Конкурс «Био/Мол/Текст»-2023/2024

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «Био/Мол/Текст»-2023/2024.

Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.

---

Партнер номинации — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Научная фантастика и ее поджанры, включая мягкую и твердую фантастику, всегда оказывали важное влияние на развитие технологической мысли целого поколения исследователей и инженеров. Многие из представленных в произведениях технологий были реализованы в той или иной форме в дальнейшем. Конечно, не без изменений: время идет, наука развивается, а старый взгляд на будущее может казаться сегодняшнему человеку очень наивным.

Нейролента (neural lace), предложенная Илоном Маском как идея для реализации в Neuralink, — это пример изобретения, вдохновленного научной фантастикой. Такой технологией обладала сверхцивилизации The Culture из одноименного цикла рассказов Иэна Бэнкса [1], [2]. Более обстоятельное описание технологий, реализуемых нейротехнологической компанией Neuralink, можно прочитать в отдельной статье на «Биомолекуле» [3].

Давайте вспомним некоторые примеры подобных концептов, встречающихся в классических или старых медиа, реализация которых происходит прямо сейчас.

Для разбора я возьму наработки из культовой серии «Призрака в доспехах». Это наиболее удобный пример для рассмотрения из-за представленной там глубокой проработки технологий будущего. Манга и аниме обширно отражают многие из проблем, которые предсказывают с началом развития и применения нейрокомпьютерных интерфейсов.

Основные понятия

Нейротехнологии — общий термин, использующийся для обозначения широкого спектра технологий, инструментов, систем или методов, которые могут влиять на структуру, функции или мозговую активность людей [4].

Нейрокомпьютерный интерфейс (НКИ), он же нейроинтерфейс, интерфейс «мозг-компьютер» (ИМК) — система для прямого обмена информацией между мозгом и электронным устройством, заменяющая собой основные устройства ввода (клавиатура, компьютерная мышь, сенсорные панели и экраны и т.д.)

Академические исследователи используют термин «интерфейс «мозг—компьютер»» (англ. brain-computer interface или BCI), так как термин «нейрокомпьютерный» закреплен за другим классом технологий [5].

Работает ИМК так: нейрон реагирует на внешние стимулы, преодолевает порог возбуждения и генерирует потенциал действия — спайк. Нейроинтерфейс же улавливает этот сигнал и кодирует его.

Существуют однонаправленные интерфейсы, внешние устройства которых могут лишь принимать или посылать сигналы от мозга. Двунаправленные же позволяет мозгу и внешним устройствам обмениваться информацией в обоих направлениях, поэтому подобные ИМК способны как переводить информацию в форму кода, так и декодировать ее обратно (см. рис. 1)

Причин для развития области нейротехнологий много. Самая очевидная — это применение ИМК для помощи парализованным в результате физических или неврологических травм, а также нейродегенеративных процессов [6].

Другая же, пока более далекая и расплывчатая, — расширение возможностей человеческого мозга. Например, улучшение человеческой коммуникации за счет возможности делиться собственными мыслями или эмоциями напрямую, которые невозможно передать полностью из-за давней философской проблемы ограниченности человеческого языка [7], [8].

Ещe один способ увеличения производительности человеческого мозга с помощью нейротехнологий — экзокортекс. Это внешняя система обработки информации, созданная для усиления интеллекта и памяти. Под данным понятием в первую очередь имеют в виду нейропротезы и нейроинтерфейсы, хотя зачастую подразумевается любая внешняя система, способная хранить нужную информацию для последующего использования и облегчающую жизнь его носителю. Таким образом, экзокортексом могут считаться те же телефоны или персональные компьютеры, а также поисковые системы [9].

Более полную информацию о работе нейроинтерфейсов и их применении для лечения параличей можно узнать в этой статье [10]. Я же остановлюсь на применении технологий, позволяющих облегчить процесс коммуникации сейчас, а в будущем имеющих потенциал к усилению человеческого интеллекта и улучшению когнитивных процессов: памяти, скорости мышления и восприятия.

