устройством (компьютером, экзоскелетом, искусственными органами чувств, бытовыми устройствами или инвалидной коляской). Современный уровень технологий позволяет использовать однонаправленные интерфейсы, в которых внешние устройства могут либо принимать, либо посылать сигналы мозгу. Двунаправленные многофункциональные нейроинтерфейсы, взаимодействующие с мозгом фактически как его расширение — это пока дело будущего.

Нейроинтерфейсы сочетают технологии многих областей, в том числе информатики, электротехники, нейрохирургии и биомедицинской инженерии и различаются по типу: инвазивные (с вживлением электродов в мозг), частично инвазивные (с расположением электродов на поверхности мозга) и неинвазивные (на основе технологий регистрации электрический активности мозга внешними приборами).

Нейроинтерфейсы также различают по применению (управление или восстановление функции мозга) и области использования (медицина, военная отрасль, производство, игры и развлечения)

История интерфейсов «мозг — компьютер» насчитывает более ста лет. В 1875 году Ричард Кэтон обнаружил электрические сигналы на поверхности мозга животного, а в 1929 году Ханс Бергер опубликовал результаты опытов с ЭЭГ и установил способность мозга для электрической сигнализации.

Первым нейроинтерфейсом можно считать Stimoceiver — электродное устройство, которое может управляться по беспроводной сети с помощью FM-радио. В 1950-е годы Хосе Дельгадо, нейрохирург в Йельском университете, испытал его в мозге быка, и впервые изменил направление движения животного с помощью НКИ (нейрокомпьютерного интерфейса — прим. ред.).

В 1960-е годы нейрофизиолог Грей Уолтер, используя электроды на коже головы человека, зарегистрировал возбуждения от движения большого пальца человека. В 1972 году был создан кохлеарный имплант — первый нейропротез, ставший коммерчески успешным на рынке. Сегодня более 25 тысяч человек используют эти устройства, позволяющие глухим людям слышать.

В 1998 году Филип Кеннеди внедрил первый нейроинтерфейс в обследуемого человека. Им был художник и музыкант Джонни Рей. Думая или представляя движения рук, Рей управлял курсором на экране компьютера. В 1999 году группа Яна Дэна из Университета Калифорнии расшифровала сигналы зрительной системы кошки и воспроизвела изображения, воспринимаемые её мозгом. К 2000 году группа Николелиса создала НКИ, воспроизводящий движения обезьяны во время манипуляций джойстиком. А в июне 2004 года первый «человек-киборг» Мэтью Нэйгл получил полнофункциональный нейроимплант с нейроинтерфейсом от Cyberkinetics Inc.

В России с 2009 года в рамках проекта NeuroG разрабатываются алгоритмы распознавания зрительных образов человеком. В 2011 году в Политехническом музее Москвы проектом NeuroG была проведена демонстрация распознавания воображаемых образов.

Как видно, нейроинтерфейсы находятся на старте своих возможностей. Можно только представить, к чему эта технология может привести нас в будущем.

Но уже сейчас нейроинтерфейсы занимают ниши во многих областях применения. И первая область — это медицина. Нейроинтерфейсы используются в неврологической диагностике. Кроме того, уже существуют приборы НКИ-нейрофидбэка, которые способствуют восстановлению функций мозга — пациент учится управлять своим состоянием на основании такой обратной связи.

Другим перспективным направлением является нейропротезирование. Когда невозможен «ремонт» поврежденных проводящих нервов, например, в парализованной конечности, их можно заменить электродами, которые служат для проведения сигналов к мышцам. Сейчас, кроме кохлеарных имплантатов, существуют уже нейронные имплантаты сетчатки глаза, которые помогают восстановить зрение. В будущем такие системы могут быть использованы для манипулирования роботами-«аватарами».

Игры и устройства виртуальной реальности — вторая после медицины область применения НКИ. И здесь виртуальные роботы-«аватары», управляемые НКИ, существуют уже сейчас.

