Эксцентричный в хорошем смысле этого слова предприниматель, плейбой, филантроп Илон Маск известен всему миру. Это он решил вывести человечество в космос, колонизировать Марс, отказаться от одноразовых ракет. Это он решил сделать мир чище, пересадив нас с автомобилей с ДВС на самоуправляемые автомобили. Пока разворачиваются эти предприятия, он не сидит сложа руки. Он задумал Neuralink, который поможет нам стать новыми людьми. Без границ и без слабостей, как и положено в новом мире Илона Маска.

Документировать сумасшедшие идеи Маска, как и всегда, вызвался Тим Урбан с WaitButWhy (он писал про искусственный интеллект, колонизацию Марса и SpaceX). Представляем одно из лучших произведений современной научно-популярной журналистики. Далее от первого лица.

Часть первая: Колосс Человеческий

В прошлом месяце у меня был телефонный разговор.

Ладно, может быть, все было не так и слова были не совсем такими. Но после того, как я узнал, что за новую компанию решил создать Илон Маск, я начал понимать, что задуманное им можно назвать и так.

Когда я писал о Tesla и SpaceX, я выяснил, что полностью понять деятельность некоторых компаний можно лишь приближая и отдаляя, изнутри и снаружи. Изнутри — технические проблемы, с которыми сталкиваются инженеры, снаружи — экзистенциальные проблемы, с которыми сталкивается наш вид. Изнутри — чтобы увидеть мир, каким он есть сейчас, снаружи — чтобы увидеть большую историю того, как мы дошли до этого момента и каким может быть далекое будущее.

Новое предприятие Илона — Neuralink — не только то же самое, спустя шесть недель после первого знакомства с компанией я убежден, что ей каким-то образом удается затмить Tesla и SpaceX как в смелости инженерных начинаний, так и в величии ее миссии. Две другие компании стремятся переопределить, что будут делать люди будущего. Neuralink стремится переопределить, кем будут люди будущего.

Головокружительный размах миссии Neuralink в сочетании с лабиринтом невероятной сложности человеческого мозга очень трудно осмыслить. Но когда я осмыслил это, когда провел достаточно времени, приближая и отдаляя картинку, я понял, что это самое крутое, что я видел. Мне кажется, я взял машину времени, отправился в будущее и вернулся, чтобы сказать вам: ребята, все это еще страннее, чем мы думали.

Но прежде, чем я возьму вас в свою машину времени, чтобы показать, что нашел, нам нужно сесть в увеличительную машину. Потому что, насколько я понял, план на «шапочку из фольги», или шляпу волшебника, Илона Маска сложно понять сходу.

Поэтому приготовьтесь забыть все, что ваш мозг знает о себе и своем будущем, падайте на диванчик и погнали в червоточину.

600 миллионов лет назад никто ничего не делал вообще.

Как появился мозг

Проблема в том, что ни у кого не было никаких нервов. Без нервов нельзя двигаться или думать, обрабатывать всевозможную информацию. Остается просто немножко существовать и ждать, пока не умрешь.

Но затем появились медузы. Эти медузы стали первыми животными, которые поняли, что нервы были необходимы, чтобы понять, что они есть, и обзавелись первой нервной системой — сетью нервов.

Возможность получать и обрабатывать информацию означала, что медузы на самом деле могли реагировать на изменения в своей окружающей среде, чтобы повысить шансы на качественную жизнь, а не бесцельно бултыхаться в надежде на лучшее.

Чуть позже появилось новое животное, у которого была еще более крутая идея.

Плоский червь выяснил, что можно было бы сделать намного больше, если бы кто-то в нервной системе отвечал за всё — как босс нервной системы. Этот босс жил в голове плоского червя и заправлял всей нервной системой тела, чтобы она передавала всю новую информацию напрямую ему. Поэтому вместо того, чтобы организовать себя в форму сети, нервная система плоского червя сгрудилась в виде центрального канала нервов, которые посылали информацию туда и обратно между боссом и всем остальным.

Идею босса в нервной системе быстро подхватили все остальные, и вскоре на Земле появились тысячи видов с мозгами. Шло время, и животные Земли начали изобретать сложные и новые системы тела, поэтому боссы становились все более занятыми.

Немногим позже прибыли млекопитающие. Для этих миллениалов царства животных жизнь была уже сложной. Да, их сердца должны были биться, а легкие дышать, но млекопитающие хотели большего, чем просто выживать — они обзавелись сложными чувствами, такими как любовь, гнев и страх.

Для мозга рептилий, которому до сих пор приходилось иметь дело только с рептилиями и другими существами попроще, млекопитающие были просто… чем-то большим. Поэтому у млекопитающих появилось второй босс, который начал работать в паре с мозгом рептилий и позаботился обо всех этих новых потребностях. Так появилась первая в мире лимбическая система.

На протяжении следующих 100 миллионов лет жизнь млекопитающих становилась все более сложной и насыщенной, и в один прекрасный день два босса обнаружили нового жителя в своем кабинете.

То, что поначалу казалось случайным младенцем, на самом деле было ранней версией неокортекса, и хотя поначалу он говорил очень мало, вместе с появлением приматов, а затем больших обезьян и первых гоминид, этот новый босс вырос из младенца в отрока, а потом и подростка со своим представлением о том, как все должно работать.