Кибермозг

Киберизация — это процедура физической интеграции мозга с электронными компонентами для создания кибермозга (по сути, это другое название нейроинтерфейса в мире произведения). Само название отсылает к одной конструкторской особенности кибермозга — тонкой металлической оболочке, которая закрывает собой «призрака», Ghost in the Shell (рис. 2) [13].

Кибермозг обладает достаточно пластичной структурой, способной к изменению от внешнего вмешательства, например коррекции памяти: в фильме 1995 года присутствуют персонажи, пострадавшие от загрузки фиктивных воспоминаний, которые вытеснили настоящие.

Несмотря на явные преимущества в возможностях перед людьми без кибермозга, в этой процедуре присутствует предел. В сериале «Призрак в доспехах: Синдром одиночки» упоминается «Синдром Закрытой Оболочки», возникающий при экстремальной киберизации головного мозга на 97,5%. Из-за подобного излишнего вмешательства в анатомию мозга «призрак» практически полностью исчезает, вместе с ним уходит и совесть, снимаются моральные ограничения, а также усиливается интенсивность эмоциональных реакций.

Учитывая все вышеперечисленное, можно сделать вывод, что во вселенной Масамунэ Сиро уже возможны следующие манипуляции: кодирование мыслей, а также их последующее декодирование и изменение, внедрение сфабрикованных воспоминаний, а прямое подключение кибермозга к сети позволяет получить и обработать практически бесчисленное количество информации (рис. 3).

Понятно, что в данной вселенной уровень понимания работы мозга находится на более высоком уровне, чем наш, ибо для подобного глубокого вмешательства, связанного с изменениями работы мозга, нужно хорошо исследовать работу в соответствующих отделах, отвечающих за всевозможные семантические смыслы. Например, составить карту мозга с помощью функциональной МРТ, чтобы лучше изучить анатомию и найти области, отвечающие за активацию памяти, стимулов, идей, абстракций и т.д. Фундаментальные открытия совершаются в этой области до сих пор, зачастую заставляя исследователей пересматривать весь свой предшествующий опыт и ставить новые вопросы: а работает ли это так, как мы думали ранее? Один из примеров подобного — недавнее исследование, посвященное теории, дополняющей процесс консолидации и хранения памяти в головном мозге. Согласно предыдущей гипотезе, воспоминания всегда переходят из гиппокампа в неокортекс. Тем не менее, исследования показали, что иногда этого не происходит, а память остается в гиппокампе. В неокортекс же переходят только те воспоминания, которые важны для лучшей генерализации воспоминаний, то есть для создания обобщений каких-либо категорий [14].

Так, получается, можно хоронить все фантастические идеи о влиянии на мозг извне, в том числе, загрузке учебных воспоминаний, навыков, да даже лечению депрессии с помощью электростимуляции? Нет, но стоит уметь различать явления и ставить правильные вопросы.

Призрак в доспехах, как и любое фантастическое произведение, основано на допущениях, которые могут быть мало связаны с реальностью. И не исключено, что некоторые из этих условностей, при попытке их реализации в настоящем мире, будут крайне непохожи на собственный прототип.

А вопрос о возможности и невозможности «чтения мыслей» нужно перефразировать в более простой и конкретный и узнать: а можно ли вообще переводить наши мысли или образы в форму цифрового кода?

Осуществимо ли это?

В данный момент слишком рано говорить о неосуществимости чего-либо, ибо для этого нет достаточной материальной базы. Все-таки сама технология ИМК сейчас находится в активном развитии. Тем не менее, я хочу рассказать о некоторых разработках, которые могут приблизить нас к тому самому фантастическому будущему.

«Чтение мыслей»

Ученые из Техасского университета в Остине [15] обучили алгоритм искусственного интеллекта, языковую модель на основе GPT , использовать данные активности мозга, полученные в ходе функциональной МРТ, для реконструкции непрерывного повествования.

Нейросетевая языковая модель — нейронные сети, предсказывающие следующее слово в тексте с учетом предыдущего контекста [16].

Под понятие непрерывного повествование входили всевозможные семантические задачи: восстановление значения воспринимаемой, воображаемой речи, а также изложение происходящего на беззвучном видео, но в форме краткого пересказа (рис. 4).

