Чтение онлайн

Они могли достичь цели только с помощью совершенно иной стратегии: для выполнения поставленной задачи они должны были в буквальном смысле использовать электрическую активность их коллективного мозга.

Решение этой задачи стало возможным благодаря тому, что за несколько предшествовавших недель эти участники научились взаимодействовать с новым типом интерфейса «мозг-машина», созданным в нашей лаборатории именно для этого эксперимента. Однако эксперимент, который мы собирались провести в тот день, включал в себя важное новшество по сравнению с ныне уже классическим вариантом. Исходный интерфейс «мозг-машина» позволял каждому участнику с помощью разнообразных сигналов с обратной связью научиться контролировать движения одного искусственного устройства, используя только лишь электрическую активность собственного мозга. На протяжении нескольких лет эти трое работали с разными интерфейсами «мозг-машина», созданными в нашей лаборатории. На самом деле каждый из них мог бы считаться мировым экспертом по работе с такими устройствами; вообще говоря, они поучаствовали в таком количестве исследований на эту тему, какого было бы достаточно для создания внушительного списка научных публикаций в данной области. Но в тот день они впервые пробовали манипулировать интерфейсом между совмещенным мозгом и машиной, поскольку три отдельных мозга были присоединены к компьютеру, так что они могли двигать виртуальной рукой совместными усилиями.

За годы до этого дня я назвал такой обобщенный интерфейс «мозг-машина» мозгосетью. Я разрабатывал эту концепцию в рамках теоретической работы, предполагая, что для ее проверки в реальном эксперименте понадобится много лет. Однако, как это часто бывает в экспериментальной науке, вышло так, что несколько неожиданных событий позволили нам в 2013 году довести эту идею до реализации в лаборатории. Первая версия мозгосети была протестирована в экспериментах одного из моих самых замечательных молодых сотрудников – португальского нейробиолога Мигеля Паис-Виейры. В серии революционных исследований Мигель смог показать, что пара крыс, мозги которых были напрямую соединены между собой, могли обмениваться очень простыми бинарными электрическими сообщениями (рис. 7.1). В этих экспериментах одна крыса, которую называли шифратором, осуществляла какое-то действие, например, нажимала на один из двух рычагов, чтобы получить пищевое вознаграждение. При этом в соматосенсорную или моторную кору второй крысы, которую назвали дешифратором, напрямую поступал короткий электрический сигнал, генерированный мозгом шифратора и сообщавший о его действиях. Этот электрический сигнал сообщал крысе-дешифратору, что она должна делать (а именно, имитировать действие крысы-шифратора), чтобы тоже получить вознаграждение. Примерно в 70 % экспериментов так и происходило. Крыса-дешифратор решала, на какой рычаг нажать, на основании электрических инструкций, поступавших из моторной коры другого животного (крысы-шифратора)!

Рис. 7.1. Экспериментальная схема межмозгового интерфейса для передачи сигналов моторной коры. Стрелки указывают направление потока информации от крысы-шифратора к крысе-дешифратору. Pais-Vieira M. et al. A Brain-to-Brain Interface for Real-Time Sharing of Sensorimotor Information. Scientific Reports 3, 2013: 1319.

Чтобы добавить изюминку к этим первым демонстрационным экспериментам по межмозговому общению, Мигель Паис-Виейра провел несколько опытов, в которых крыса-шифратор находилась в лаборатории Института нейробиологии, организованного мной в 2005 году в городе Натал в Бразилии, а крыса-дешифратор оставалась в нашей лаборатории в Университете Дьюка в США. Благодаря интернету взаимодействие между этими двумя грызунами происходило так, словно оба участника находились рядом друг с другом.