Принцип нейроинтерфейса (то есть, фактически, управление предметами «силой мысли») выглядит чрезвычайно привлекательным для потребителя. Действительно, кто откажется, например, с помощью НКИ и 3D-принтера «материализовать воображение», создавая представленные им предметы или предметы искусства — картины, виртуальные скульптуры или нейро-видео-арт.

Но с реализацией нейроинтерфейсов всё не так просто.

Основной проблемой с инвазивными и полуинвазивными нейроинтерфейсами является повреждение нервной ткани электродом — нервы в месте контакта просто отмирают с течением времени. Необходимы технологии разъединения нервной ткани и электрода, обеспечивающие стабильное соединение. Другая проблема заключается в нахождении «правильного нерва» для контакта с электродом, что трудно в плотно упакованной коре мозга.

Не только мозг, но и вся нервная ткань является очень хрупким объектом. Это мешает созданию НКИ, контактирующих, например, с сетчаткой (где уже находятся пять слоёв нейронов визуальной обработки). Для устройств, взаимодействующих со здоровой сетчаткой, более перспективны не НКИ, а мини-дисплеи, проецирующие изображение непосредственно на сетчатку, или дисплеи-контактные линзы, которые уже сейчас можно увидеть в шпионских фильмах

Ещё одной проблемой является энергообеспечение нейроинтерфейсов. Здесь уместно вспомнить фильм «Матрица», в котором люди использовались в качестве батареек. И действительно, работа мышц производит достаточно электричества не только для миниустройств, но и для, например, встроенных телефонов будущего (например, дыхание — около 1 Вт, ходьба — более 50 Вт) — если часть этого напряжения использовать для нейроинтерфейсов, они могут работать без необходимости подключения к внешним источникам энергии.

Но самой серьёзной проблемой является точность НКИ. Если для инвазивных НКИ точность зависит скорее от нейрохирурга и материалов, обеспечивающих надёжный контакт с правильной группой нейронов, то для неинвазивных нейроинтерфейсов точность — это прежде всего точность алгоритмов обработки регистрируемой информации.

Задача неинвазивных нейроинтерфейсов — восстановить активность группы нейронов по электрическому или магнитному полю. Эта задача является математически некорректной — она не имеет единственного решения.

Есть и альтернатива — экспериментальное установление связи между желаемым результатом работы нейроинтерфейса (например, желаемым движением робота или протеза руки) и регистрируемой при этом желании активностью датчиков. Таким образом происходит «обучение» нейроинтерфейса, после которого он работает в режиме «желание определённого движения — команда соответствующим моторам». И, конечно, установленная связь далеко не всегда является точной, устойчивой к ошибкам, к активности других электродов и временным изменениям.

И тем не менее, рынок нейроинтерфейсов уже начал свой осторожный рост.

По прогнозам Мarkets and Markets (октябрь 2016 года), рынок нейроинтерфейсов начнёт расти вслед за исследованиями расстройств и травм мозга, а также нарушений его работы. Кроме того, спрос на биосовместимые материалы будет дополнительно стимулировать рост рынка.

Среди факторов, ограничивающих рост этого рынка, Мarkets-and-markets упоминает прежде всего нехватку квалифицированных технических специалистов для создания и обслуживания сложных нейроинтерфейсов.

И, тем не менее, по прогнозам Аlliedmarketresearch (2015 год), объём рынка нейроинтерфейсов увеличится в период с 2014 года по 2020 год на 12% и к 2020 году станет одной из самых наукоёмких технологий в следующих областях (в порядке убывания доли на рынке): медицина, игры и развлечения, связь и телекоммуникации, «умные» дома.

Интересно, что доля полуинвазивных и инвазивных нейроинтерфейсов на рынке будет суммарно даже больше доли неинвазивных нейроинтерфейсов. «Все мы практически уже киборги», — так сказал в интервью самый известный современный инноватор и изобретатель Элон Маск.