Самое фундаментально важное открытие этого исследования: работа с данными из теменно-височно-затылочной ассоциативной области и префронтальной коры. Эти зоны мозга участвуют в процессе генерирования образов, смыслов и идей. До этого ученые использовали информацию из отделов, ответственных за движения и микродвижения в процессе речи, тем самым «угадывая» произнесенное предложение.

При дальнейшем развитии технологии этот алгоритм может лечь в основу более совершенных и менее дорогостоящих нейрокомпьютерных интерфейсов, которые будут помогать пользователям взаимодействовать с окружающим миром. Поэтому это исследование можно считать первым прототипом технологии чтения и изменения мыслей, представленным в серии «Призрака в доспехах».

Самая главная проблема распространения этой разработки — потребность в наличии дорогостоящего томографа для проведения фМРТ. Подразумевается, что с развитием новых технологий «оцифровки мозга» манипуляции, связанные с чтением мысли, можно будет повторить на более компактной и менее дорогой технике. В пример исследователи приводят функциональную спектроскопию в ближнем инфракрасном диапазоне, или fNIRS (functional near-infrared spectroscopy), — неинвазивный метод регистрации активности определенных областей коры головного мозга за счет измерения концентрации оксигенированного, дезоксигенированного и общего гемоглобина [18].

Важный пункт для развития этой технологии — понимание того, какая область мозга активируется при представлении той или иной семантической информации. Декодер может «рассказать» и о том, как в мозге происходит распознавание смыслов. Расшифровывая записи активности определенных областей (префронтальной коры и теменно-височной коры), команда смогла определить, какая область предоставляла определенную семантическую информацию. Одно из открытий заключалось в том, что декодер работал одинаково хорошо при использовании записей из любой области.

В подобных нейротехнологических исследованиях заинтересован и Facebook. Facebook Reality Labs вместе с исследователями из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UCSF) работают над неинвазивным нейроадаптивным устройством, способным читать мысли и переводить их в текст. Результаты своего исследования они опубликовали в журнале Nature [19].

Нейроадаптивный ИМК — устройство, способное к адаптированию к психическим особенностям носителя за счет полученного в режиме реального времени фидбэка.

Во время исследования ученые в реальном времени проводили сбор и декодирование информации, полученной в непосредственном диалоге. Все результаты были получены с помощью электрокортикографии . Разговорная обстановка помогла ученым определить области мозга, активирующиеся при обдумывании вопроса и произношения ответа, а также четко разграничить их (рис. 5). Данное исследование FRL будет использовать для создания ИМК, которое должно будет помочь людям, страдающим от паралича, беспрепятственно коммуницировать.

Электрокортикография — метод изучения электрической активности мозга, но, в отличие от ЭЭГ, электроды накладываются непосредственно на кору головного мозга [20].

«Виртуальная телепатия»

Если чтение мыслей или образов пока невозможно, то достижима ли хотя бы так называемая «виртуальная телепатия», связанная с преобразованием задуманных слов в текст или звук? И насколько эти разработки приблизились к своим прототипам из научной фантастики?

Да, некоторая форма «виртуальной телепатии» возможна. Правда, совершается декодирование не с помощью «внутреннего голоса», а с помощью нейронов, активирующихся в момент попытки совершения разговорных движений. Это называют attempted speech (проговаривание) и silent speech (произнесение про себя) (рис. 6). И уже сейчас эта технология показывает среднюю скорость декодирования в районе 62 слов в минуту, что медленными и уверенными шагами приближает его к скорости естественного разговора (160 слов в минуту). Это в 3–4 раза быстрее прошлого рекорда [20].

Процесс декодирования происходит так: нейронная активность группируется, а затем рекуррентная нейронная сеть (RNN) преобразует временной ряд этой нейронной активности в вероятность для каждой фонемы. Вероятности фонем объединяются с языковой моделью с большим словарным запасом и декодируются в предложение (рис. 7).