В течение следующих нескольких миллионов лет новый босс становился старше и мудрее, и его идеи постоянно улучшались. Он понял, как избавиться от наготы. Он понял, как управлять огнем. Он научился делать копья.

Но самым крутым его трюком было мышление. Он превратил голову каждого человека в маленький мир-в-себе, сделав людей первыми животными, которые могут осмысливать сложные мысли, рассуждать и приходить к решениям, строить долгосрочные планы.

И тогда, где-то 100 000 лет назад, случился прорыв.

Как появился язык

Человеческий мозг развился до точки, когда начал понимать, что звук «камень» не был камнем сам по себе, а его можно было использовать как символ камня — под этим звуком стал подразумеваться камень. Первый человек изобрел язык.

Очень скоро появились слова для всевозможных вещей, и к 50 000 году до нашей эры люди уже общались на полноценном, сложном языке друг с другом.

Неокортекс превратил людей в магов. Мало того, что он сделал человеческую голову чудесным внутренним океаном комплексных мыслей, его последний прорыв нашел способ воплощать эти мысли в символический набор звуков и посылать их вибрировать по воздуху в головы других людей, которые могли расшифровать эти звуки и впитать облеченные в них идеи в собственный океан мыслей. Неокортекс человека размышлял о вещах долгое время — и теперь, наконец, ему было с кем их обсудить.

Собралась вечеринка неокортексов. Неокортексы — хорошо, пока еще неокорточки — делились друг с другом всем, чем только можно: рассказами из прошлого, смешными шутками, сформированными мнениями, планами на будущее.

Но самым полезным было делиться всем, что узнал. Если один человек научился методом проб и ошибок, что ягоды определенного вида превращают жизнь на 48 часов в сплошной понос, он мог бы при помощи языка рассказать о своем трудном уроке жизни остальной части своего племени. Члены племени могут использовать язык, чтобы передать этот урок своим детям, а их дети — своим детям. Вместо того чтобы разные люди повторяли одну и ту же ошибку из раза в раз, один из них может сказать «не ешьте этих ягод», и его мудрость будет пронзать пространство и время, защищая всех от плохих переживаний.

То же самое произойдет, когда один человек придумает какой-нибудь новый хитрый трюк. Один необычайно умный охотник, любитель понаблюдать за созвездиями звезд и ежегодными схемами миграции стад диких животных, мог бы поделиться разработанной им системой, которая использует ночное небо, чтобы точно определить, сколько дней осталось до возвращения стада. И хотя некоторые охотники могли бы прийти к созданию такой системы самостоятельно, если передавать ее из уст в уста, все будущие охотники в племени смогут воспользоваться гениальной находкой своего предка. И в будущем это открытие станет первой отправной точкой в своде знаний охотника.

Допустим, это распространение знаний сделает охотничий сезон более эффективным и даст членам племени больше времени для работы над своим оружием, что позволит одному гениальному охотнику через несколько поколений найти способ создания более легких и прочных копий, которые можно бросать более точно. И точно так же отныне каждый охотник будущего и настоящего в племени будет охотиться с более эффективным копьем.

Язык позволяет лучшим прозрениям самых умных людей передаваться через поколения, накапливаясь в маленькую коллективную башенку знаний племени — «величайших хитов» среди лучших моментов озарения их предков. Каждое новое поколение получит эту башенку выстроенной в своих головах как отправную точку для жизни, и она приведет их к еще более крутым открытиям, основанным на знаниях предков. Мудрость племени будет расти и шириться. Язык это разница между этим:

Основное улучшение траектории происходит по двум причинам. Каждое поколение может узнать гораздо больше нового, когда все говорят друг с другом, сравнивают заметки и комбинируют свои индивидуальные знания (поэтому на втором графике синие столбики намного выше). И каждое поколение может успешно передавать высокий процент своих знаний следующему поколению, поэтому знания лучше сохраняются со временем.

Разделенное знание становится похожим на великое, коллективное сотрудничество между поколениями. Через сотни поколений, что начиналось с профессионального совета касательно определенной ягоды и как ее лучше избегать, станет сложной системой взращивания длинных рядов с кустами приятных для желудка ягод и ежегодного их сбора. Первоначальный проблеск гениальности относительно миграции диких животных превратится в систему выращивания домашних овец. Инновация с копьем пройдет через сотни изменений за десятки тысяч лет и станет луком и стрелой.

Язык дает группе людей коллективный разум, намного превышающий индивидуальный человеческий интеллект и позволяет каждому человеку извлекать выгоду из коллективного разума, как если бы он сам все это придумал. Мы считаем лук и стрелу примитивной технологий, но если вырастить Эйнштейна в лесу без каких-либо знаний и приказать ему сделать лучшее устройство для охоты, которое он сможет сделать, он даже и близко не предоставит вам лук и стрелу. Только коллективное человеческое движение может справиться с этим.

Возможность говорить друг с другом также позволила людям создавать сложные социальные структуры, которые наряду с передовыми технологиями, такими как фермерство и одомашнивание животных, со временем привела к тому, что племена начали селиться в постоянных местах и сливаться в организованные суперплемена. Когда это произошло, башня накопленных знаний каждого племени превратилась в супербашню. Массовая кооперация повысила качество жизни для всех, и к 10 000 году до нашей эры сформировались первые города.

Согласно Википедии, существует так называемый закон Меткалфа, по которому «ценность телекоммуникационной сети пропорциональна квадрату количества подключенных к системе пользователей». И проиллюстрирован он этой маленькой диаграммой старых телефонов.