По мнению Аlliedmarketresearch, рост рынка нейроинтерфейсов зависит от развития медицины мозговых нарушений, влияющих на движение частей тела, совершенствование инфраструктуры здравоохранения в динамично развивающихся странах, таких как Индия и Китай, а также использования сенсорных технологий и нейротехнологий в области игр и развлечений.

Среди крупных игроков, работающих на рынке нейроинтерфейсов — прежде всего американская Mind Technologies, а также ирландская Covidien, австралийскаяCompumedics, американская Natus Medical, японская Nihon Kohden, американские Integra Life Sciences, CAS Medical Systems и Advanced Brain Monitoring.

Первое применение нейроинтерфейсов в области игр и развлечений — это произведённая в 2003 году шведской компанией Interactive Productline настольная игра Mindball, в которой два игрока с помощью электрической активности своего мозга управляют катящимся по столу мячиком.

Сейчас на рынке развлекательных нейроинтерфейсов можно выделить трёх основных игроков: NeuroSky, Emotiv и OCZ.

● NeuroSky, компания из Кремниевой долины, производит один из самых недорогих нейроинтерфейсов MindWave ($80), способный не только регистрировать четыре частоты мозга, но и моргание.

● Немногим дороже ($90) снятый недавно с производства Neural Impulse Actuator (или NIA) от OCZ Technology, способный регистрировать две частоты (альфа и бета), а также сокращения лицевых и глазных мышц.

● Наиболее продвинутым является Emotiv EPOC от Emotiv Systems (стоимостью в $299), регистрирующий 13 частот мозга, сокращения мышц и даже движения головы с помощью двух гироскопов. В отличие от трёх электродов в OCZ NIA, EPOC имеет 14 электродов.

Говоря об игровых нейроинтерфейсах, следует упомянуть связанную с ними иллюзию. Пользователь игровых НКИ — как коммерческих, так и созданных индивидуально — обычно считает что то, что он производит с их помощью, является следствием команд, желаний и состояний его мозга (то же написано и в рекламных буклетах).

В реальности электрическое поле, создаваемое на поверхности кожи даже небольшим напряжением подкожных мышц, превосходит электричество, вырабатываемое мозгом. Поэтому обычно напряжение лицевых мышц, сопровождающее «попытки напрячь мысль», фактически и управляет всеми игровыми НКИ.

И, тем не менее, нейроинтерфейсы являются, пожалуй, одной из самых фантастических технологий, разработка которых приближает нас к новому, непохожему на сегодня, миру будущего.

НКИ потенциально позволяют, например, читать и записывать мысли. Сейчас нас отделяет от возможности определения того, о чём думает другой человек, лишь проблема отсутствия достаточно надёжных алгоритмов обработки регистрируемой информации. Впрочем, определить, например, думает ли человек о движении, вспоминает ли произошедший ранее разговор или представляет какой-то визуальный образ, можно уже сегодня.

Уже сейчас существуют исследования, способные «увидеть» изображения по их образам в зрительной коре мозга. Уже получено первое изображение сна. Пока соответствующее разрешение не превосходит нескольких пикселей — из-за проблемы неточности контакта электродов.

В будущем, когда НКИ будут распространены повсеместно, кто-то может использовать их для визуальных или звуковых спам-галлюцинаций или передавать ложную информацию.

Глубокая стимуляция мозга сейчас успешно используется для лечения болезни Паркинсона, а в будущем может быть успешно использована как для стирания, так и для создания воспоминаний, снов и визуальных образов.

Нейроинтерфейсы — потенциально очень мощная технология, она способна существенно изменить не только человеческое общество, но и самого человека, каким мы его знаем сегодня. Именно нейроинтерфейсы вместе с искусственным интеллектом и биотехнологиями будут способствовать превращению человека в новый кибербиологический вид, и далее — в новый тип организации материи, называемый футурологами и философами мыслящей материей.