Возможности данной области действительно превышают многие ожидания. Будет ли это более удобной альтернативой другим средствам ввода для здоровых людей? Это уже область чистых спекуляций и предположений, но уж точно облегчит жизнь людям, страдающим от немоты и паралича вследствие различных заболеваний (исследование, например, проводилось при участии человека, страдающего от бокового амиотрофического склероза).

Похожая технология лежит в основе mindBEAGLE [22] — ИМК, созданном для налаживания обратной связи с людьми, пребывающими в состоянии паралича или коме.

Более сложная система, завязанная на машинном обучении, используется при воображаемом движении рук. При вопросе пациенту нужно подумать о том, какую руку он хочет поднять. Для ответа «да» ему нужно поднять левую руку, а для ответа «нет» — правую. Вибротактильная стимуляция же передает ответ его собеседнику (рис. 8).

Для ответов на вопросы, предполагающие наличие фактических знаний, вроде имени пациента, используется более развитая технология машинного обучения. MindBEAGLE выводит «да» или «нет» только в том случае, если алгоритмы обнаруживают, что ответ верен, в противном случае система его отклоняет. Со временем эта технология будет использоваться для более сложной коммуникации.

Помимо этого, система mindBEAGLE включает в себя 2 канала электростимуляции для тренировки мышц верхних и нижних конечностей, а также два канала для транскраниальной электростимуляции мозга. Это намного облегчает процесс физиотерапии для пациентов, а префронтальная стимуляция приводит к улучшению состояния людей в коматозном состоянии [23].

Не обошли подобные исследования и технологических гигантов: совсем недавно Neuralink, в своей официальной странице в Твиттере, объявил, что начинает набор добровольцев для первых клинических испытаний на людях [24]. Испытуемым будут вживлять нейрочип N1 Link. До этого он позволил обезьяне играть в MindPong силой мысли [25].

С помощью моделирования взаимосвязи между оцифрованной нейронной активностью и предполагаемыми направлениями движения, декодер может не просто предсказать наиболее вероятное предполагаемое движение, а использовать эти прогнозы для управления компьютерным курсором или ракеткой MindPong в реальном времени. Нейроны с предпочтительным направлением вверх увеличивают частоту срабатывания, когда обезьяна перемещает ракетку MindPong вверх, а нейроны с предпочтительным направлением вниз увеличивают частоту срабатывания, когда Пейджер (имя обезьяны) перемещает ракетку вниз.

Регулирование ИМК в настоящем и в будущем

Произведения научной фантастики (особенно этим грешит киберпанк) часто любят поднимать вопросы этики и изменения морали, совмещающие и дополняющие резкий взлет технологического прогресса.

В целом, гиперболизация отрицательных сторон технологий в фикшн-мирах отражается и на обществе, отчего новости о инновациях в сфере нейротехнологий могут вызывать у некоторых людей неподдельный страх и тревогу, вместе с излишним скептицизмом и негативом [29]. На этой идее также любят излишне раздувать сенсации и просмотры, что зачастую вызывает у людей, не изучавших тему со всех сторон, нереалистичные ожидания или, наоборот, предрассудки. Поэтому так важно развеивать мифы и неточности по этой теме, давая четкие ответы на многие возникающие вопросы.

Пока данные опасения излишни, ибо считывание нейронных паттернов неоднозначно считыванию мыслей и образов, которые возникают в голове испытуемого. Точность же расшифровки стремится к нулю, если пациент не полностью сконцентрирован на поставленной задаче. Проблемы вызывает и движение внутри аппарата фМРТ, к которым декодер очень чувствителен, а также необходимость индивидуального обучения модели на основе отдельных данных об активности мозга.

Нет и общей фундаментальной базы и понимания «кода мозга», который можно было бы так легко считывать и перекодировать, как и самой базы для подготовки подобных исследований. Но многие биоэтические вопросы всегда ставились и развивались намного раньше самой ввода технологии. Раз наше сознание способно к далекому планированию, то нужно быть готовым к различным рискам. И многие исследователи уже сейчас создают почву, на которой можно было взрастить зерна рационального и этического обращения с опасной технологией (рис. 10)

Понадобится огромное количество времени для того, чтобы ИМК стали частью нашей повседневной жизни. Но это не отменяет того, что мы на пути к тому, чтобы свободно декодировать чужие мозговые процессы. Это, прежде всего, создает угрозу для личной жизни.