И та же идея применима к людям. Два человека могут вести одну беседу. Три человека могут создать четыре уникальных беседующих группы. Пять человек — 26 бесед. Двадцать человек — 1 048 554.

Таким образом, члены города не только извлекают выгоду из огромной башни знаний в качестве основания, но исходя из закона Меткалфа, число возможных бесед взлетает до беспрецедентного количества разнообразия. Больше разговоров означало появление новых идей, которые сталкиваются между собой, новых открытий и взлета инноваций.

Появление письменности

Вскоре люди овладели сельским хозяйством, оно освободило многих людей, и те задумались о других занятиях. После этого произошел еще один гигантский прорыв: письмо.

Историки считают, что люди начали записывать всякие вещи примерно 5-6 тысяч лет назад. До этого момента коллективная башня знаний хранилась только в сети воспоминаний людей и передавалась исключительно из уст в уста. Эта система работала в небольших племенах, но когда появился гораздо больший объем знаний, которые разделяли между собой большие группы людей, одни только воспоминания не могли все это поддержать, и большая их часть исчезала.

Если язык позволяет людям посылать мысли из одного мозга в другой, письменность позволяет им помещать мысли на физические объекты, такие как камень, где те могут жить вечно. Когда люди начали писать на тонких листах пергамента или бумаги, огромные области знаний, которые потребовали бы недели для передачи из уст в уста, можно было сжать в книгу или свиток и взять в руку. Башня коллективного знания людей теперь жила в физической форме, аккуратно организованная на полках городских библиотек и университетов.

Эти полки стали великой инструкцией человечества для всего. Они провели человечество к новым изобретениям и открытиям, и те, в свою очередь, обернулись новыми книгами на полках, будто великая инструкция дописывала сама себя. Это руководство научило нас сложностям торговли и валюты, судостроения и архитектуры, медицины и астрономии. Каждое поколение начинало жизнь с более высоких лесов знаний и технологий, чем предыдущее, и прогресс продолжал разгоняться.

Но кропотливо написанные книги считались сокровищами и доступ к ним был только у высоких элит (в середине 15 века во всей Европе было всего 30 000 книг). И тогда случился еще один прорыв: печатный станок.

В 15 веке бородатый Иоганн Гутенберг придумал способ создавать множество идентичных копий одной книги, быстрее и дешевле, чем когда-либо. (Или, если точнее, когда Гутенберг родился, человечество уже выяснило первые 95% того, как изобрести печатный станок, а Гутенберг, с этим знанием в начальной точке, изобрел последние 5%). (И еще Гутенберг не изобретал печатный станок, китайцы сделали его за несколько столетий раньше. Хорошее подтверждение тому, что все, что обычно считается произведенным где-то не в Китае, вероятнее всего было изобретено в Китае). Вот как он работал.

Не самое впечатляющее отступление на тему Гутенберга

Чтобы подготовиться к этому отступлению, я нашел видео, объясняющее, как работает станок Гутенберга, и был удивлен, что меня не впечатлило. Я всегда считал, что Гутенберг создал какую-то гениальную машину, но оказалось, что он просто сделал кучу печатей с буквами и знаками пунктуации и вручную расположил их на странице книги, затем наложил на них чернила и нажал листом бумаги на эти буквы. Это была одна страница книги. Пока все буквы у него были расположены для этой страницы, он делал несколько копий. Затем он вручную целую вечность перекладывал печати на следующую страницу и делал новую кучу копий. Его первый проект состоял из 180 экземпляров Библии, на создание которых у него и у его работников ушло два года.





И в этом заслуга Гутенберга? В кучке штампов? Мне кажется, я мог бы дойти до этого и своим умом. Не совсем понятно, почему человечеству потребовалось 5000 лет, чтобы понять, как создавать наборы ручных печатей. Думаю, дело не в том, что я не впечатлен Гутенбергом — я нейтрален в отношении Гутенберга, он в порядке — я просто не впечатлен всеми остальными.

В любом случае, каким бы разочарованием ни был станок Гутенберга, он осуществил огромный прорыв для способности человечества распространять информацию. В течение следующих столетий технология печати быстро улучшалась, и число страниц, которые машина могла напечатать за час, составляло около 25 во времена Гутенберга, но к началу 19 века — уже 2400.

Массовое производство книг позволило информации распространяться подобно лесному пожару, а поскольку книги становились все более доступными, они переставали быть привилегией элиты — миллионы получили доступ к книгам, а уровень грамотности взлетел вверх. Мысли одного человека могли достичь миллионов человек. Началась эпоха массовой коммуникации.

Лавина книг позволила знаниям выйти за границы, поскольку региональные башни знаний в мире, наконец, слились в одну широко распространенную в масштабах вида башню, которая пронзила даже стратосферу.

Чем лучше мы способны общаться в массовом масштабе, тем больше наш вид функционирует как единый организм, с башней коллективных знаний человечеств в виде мозга, и каждым отдельным мозгом человека — в виде нерва или мышечного волокна в теле. С эпохой массовой коммуникации начал расти коллективный человеческий организм — Колосс Человеческий.

Коллективное знание

Разместив все коллективные знания человека в мозгу, Колосс Человеческий начал изобретать вещи, которые ни один человек не смог бы изобрести самостоятельно — вещи, которые показались бы абсурдной научной фантастикой людям за несколько поколений до этого.