К 2014 году я решил проверить еще одну конфигурацию мозгосети – в этот раз с помощью интерфейса между несколькими мозгами и машиной для контроля моторной функции. Руководить этой работой я пригласил блестящего молодого нейробиолога из индийского города Бангалор Аруна Рамакришнана, присоединившегося к моей лаборатории в 2012 году. Договорившись об основных задачах нового эксперимента, мы принялись обсуждать детали ключевых элементов этого первого лабораторного интерфейса между совмещенным мозгом и машиной для контроля моторной функции. Для начала, в отличие от подхода Мигеля Паис-Виейры, использовавшего прямую связь мозг-мозг, мы решили использовать компьютер, который бы объединял электрическую активность, возникающую одновременно в мозге трех отдельных существ. В этом конкретном варианте, названном нами B3– мозгосетью, каждый из трех участников мог использовать электрическую активность собственного мозга для контроля лишь двух из трех измерений, необходимых для правильного перемещения виртуальной руки в виртуальном пространстве. Например, участник 1 мог отвечать за перемещение движимой мозгом виртуальной руки вдоль осей X и Y, участник 2 мог контролировать направления Y и Z, а участник 3 – направления X и Z. Компьютер должен был комбинировать эти мозговые сигналы, чтобы направлять виртуальную руку по всем трем осям одновременно. Это означает, что наша B3– сеть передвигала виртуальную руку в центр сферической мишени только в том случае, когда хотя бы двое из трех участников синхронизировали между собой электрические сигналы моторной коры. Если сигналы не были синхронизированы, рука не двигалась с места. Однако если активность моторной коры была синхронизирована, компьютер генерировал постоянный трехмерный кинематический сигнал, который продвигал руку к цели. И все это должно было происходить при условии, что ни один из трех участников эксперимента не знал о существовании двух других. Для проверки правильности мыслительной работы каждого участника им посылали зрительные сигналы обратной связи, выражавшиеся в перемещении по экрану компьютера в двумерном пространстве виртуальной руки, контролируемой мозгом каждого из них. Наконец, по результатам каждого опыта, если виртуальная рука дотрагивалась до цели быстрее, чем за предопределенный отрезок времени, каждый участник получал награду в виде очень вкусного фруктового сока.

Используя эти простые правила, мы начали основательно тренировать наших трех участников. Они легко преуспели в выполнении индивидуальной работы по контролю перемещений руки в двух измерениях, однако в подавляющем большинстве опытов, хотя они правильно выполняли индивидуальную работу, они совсем не синхронизировались, так что виртуальная рука не совершала нужных перемещений в трехмерном пространстве. И поэтому никто никакого сока не получал. Это было нехорошо – как для участников, так и для нас. Но даже во время этих первых тренировок изредка двое или даже трое участников все же достигали прекрасной синхронизации нейронов моторной коры, так что рука перемещалась и достигала цели.

После трех недель наблюдений за этим динамичным ментальным танцем в погоне за неуловимой временной синхронизацией мозга трех участников мы начали замечать некоторый прогресс. По мере тренировок количество экспериментов, в которых наблюдались краткие периоды синхронизации активности мозга двух или даже трех участников, начало медленно, но верно расти. И каждый раз все три участника испытывали краткое, но сильное чувство победы.

Через три недели после проведения первого эксперимента с B3– сетью мы собрались в лаборатории с каким-то особенным предчувствием. На одиннадцатом испытании, когда все три участника решили наконец действительно выложиться по полной, поначалу все выглядело как обычно (проще говоря, ничего не выходило). И вдруг – успех: все в лаборатории услышали долгожданный металлический звук: согласованное ритмичное биение трех соленоидных клапанов, по одному на комнату, означавшее успех, выразившийся в одновременной выдаче награды всем трем участникам. По мере того как вспышки синхронности соленоидов учащались и становились практически непрерывными, все присутствующие поняли, что происходит нечто грандиозное: моторная кора участников нашей тройной мозговой сети обучилась синхронизироваться и работать в прекрасной временной гармонии. Действительно, к концу того дня почти 80 % попыток трех участников были синхронными. Мозги, находившиеся в разных головах и не имевшие между собой никакой физической связи, теперь составляли единую распределенную органическую вычислительную единицу и использовали ее возможности в качестве цифрового компьютера, смешивая электрические сигналы всего лишь 775 нейронов для расчета моторной программы, способной продвигать к цели виртуальную руку.

Если первая демонстрация интерфейса «мозг-машина» в нашей лаборатории двадцатью годами ранее вызвала интерес и послужила началом серьезных современных исследований в области интерфейса «мозг-машина», к чему же могла привести первая демонстрация синхронизации электрической активности мозга нескольких индивидуумов для решения общей двигательной задачи? Мы тогда не могли себе и представить. Больше всего мы тогда жаждали скорее погрузиться в терабайты накопленных за три недели данных и посмотреть, что же происходило в то время, пока три участника обучались мысленно кооперироваться для совершения согласованного действия. Однако к моменту окончания этого анализа разнообразные поведенческие и нейрофизиологические данные пролили свет на то, что происходило за те одиннадцать дней, на протяжении которых функционировала наша B3– сеть. Во-первых, мы подтвердили, что в целом эффективность работы B3– сети выросла с 20 (день 1) до 78 % (день 11). Как было предсказано с самого начала, максимальная эффективность достигалась тогда, когда все три участника включались в работу полностью и правильно синхронизировали активность коры (рис. 7.2). Проанализировав одновременные записи активности коры мозга трех участников, задействованных в B3– сети (а также некоторые данные, полученные в системе из двух мозгов в B2– сети), мы обнаружили, что успешность эксперимента в значительной степени коррелировала с высокой степенью синхронизации активности коры трех участников: иными словами, группы нейронов коры в одном мозге начинали производить электрические импульсы в тот же момент, что и кластеры нейронов коры в двух других мозгах.