Усложняет все и процесс, называемый двойным связыванием, или дилеммой Коллингриджа, — последствия новой технологии сложно предсказать, пока она не будет широко использоваться, но на глубоко укорененную технологию будет практически невозможно влиять. Таким образом, сейчас главной задачей биоэтики в отношении нейротехнологий является научно обоснованное прогнозирование возможного вреда ИМК до их широкого применения.

Некоторые из возможных опасений могут быть подтверждены опытом: если даже сейчас личная информация граждан используется для создания поведенческой рекламы [30], то какие будут гарантии того, что информация из нашего мозга останется конфиденциальной?

В некоторых случаях само понимание индивидуальности ставится под угрозу и требует переформулирования. Будет ли считаться серьезная электростимуляция, направленная на лечение аффективных расстройств вмешательством в психическую свободу индивидуума? Например, один мужчина, проходивший стимуляцию мозга для лечения депрессии в течение 7 лет, сообщал в глубоких изменениях в собственной личности, затрагивающих самоопределение и свободу воли: «Все стирается до такой степени, что я не уверен… честно говоря, кто я» [31].

Под область биоэтики попадает и проблема модификации воспоминаний, основная дилемма анимационного фильма «Призрак в доспехах» 1995 года. Насколько человек остается собой при модификации воспоминаний и к какому исходу это может привести? И как регулировать подобные изменения психических процессов [32]?

Возникает и вопрос усиления интеллекта посредством развития экзокортексов, которые могли бы увеличить объем памяти и скорость мышления своего пользователя. Это создает сильную пропасть между теми, кто может позволить себе данную технологию и теми, кто такой возможности лишен.

Сейчас нейроинтерфейсы находятся в зачаточном состоянии, поэтому многие биоэтические вопросы остаются в области чистой спекуляции. Но уже существуют некоторые решения вопросов о злоупотреблении технологией, которыми стоит воспользоваться уже сейчас. Так, например, контролируемая прозрачность в использовании самой технологии бы могла позволить предотвратить возможный обман или злоупотребление. Также можно постараться превентивно разработать стратегии борьбы с социальным расслоением (хотя, конечно, это очень многогранная проблема), которые только усугубятся использованием ИМК.

Технологическое развитие же, например, роботов-хирургов помогло бы снизить стоимость возможной установки ИМК и сделать сам процесс более физически безопасным и контролируемым. Среди возможных законов — появление ограничений в сфере маркетинга и передачи персональных данных, а также обеспечения анонимности, что только бы помогло в увеличении доверия к изобретению. Скорее всего, вопрос автономности и индивидуальности встанет особенно остро, имея новую перспективу, вызванную прогрессом в понимании мышления, поэтому подобное стоит также подвести под соответствующую юридическую базу.

Заключение

Некоторые технологические и биоэтические явления были давно предсказаны в различных научно-фантастических произведениях, что помогает разработать их примерное строение, проблематику и свод правил по их использованию и изготовлению до их официального введения.

Тем не менее, из-за фантастически-необоснованных примеров можно быстро скатиться к созданию ложных ожиданий. Но вместе с этим, именно благодаря подобным фикшн-мирам мы можем погрузиться в невероятные миры, невероятность которых ограничивается лишь фантазией их автора.

Нам же остается только верить в силу человеческого воображения, способного к подобному далекому прогнозированию и, конечно, продолжать мечтать.