Все это превратило наши воловьи повозки в скоростные локомотивы, а наших лошадей в блестящие металлические автомобили. Это превратило наши свечи в лампочки и письма в телефонные звонки, а фабричных рабочих — в фабричные машины. Отправило нас в небеса и космос. Заставило нас пересмотреть значение «массовой коммуникации», дав нам радио и телевидение, открыв мир, когда каждый может мгновенно достать до миллиарда человек.

Если основной мотивацией человека является передача генов, которая заставляет вид развиваться и размножаться, сила макроэкономики сделала основой мотивации Колосса Человеческого создавать ценность, а значит — изобретать новые и лучшие технологии. Всякий раз, когда это происходит, новые вещи удается изобретать все больше и все лучше.

И примерно в середине 20 века Колосс Человеческий начал работать над своим самым амбициозным проектом.

Колосс давно понял, что лучший способ создать ценность — это создать машины, создающие ценность. Машины лучше людей делают многие вещи, генерируя поток новых ресурсов, которые можно направить на создание ценности. Возможно, что еще более важно, машинный труд освободил огромные порции времени и энергии людей — то есть порции самого Колосса — чтобы те можно было отвести инновациям. Он уже передал на аутсорсинг работу наших рук машинам на фабриках и работу наших ног — машинам для езды. То же самое нужно проделать и с силой нашего мозга — что, если каким-то образом отдать на аутсорсинг работу самого мозга?

Когда появился компьютер

Первые цифровые компьютеры появились в 1940-х годах.

Одним из видов компьютеров для умственного труда была работа по хранению информации — они были запоминающими машинами. Но мы уже и так знали, как передавать наши воспоминания с помощью книг, равно как и что лучше использовать автомобили для передвижения, чем лошадей и собственные ноги. Компьютеры просто стали аутсорсинговым апгрейдом памяти.

Обработка информации была совершенно другой историей — типом умственного труда, который мы так и не научились пока проводить чужими силами. Человеческий Колосс всегда производил вычисления самостоятельно. Компьютеры это изменили.

Фабричные машины позволили нам отдать на аутсорсинг физические процессы — мы кладем материал, машины физически его обрабатывают и выплевывают результат. Компьютеры могли сделать то же самое с обработкой информации. Программное обеспечение было как фабричная машина для обработки информации.

Эти новые машины для хранения, организации и обработки информации оказались крайне полезными. Компьютеры стали играть центральную роль в повседневной деятельности компаний и правительств. К концу 1980-х годов среди отдельных людей стало нормой иметь собственного помощника для мозга.

И тогда случился еще один скачок.

Если вам интересны новости науки и технологий, подпишитесь на нас в Google Новостях и Яндекс.Дзен, чтобы не пропускать новые материалы!

Когда появился интернет

В начале 90-х годов мы научили миллионы одиноких машинных мозгов общаться друг с другом. Они образовали всемирную компьютерную сеть, и родился новый гигант — Колосс Компьютерный.

Колосс Компьютерный и великая сеть, которую он сформировал, стал как шпинат моряка Попая для Колосса Человеческого.

Если отдельные человеческие мозги являются нервами и мышечными волокнами, Интернет дал гиганту его первую полноценную нервную систему. Каждый из его узлов был связан со всеми другими узлами, и информация могла проходить через систему со скоростью света. Это сделало Колосс Человеческий более быстрым и гибким мыслителем.

Интернет позволял миллиардам людей мгновенно, свободно и легко получать доступ ко всей башне знаний человечества (которая к нынешнему моменту уже преодолела Луну). Это сделало Колосс Человеческий более умным и быстро обучающимся.

И если отдельные компьютеры служили расширением мозга для отдельных людей, компаний или правительств, Колосс Компьютерный был расширением мозга для всего Колосса Человеческого.

Со своей первой настоящей нервной системой, улучшенным мозгом и новым мощным инструментом, Колосс Человеческий вывел изобретательство на совершенно новый уровень — и подмечая, насколько полезен его новый компьютерный друг, сосредоточил массу усилий на совершенствовании компьютерных технологий.

Он научился делать компьютеры быстрее и дешевле. Интернет стал быстрым и беспроводным. Компьютерные чипы становились все меньше и меньше, пока у каждого в кармане не образовался мощный компьютер.

Каждая инновация походила на новый грузовик шпината для Колосса Человеческого.

Но сегодня Колосс Человеческий положил глаз на нечто большее, чем просто больше шпината. Компьютеры изменили правила игры, позволив человечеству отдать на аутсорс много связанных с мозгом задач и лучше функционировать как отдельный организм. Но есть одна вещь, который рабочие мозговые компьютеры еще не умеют делать. Думать.

Компьютеры могут вычислять, организовывать и запускать сложное программное обеспечение — ПО, которое даже может учиться само по себе. Но они не могут думать так, как могут люди. Колосс Человеческий знает, что все, что он построил, породило его умение рассуждать творчески и независимо, и он знает, что конечным инструментом расширения мозга будет тот, который действительно может по-настоящему, взаправду думать. Он понятия не имеет, что будет, когда Колосс Компьютерный начнется думать самостоятельно — когда однажды он откроет глаза и станет настоящим колоссом — но со своей основной целью — создавать ценность и доводить технологии до предела — Колосс Человеческий вознамерился это выяснить.

