В Киров прибыл с визитом Максим Шараев, молодой учёный-биофизик. В рамках открытия нового сезона проекта «Лекции в Политехническом» он выступил перед жителями города с лекцией «Нейротехнологии: от биомедицины до персонализированного образования и киберспорта».
Во время лекции он рассказал нейротехнологиях - то есть технологиях, которые позволяют применять науку для исследования работы мозга и всего, что с этим связано. Трудно поверить, но уже сегодня человечеству доступны такие возможности, которые ещё недавно были бы уместны только в фантастических фильмах.
Максим Шараев - кандидат физико-математических наук, руководитель лаборатории и направления Нейронет Сколковского института наук и технологий (Сколтех), эксперт в области когнитивных технологий и нейроинтерфейсов, автор ряда исследований в области нейровизуализации, нейрообразования, нейротехнологий в киберспорте. Как рассказал сам Максим, он не так давно работает в Сколтехе.
«Научная группа, в которую я вхожу, занимается очень разными проектами, которые связаны с данными, с вычислениями, и моя часть - это одно из направлений. Люди занимаются расчётами аэродинамических характеристик самолетов, есть команда, которая разрабатывает характеристики машин для «Формулы 1», есть проекты, связанные с финтехом, совместные проекты с Газпромом и многое другое».
Что такое нейротехнолгии?
Термин «нейротехнологии», или нейрокогнитивные технологии, состоит из трёх терминов. Cognition - акт познания, ментальной деятельности. «Нейро» означает связь с нервной системой человека, а технологии - соответственно, как что-то сделать, то есть как применить научное знание для решения каких-либо задач. Это не наука, оторванная от производства, а знания, которые можно реализовать на практике. Конечной целью любого нашего исследования является продукт. Работа с познавательной деятельностью человека помогает разрабатывать ассистирующие системы, которые могут понять действие человека и его воспроизвести.
Все знают, что такое электроэнцефалограмма (ЭЭГ), магнитно-резонансная терапия (МРТ), и сейчас появилась технология ТМС - транскарниальная магнитная стимуляция, воздействие на мозг короткими магнитными импульсами. Можно воздействовать на отдельные участки коры мозга и проверять, что произойдёт - человек будет двигать пальцем, или, если воздействовать на речевой центр, человек не сможет говорить.
Что сейчас уже возможно в мире?
Одна из самых интересных вещей - интерфейс взаимодействия с компьютером, который помогает видеть слепым людям, если у них проблемы с сетчаткой. Можно поставить сенсор, который передаст возбуждение на кору мозга, и человек будет видеть. Конечно, речь не идёт о цветной картинке. Сейчас возможно поле из клеточек 8х8, своеобразный чёрно-белый мир, но это хотя бы что-то для тех, кто не видит ничего. Развиваются также проекты для парализованных людей, у которых мозг напрямую связан с мышцами, а не через спинной мозг, если человек травмирован.
Проиллюстрирую одним экспериментом, который показывает, что сейчас возможно, но насколько это сложно. Эксперимент был проведён в Университете Кливленда в США в 2015 году. В качестве испытуемого в нём поучаствовал человек, который был парализован после аварии, ниже плеч не мог двигаться. В его мозг вживили электроды, которые поступали на считывающее устройство, своего рода «виртуальную руку». И 4 месяца он упорно тренировался сгибать руку, напрягать, распрямлять, тренировался на этой виртуальной руке, чтобы система поняла, как он формирует задачи. И когда он научился управлять виртуальной рукой, ему в мышцы были также имплантированы электроды, и после этого он тренировался ещё 45 недель по 8 часов в день. И на 463 день тренировок он мог двигать рукой назад и вперёд, и из 12 попыток поднести чашку кофе ко рту он выполнил 11. По сравнению с тем, что он не мог вообще ничего, это звучит очень обнадеживающе. Но чтобы восстановить минимальную функциональность, необходим был огромный пласт работы. Это очень тяжело, долго, дорого, и успешность на нынешнем уровне - пока только базовые движения.