Литература

1. Cross T. (2017). The novelist who inspired Elon Musk. 1843 Magazine;
2. Banks I.M. (1994). A Few Notes On The Culture. Vavatch Orbital;
3. Нейротехнологии Илона Маска;
4. Davide Valeriani, Francesca Santoro, Marcello Ienca. (2022). The present and future of neural interfaces. Front. Neurorobot. 16;
5. «Википедия»: Нейрокомпьютерный интерфейс;
6. Akram Jassim Jawad. (2022). Bioethics of Brain Computer Interfaces. Bioethical Issues in Healthcare;
7. Michael L Martini, Eric Karl Oermann, Nicholas L Opie, Fedor Panov, Thomas Oxley, Kurt Yaeger. (2020). Sensor Modalities for Brain-Computer Interface Technology: A Comprehensive Literature Review. Neurosurg. 86, E108-E117;
8. Yijun Wang, Tzyy-Ping Jung. (2011). A Collaborative Brain-Computer Interface for Improving Human Performance. PLoS ONE. 6, e20422;
9. «Википедия»: Экзокортекс;
10. Нейроинтерфейсы: как наука ставит людей на ноги;
11. «Википедия»: Призрак в доспехах;
12. Person L. (1998). Notes Toward a Postcyberpunk Manifesto. The Cyberpunk Project;
13. Tye M. (2021). Qualia. The Stanford Encyclopedia of Philosophy (Fall 2021 ed.);
14. Cyberbrain. (2022). Ghost in the Shell Wiki;
15. Weinan Sun, Madhu Advani, Nelson Spruston, Andrew Saxe, James E. Fitzgerald. (2023). Organizing memories for generalization in complementary learning systems. Nat Neurosci. 26, 1438-1448;
16. Jerry Tang, Amanda LeBel, Shailee Jain, Alexander G. Huth Semantic reconstruction of continuous language from non-invasive brain recordings — Cold Spring Harbor Laboratory;
17. Тарасов Д. (2020). Нейросетевые языковые модели как многоцелевой медицинский ИИ. Habr;
18. fNIRS (functional Near-Infrared Spectroscopy) Функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия. (2023). «Нейроиконика»;
19. David A. Moses, Matthew K. Leonard, Joseph G. Makin, Edward F. Chang. (2019). Real-time decoding of question-and-answer speech dialogue using human cortical activity. Nat Commun. 10;
20. «Википедия»: Электрокортикография;
21. Francis R. Willett, Erin M. Kunz, Chaofei Fan, Donald T. Avansino, Guy H. Wilson, et. al. A high-performance speech neuroprosthesis — Cold Spring Harbor Laboratory;
22. MindBeagle. (2023). g.tec;
23. Nensi Murovec, Alexander Heilinger, Ren Xu, Rupert Ortner, Rossella Spataro, et. al. (2020). Effects of a Vibro-Tactile P300 Based Brain-Computer Interface on the Coma Recovery Scale-Revised in Patients With Disorders of Consciousness. Front. Neurosci. 14;
24. Neuralink’s First-in-Human Clinical Trial is Open for Recruitment. (2023). Neuralink;
25. Pager Plays MindPong. (2021). Neuralink;
26. Methods, Compositions, and Systems for Device Implantation. (2018). Google Patents;
27. Российские ученые разработали мягкий нейроимплант спинного мозга. (2022). Университет Сириус;
28. Padinhare Cholakkal Harikesh, Chi-Yuan Yang, Deyu Tu, Jennifer Y. Gerasimov, Abdul Manan Dar, et. al. (2022). Organic electrochemical neurons and synapses with ion mediated spiking. Nat Commun. 13;
29. Nicholas S. Fitz, Roland Nadler, Praveena Manogaran, Eugene W. J. Chong, Peter B. Reiner. (2014). Public Attitudes Toward Cognitive Enhancement. Neuroethics. 7, 173-188;
30. Alexander Nill, Robert J. Aalberts. (2014). Legal and Ethical Challenges of Online Behavioral Targeting in Advertising. Journal of Current Issues & Research in Advertising. 35, 126-146;
31. Eran Klein, Sara Goering, Josh Gagne, Conor V. Shea, Rachel Franklin, et. al. (2016). Brain-computer interface-based control of closed-loop brain stimulation: attitudes and ethical considerations. Brain-Computer Interfaces. 3, 140-148;
32. S. Matthew Liao, Anders Sandberg. (2008). The Normativity of Memory Modification. Neuroethics. 1, 85-99.