* * *

К этому мы еще вернемся. Сначала нам нужно кое-что научиться делать.

Как мы уже обсудили ранее, знание устроено как дерево. Если вы попытаетесь узнать веточку или листочек с темой, прежде чем у вас будет твердое основание в виде ствола дерева — понимание внутри вашей головы, у вас ничего не получится. Ветки и листья не к чему будет крепить, поэтому они просто вывалятся у вас из башки.

Мы определили, что Илон Маск хочет построить волшебную шляпу для мозга (пожалуй, «шапочку из фольги» мы вспоминать не будем — размах не тот), и понять, почему он хочет это сделать, необходимо, чтобы понять Neuralink — и понять, каким может быть наше будущее.

Но ничего из этого не будет иметь большого смысла, пока мы не погрузимся в поистине умопомрачительную концепцию о том, что это за волшебная шляпа, каково будет ее носить и как мы доберемся туда оттуда, где мы сейчас.

Основой для этой дискуссии будет понимание того, что такое нейрокомпьютерные интерфейсы (НКИ, или, как их перестают называть, интерфейс «мозг-машина»), как они работают, и на каком этапе эти технологии развиты сегодня.

Наконец, сами НКИ представляют собой только большую ветвь — но не ствол дерева. Чтобы понять, как работают НКИ на самом деле и что это такое вообще, нам нужно понять мозг. Как работает мозг — это наш ствол дерева.

Поэтому мы начнем с мозга, он подготовит нас к изучению НКИ, они научат нас, как создать волшебную шляпу, и все это плавно перейдет в великолепную беседу о будущем. Зачем Маску волшебная шляпа? Почему она станет важнейшим элементом нашего будущего? К тому времени, как мы дойдем до конца, все встанет на свои места.

Часть вторая: мозг

Теперь давайте зайдем издалека. В биологии есть такой момент — она иногда заставляет задуматься, и мозг тоже порой заставляет по самое не хочу. Первое — это ситуация с матрешкой в вашей голове.

Как устроен мозг

Под вашими волосами кожа, а под ней — вы думали череп? — нет, там 19 пунктов, а потом только череп. Затем идет череп и еще целый букет штучек, которые ждут на пути к мозгу.

Под черепом и над мозгом имеется три мембраны.

Снаружи твердая мозговая оболочка (dura mater по-латыни), прочный, грубый, водонепроницаемый слой. Он находится заподлицо с черепом. Я слышал, что у мозга нет болечувствительной области, но у твердой мозговой оболочки она есть — примерно такая же чувствительная, как и кожа на вашем лице. И давление на dura mater во время контузии часто является причиной сильных головных болей.

Ниже идет arachnoid mater, паутинная, или арахноидальная мозговая оболочка, которая представляет собой слой кожи и тут же открытое пространство с эластичными волокнами. Я всегда думал, что мой мозг просто бесцельно плавает в моей голове в какой-то жидкости, но на самом деле единственный реальный пробел между мозгом и внутренней стенкой черепа — это паутинная мозговая оболочка. Эти волокна стабилизируют мозг в положении, чтобы он не сильно двигался, и выступают амортизатором, когда ваша голова обо что-то бьется. Эта область заполнена спинномозговой жидкостью, которая удерживает мозг как бы на плаву, потому что его плотность аналогична плотности воды.

Наконец, идет pia mater, мягкая мозговая оболочка — тонкий, деликатный слой кожи, который сливается с внешней частью мозга. Помните, когда смотришь на мозг, он всегда покрыт кровяными сосудами? Так вот они находятся не на поверхности мозга, они как бы заключены в pia mater.

Эта странная на вид штука — один из самых сложных известных объектов во Вселенной — килограмм, как говорит нейроинженер Тим Хансон, «одного из самых информационно плотных, структурных и самоорганизованных веществ среди всех известных». Все это работает при помощи всего 20 Вт энергии (компьютер эквивалентной мощности кушает 24 000 000 Вт).

Профессор Массачусетского технологического института Полина Аникеева называет его «мягким пудингом, который можно соскребать ложкой». Мозговой хирург Бен Рапопорт описал его более научно: что-то среднее между пудингом и желе. Он говорит, что если положить мозг на стол, под действием гравитации он расплывется как медуза. Сложно представить мозг такой размазней, потому что обычно он плавает в воде.

Но ведь в этом все мы. Ты смотришь в зеркало, видишь свое тело и свое лицо и думаешь, что это ты, но на самом деле это лишь машина, которой ты управляешь. По сути, ты — это странный на вид желеобразный шар. Как тебе такая аналогия?

Учитывая странность всего этого, не стоит винить Аристотеля или древних египтян, а также многих других за то, что они считали мозг бессмысленной черепной начинкой. Аристотель считал, что сердце было центром разума.

В конце концов, люди выяснили, что к чему. Но не сполна.

Профессор Кришна Шеной сравнивает наше понимание мозга с тем, как человечество представляло карту мира в начале 1500-х годов.

Другой профессор, Джефф Лихтман, еще жестче. Он начинает свои занятия с вопроса, адресованного студентам: «Если все, что вам нужно знать о мозге, это миля, как далеко мы прошли по этой миле?». Он говорит, что студенты обычно отвечают «три четверти», «полмили», «четверть мили» и т. п. Но реальный ответ, по его мнению, «около трех дюймов».