Есть также возможности для нейрохирургии. Нейротехнологии позволяют до операции локализовать источник, который нужно удалить, например, опухоль. Хирурги до операции получают точную трехмерную модель мозга, на которой видны проблемные зоны. Разрабатывается также мониторниг состояний - системы, которые не позволяют водителям засыпать за рулем, следят за психофизилогическими параметрами.
Что разрабатывается в Сколтехе?
Большая часть наших разработок сосредоточена в медицине. Если мы получаем изображение мозга, мы можем попытаться диагностировать различные неврологические заболевания - инсульт, эпилепсию. Также диагностика затрагивает психические заболевания, но это сложнее. Мы можем помочь выбрать терапию и составить прогноз лечения, можем во время хирургической операции помогать врачу в режиме реального времени - какое действие совершить, какую часть мозга стоит удалить и так далее.
Первый пример - диагностика эпилепсии. Сегодня существует проект по поиску аномалий в мозге, где развивается эпилептогенная активность. Медицинские центры предоставляют нам снимки моделей мозга, на которых указаны настоящие подтвержденные области эпилептогенной активности, и с помощью обучения в 80% случаев машины могут угадывать такие места на снимках впоследствии. Это неоценимая помощь, потому что врачи даже очень высокой квалификации тратят очень много времени на нахождение таких мест. Особенно это будет актуально в регионах, где меньше врачей с высокой квалификацией.
Также мы работаем с диагностикой депрессии. Здесь нужно найти не какую-то конкретную зону, ответственную за заболевание, а в целом сказать, насколько мозг по своей функциональной активности похож на мозг человека с депрессией. Для этого у нас применяются графовые метрики связанности между активностью разных областей мозга, и они часто являются хорошим маркером для выявления разных видов депрессии. На недавнем исследовании мы добились точности чуть меньше 80%, то есть в 4 из 5 случаях мы угадываем наличие депрессии при помощи этих метрик.
Ещё один интересный наш проект - навигация для нейрохирургии. Хирургу очень важно знать, какие участки мозга можно удалять, а какие нет, и если операция проходит рядом с какими-то важными зонами, мы можем построить карту мозга и нанести на неё распределение этих функциональных зон и показать врачу, что можно делать, а что нельзя. Подтверждением того, что мы правильно указали зону, является стимуляция. Хирург стимулирует определённую зону коры мозга, и у человека пропадает какое-либо ощущение или возможность - например, возможность говорить. В мозге нет болевых рецепторов, и стимуляцию проводят, когда человек в сознании. Прямо во время операции человека будят и спрашивают, что он чувствует при стимуляции той или иной зоны. Я был на такой операции, и для человека неподготовленного это, конечно, выглядит дико.
Нейротехнологии используются также в связке с киберспортом
Наблюдая за группой спортсменов, мы исследуем, меняются параметры спортсмена во врем игры. Для нас представляет интерес команда киберспорстмена как источник данных. Во время игры у них можно измерять эмоции, движение тела и глаз, смотреть, как человек себя ведёт и что делает в игре, измерять его пульс. Основная идея в том, что данные хорошо размечены, так как мы знаем, что происходило в игре, когда было зафиксировано то или иное изменение. Обычно в нейроэкспериментах эмоции навязывают человеку, а здесь всё естественно. Затем эти данные анализирются. Таким образом мы можем замерять, насколько быстро человек реагирует на события, как он ведёт себя, когда возбуждён или устаёт. На основе полученных данных мы разрабатываем рекомендательные системы для мониторинга операторов авиарейсов или водителей. Если водитель устал, в его мозгу происходят такие же процессы, как у уставшего киберспортсмена. Таким образом можно предотвратить, например, аварию.
Будущее нейроинтерфейсов
Конечно, сейчас все эти системы ещё не совершенны. В ближайших планах - добавить обратную связь, чтобы было легче обучаться, определить, насколько инвазивным должен быть интерфейс. То есть нужно понять, будем ли мы вживлять электроды прямо в мозг, или можно будет работать на поверхности. Кроме того, необходимо понять, насколько адаптивные системы будут являться интерфейсом, например, медицинские системы, которые помогают ставить диагнозы.