Рис. 7.2. Разные конфигурации мозгосетей обезьян. A: Организация мозгосети обезьян для решения общей двигательной задачи. Обезьян размещали в разных комнатах. Каждая находилась перед экраном компьютера с изображением виртуальной руки. Поведенческая задача заключалась в том, чтобы с помощью трехмерных перемещений виртуальной руки добраться до виртуальной цели на экране. Трехмерные перемещения виртуальной руки достигались благодаря сочетанию одновременной кортикальной электрической активности в мозге нескольких обезьян, объединенных в мозгосеть. B: Пример общей двигательной задачи, в которой вклад каждой из двух обезьян в перемещение виртуальной руки (X, Y) составлял 50 %. Под диаграммой показана кортикальная локализация имплантированных микроэлектродов. C: Распределенная задача, в которой одна обезьяна контролировала X-координату движения виртуальной руки, а другая – Y-координату. D: Подробная схема задачи с мозгосетью с участием трех обезьян. Каждая обезьяна решала двумерную задачу, а все три вместе контролировали трехмерное перемещение виртуальной руки. Ramakrishnan A. et al. Computing Arm Movements with a Monkey Brainet. Scientific Reports 5, July 2015: 10767.

Наше внимание привлекли и некоторые другие результаты. Например, когда один из участников эксперимента снижал эффективность работы и на время выходил из игры, двое оставшихся вполне компенсировали временную потерю мощности мозгосети. Они просто повышали частоту возбуждения нейронов собственной моторной коры, увеличивали уровень синхронизации и доставляли виртуальную руку к цели, как и требовалось, без участия третьего члена мозгосети. Поскольку решивший передохнуть лентяй не получал сок, его участие в игре не вознаграждалось, что стимулировало его как можно скорее вернуться к работе.

После многолетнего ожидания начала экспериментальной работы я едва удерживался от того, чтобы не кинуться к моим участникам с поздравлениями: в конце концов, мы только что впервые успешно продемонстрировали в действии разработанный в лаборатории сетевой интерфейс «мозг-машина». К сожалению, ничего, кроме невнятного мычания и повизгиваний, из наших участников извлечь было невозможно. Не потому, что они скромничали, вовсе нет, а по той причине, что были отделены от нас 25 миллионами лет эволюции и их мозг функционировал на другой волне. Видите ли, Манго, Шерри и Офелия – три великолепные макаки-резусы. Их мозг никак не мог синхронизироваться в ответ на человеческую речь и жест «дай пять»!

После первых успехов в экспериментах с мозгосетями у нас не было пути назад. В следующем варианте в рамках того же подхода мы назвали наших обезьян просто Пассажиром и Наблюдателем. В лабораторном помещении размером 10x10 футов, которое служило площадкой для их мысленных игр, они быстро выучили свои роли: Пассажир использовал электрическую активность своего мозга для передвижения адаптированного электронного инвалидного кресла (или ехал на нем, управляя компьютером, контролирующим кресло), чтобы добраться до вожделенного винограда, а Наблюдатель сидел в своем кресле и следил за этим своеобразным упражнением по вождению, выполнявшимся у него перед глазами. Хотя роль Наблюдателя может показаться незначительной ролью для лентяя, она предполагала ощутимый бонус: если Пассажир добирался до винограда до истечения отпущенного времени, Наблюдатель также вознаграждался небольшой порцией его любимого фруктового сока. Важно отметить, что на протяжении двадцати лет мы имели возможность проводить в нашей лаборатории этот эксперимент благодаря тому, что Гари Лехью, которого прозвали волшебником, переделал пару старых инвалидных кресел с электроприводом таким образом, чтобы ими можно было управлять и перемещать их за счет одной лишь электрической активности мозга.