Третий профессор, нейробиолог Моран Серф, поделился со мной старой пословицей нейробиологов, из которой следует, что попытка понять мозг представляет собой уловку-22: «Если бы человеческий мозг был настолько прост, что мы смогли бы его понять, мы были бы настолько простыми, что не смогли бы [его понять]».

Возможно, при помощи большой башни знаний, которую выстраивает наш вид, мы в определенный момент к этому придем. Пока же давайте рассмотрим, что мы знаем о медузе в наших головах, начиная с общей картины.

Структура мозга

Давайте посмотрим на крупные разделы мозга, используя полусферное поперечное сечение. Вот так выглядит мозг в вашей голове:

Теперь давайте вынем мозг из головы и удалим правое полушарие, которое обеспечит нам лучший вид внутри.

Давайте посмотрим на каждую секцию:

Ствол мозга (и мозжечок)

Это самая древняя часть нашего мозга.

Это секция нашего мозгового сечения выше того, где живет босс-лягушка. Фактически весь мозг лягушки подобен этой нижней части нашего мозга:

Когда вы понимаете функцию этих частей, тот факт, что они древние, имеет смысл — все, что делают эти части, могут делать лягушки и ящерицы. Вот крупнейшие секции:

Продолговатый мозг

Продолговатый мозг заботится о том, чтобы вы не умерли. Он выполняет неблагодарные задачи управления непроизвольными процессами, такими как частота сердечных сокращений, дыхание и кровяное давление, а также заставляет вас рвать, когда думает, что вас отравили.

Варолиев мост

Варолиев мост делает всего понемногу. Он отвечает за глотание, контроль мочевого пузыря, мимику, жевание, слюну, слезы и стул — короче, все подряд.

Средний мозг

У среднего мозга еще больший кризис личности, чем у варолиева моста. Вы понимаете, что у части мозга проблемы, когда почти все ее функции выполняются другой мозговой частью. В случае среднего мозга речь идет о зрении, слухе, моторике, бдительности, температурном контроле и множестве других вещей, которыми занимаются другие части мозга. Остальная часть головного мозга также не особо похожа на средний мозг, учитывая то, как смехотворно неравномерно сложились «передний мозг, средний мозг, задний мозг», словно намеренно изолируя средний мозг.

За что стоит отдельно благодарить варолиев мост и средний мозг, так это за то, что они контролируют добровольное движение глаз. Поэтому если вы сейчас двигаете глазами, то в мосту и среднем мозге протекают процессы.

Мозжечок

Эта странная на вид штука, похожая на мошонку вашего мозга, это мозжечок, или cerebellum, что с латыни «маленький мозг». Он отвечает за равновесие, координацию и нормальные движения.

Лимбическая система

Лимбическая система — это система выживания. Важная часть ее работы заключается в том, что всякий раз, когда вы делаете то же, что может делать ваша собака — есть, пить, заниматься сексом, драться, прятаться или убегать от чего-то страшного — за рулем находится лимбическая система. Хочешь ты этого или нет, но когда делаешь что-то из вышеперечисленного, ты находишься в примитивном режиме выживания.

В лимбической системе также живут твои эмоции, и на всякий случай эмоции тоже отвечают за выживание — это более продвинутые механизмы выживания, необходимые животным, живущим в сложной социальной структуре.

Всякий раз, когда где-то в вашей голове разворачивается внутренняя борьба, стоит благодарить вашу лимбическую систему за то, что она делает что-то, о чем вы позже пожалеете.

Я почти уверен, что контроль над вашей лимбической системой — это и определение зрелости, и основная человеческая борьба. Не то чтобы нам было лучше без лимбических систем — они делают нас людьми, в конце концов, и большая часть жизненного кайфа связана с эмоциями и удовлетворением животных потребностей. Просто ваша лимбическая система не учитывает, что вы живете в цивилизованном обществе, и если предоставить ей слишком большие полномочия в управлении вашей жизнью, она быстро ее разрушит.

В любом случае давайте рассмотрим ее подробнее. Есть много маленьких частей лимбической системы, но мы уделим внимание самым знаменитым.

Миндалина

Миндалина — это своего рода эмоциональное расстройство структуры мозга. Она отвечает за беспокойство, грусть и чувство страха. Есть две миндалины, и что странно, у левой настроение получше — иногда она производит счастливое чувство в дополнение к неприятным. Вторая же всегда в плохом настроении.

Гиппокамп

Ваш гиппокамп (от греческого — «морской конек», потому что на вид такой же) — это чертежная доска для памяти. Когда крысы начинают запоминать направления в лабиринте, воспоминания кодируются в их гиппокампе — буквально. Разные части двух гиппокампов крыс будут активироваться в разных частях лабиринта, потому что каждая секция лабиринта хранится в отведенной ей части гиппокампа. Но если после запоминания одного лабиринта крысе дадут другую задачу и вернут в оригинальный лабиринт через год, она его едва вспомнит, потому что чертежная доска гиппокампа будет стерта, дабы освободилось место под новую память.

История в фильме Memento вполне реальна — антероградная амнезия — и вызвана повреждением гиппокампа. Альцгеймер тоже начинается в гиппокампе, прежде чем проложить себе путь через другие части мозга, поэтому из-за множества разрушительных последствий болезни проблемы с памятью появляются первыми.

Таламус

В своем центральном положении мозга таламус также служит сенсорным посредником, который получает информацию от ваших органов чувств и отправляет в кору мозга для обработки. Когда вы спите, таламус спит вместе с вами, а значит, сенсорный посредник не работает. Поэтому в состоянии глубокого сна звук, свет или касание могут и не разбудить вас. Если вы хотите растолкать кого-то, кто спит глубоким сном, вам придется постараться достучаться до таламуса.

Исключением является ваше обоняние, которое является единственным ощущением, которое обходит таламус. Поэтому пахучие соли используют для пробуждения обгоревшего человека. И раз уж мы здесь, вот вам клевый факт: обоняние является функцией обонятельной луковицы и является самым древним чувством. В отличие от других чувств, обоняние коренится глубоко в лимбической системе, где работает в тесном контакте с миндалиной и гиппокампом, и именно поэтому запах так тесно связан с памятью и эмоциями.

Кора мозга

Наконец, мы прибыли в кору, кортекс. Кора головного мозга. Неокортекс. Церебрум. Паллиум.

Самая важная часть всего мозга не может определиться с названием. И вот почему:

Почему это вообще называется «отступлением» Кора головного мозга — это одна большая внешняя часть мозга, которая технически включает некоторые внутренние части. Словом cortex называют внешние слои многих органов, не только мозга. За пределами мозжечка находится мозжечковая кора. За пределами головного мозга — кора головного мозга. Последняя имеется только у млекопитающих. Эквивалентная часть мозга у рептилий называется pallium. Неокортексом часто называют «кору головного мозга», но технически это ее внешние слои, которые особенно развиты у более развитых животных. Другие части также называют аллокортексом. Мы будем в основном иметь в виду неокортекс, но назовем его просто кортексом или корой, чтобы всем было понятно и привычно (и коротко). Просто запомните, что кортекс — это кора головного мозга в нашей статье.

Кортекс отвечает практически за все — обрабатывает то, что вы видите, слышите и чувствуете, наряду с языком, движением, мышлением, планированием и личностью.

Он разделен на четыре доли.

Лобная доля управляет вашей индивидуальностью, наряду с тем, что мы считаем «мышлением» — соображение, планирование, исполнительность. В частности, котелок варит больше всего в передней части лобной доли, в префронтальной коре. Префронтальная кора — это еще один персонаж во внутренних баталиях вашей жизни. Рационалист внутри вас заставляет вас работать. Внутренний голос пытается убедить вас, чтобы вы перестали волноваться о том, что думают о вас окружающие, и просто были самим собой. Высшая сила, которая хочет, чтобы вы перестали потеть.

При этом лобная доля отвечает за движение вашего тела. Верхняя полоса лобной доли — это ваша первичная моторная кора.Среди прочих функций, теменная доля контролирует ваше осязание, особенно в первичной соматосенсорной коре, полосе рядом с первичной моторной корой. Моторная и соматосенсорные коры находятся рядом друг с другом и хорошо изучены. Нейробиологи точно знают, какая часть каждой полосы соединяется с каждой частью вашего тела.

Удивительно, что движению и ощущениям вашего лица и рук посвящено больше мозга, чем остальной части тела, вместо взятой. Впрочем, в этом есть смысл: вам нужно делать невероятно подробное выражение лица, а руки должны быть очень ловкими, в то время как остальные части — плечи, колени, спина — могут быть намного грубее. Не зря же люди играют на пианино пальцами рук, а не ног.

Примечательно, насколько похожи две этих коры на то, с чем они связаны.

Почему мозги такие морщинистые

Как мы обсудили, эволюция нашего мозга двигалась изнутри, добавлялись новые прикольные штуки поверх существующей модели. Но строительство изнутри имеет свои минусы, потому что потребность человека появляться на свет через влагалище накладывает ограничение на размер головы.

Поэтому эволюции пришлось ухитриться. Поскольку кора очень тонкая, она масштабируется с увеличением площади поверхности — то есть, если создавать много складок (то есть обе стороны укладываются в пространство между двумя полушариями), можно утроить область поверхности мозга, не увеличивая сильно в объеме. Когда мозг только-только появляется в утробе, он гладкий — складки образуются в последние два месяца беременности.

Если извлечь кору из мозга, можно расстелить 2-миллиметровый квадратный лист мозга площадью 48 х 48 сантиметров. Салфетка для ужина.

Эта салфетка — место, где происходит большинство действий в вашем мозгу, — именно поэтому вы можете думать, двигаться, чувствовать, видеть, слышать, помнить, говорить и понимать язык. Шикарная салфетка, как ни крути.

И помните, что вы желейный шар? Когда вы пытаетесь себя осознать, все это происходит в коре. То есть вы не желейный шар, вы — салфетка.

Магия складок в увеличении размера салфетки очевидна, когда мы помещаем остальной мозг поверх нашей снятой коры.

Мозг вблизи

Итак, хотя мы давно выяснили, что мозг стал хранилищем нашего интеллекта, только недавно наука выяснила, из чего на самом деле состоит мозг. Ученые знали, что его тело состоит из клеток, но в конце 19 века итальянский физик Камилло Гольджи выяснил, как можно применить окрашивание, чтобы увидеть, как на самом деле выглядят клетки мозга. Ученые быстро поняли, что нейрон являет собой основную единицу обширной коммуникационной сети, которая составляет мозг и нервную систему практически всех животных.

Но только в 1950-х годах ученые выяснили, как нейроны коммуницируют между собой.

Аксон, длинный отросток нейрона, который несет информацию, имеет микроскопический диаметр — слишком маленький для изучения. Но в 1930-х годах английский зоолог Дж. З. Юнг выяснил, что кальмары могут перевернуть наше представление о мозге, потому что у кальмаров невероятно большие аксоны в телах и над ними можно проводить эксперименты. Через несколько десятилетий, используя большой аксон кальмара, ученые Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли определенно выяснили, как нейроны передают информацию: потенциал действия. Вот как это работает.

Вместо того чтобы вдаваться в полное подробное объяснение того, как работают потенциалы действия — и привлекать много ненужное и неинтересной технической информации, с которой вы уже сталкивались на уроках биологии в 9 классе — сразу перейдем к основным идеям, которые нам помогут.

Ствол тела нашего парня — аксон нейрона — имеет отрицательный «потенциал покоя», то есть, когда он в покое, его электрический заряд слегка отрицателен. Несколько человек ногами постоянно трогают волосы нашего парня, дендриты нейрона, нравится это ему или нет. Их ноги сбрасывают химические вещества на его волосы — нейротрансмиттеры — которые проходят через его голову (тело клетки, или сома) и, в зависимости от химического вещества, повышают или понижают заряд его тела. Это не очень приятно для нашего нейрона, но терпимо — и ничего больше не происходит.

Но если его волос коснется достаточное количество химических веществ, чтобы поднять его заряд, «пороговый потенциал» нейрона, тогда это вызовет потенциал действия и нашего чувачка прошибет током.

Это двойственная ситуация — либо с нашим парнем ничего не происходит, либо его полностью пробивает током. Он не может быть немножко под напряжением или слишком под напряжением — либо он под ним, либо нет, и всегда в определенной степени.

Когда это происходит, импульс электричества (в виде кратковременного разворота нормального заряда его тела с отрицательного на положительный, а затем быстрого возврата к нормальному отрицательному) проходит через его тело (аксон) в его ноги — терминали аксона нейрона — которые сами касаются волос других людей (точки соприкосновения называются синапсами). Когда потенциал действия достигает его ног, он заставляет их выделять химические вещества на волосы людей, которых они касаются, что либо приводит, либо не приводит к тому, что эти людей бьет током, как и его самого.

Потенциалы действия движутся от 1 до 100 метров в секунду. Одной из причин этого большого разброса является то, что другой тип клеток нервной системы — клетка Шванна — выступает в роли заботливой бабушки и постоянно обертывает некоторые типы аксонов слоями жировых одеял, называемых миелиновой оболочкой.

Один хороший пример разницы в скорости, созданной миелином: вы знаете, каково это, когда вы ушибаетесь пальцем, ваше тело дает вам одну секунду на размышление, чтобы понять, что вы только что сделали и что вы сейчас почувствуете, прежде чем накатывает боль? Вы одновременно ощущаете удар мизинца о что-то твердое и острую часть боли, потому что острая информация о боли посылается в мозг через миелинизированные аксоны. Требуется секунда или две, чтобы появилась тупая боль, потому что она посылается через немиелинизированные «С-волокна» — на скорости метра в секунду.

Нейронные сети

Нейроны в чем-то похожи на компьютерные транзисторы — они также передают информацию на бинарном языке нулей и единиц (0 и 1), без срабатывания и со срабатыванием потенциала действия. Но, в отличие от компьютерных транзисторов, нейроны мозга постоянно меняются.

Помните, когда вы учитесь чему-то новому, и у вас хорошо получается, а на следующий день вы пытаетесь снова, но уже ни хрена? Дело в том, что вчера вам помогала в обучении концентрация химических веществ в сигналах между нейронами. Повторение вызывало изменение химических веществ, вы становились лучше, но на следующий день химические вещества вернулись в норму, поэтому и улучшения сошли на нет.

Но если вы продолжите практиковаться, вы в конце концов будете хорошо разбираться в чем-то, и это уже надолго. Вы как бы говорит мозгу «мне это нужно не на один раз», и нейронные сети мозга отвечают, соответствующим образом внося структурные изменения. Нейроны меняют форму и местоположение и укрепляют или ослабляют различные связи таким образом, чтобы создать сеть путей к навыку, к умению что-то делать.

Способность нейронов менять себя химически, структурно и даже функционально позволяет нейронной сети вашего мозга оптимизировать себя под внешний мир — это явление называют пластичностью мозга. Мозг младенца наиболее пластичный. Когда рождается ребенок, его мозг понятия не имеет, к какой жизни ему готовиться: к жизни средневекового воина, которому придется освоить фехтование, музыканта 17 века, который должен будет выработать точную мышечную память для игры на клавесине, или современного интеллектуала, которому придется хранить и работать с колоссальным количеством информации. Но мозг младенца готов менять себя под любую жизнь, которая его ожидает.

Младенцы — звезды нейропластичности, но нейропластичность сохраняется на протяжении всей нашей жизни, поэтому люди могут расти, меняться и учиться новому. И именно поэтому мы можем формировать новые привычки и ломать старые — ваши привычки отражают существующие схемы в вашем мозге. Если вы хотите изменить свои привычки, вам придется проявить большую силу воли, чтобы переписать нейронные пути мозга, но если вы постараетесь, мозг наконец поймет и изменит все эти пути, после чего новое поведение больше не будет требовать силы воли. Ваш мозг физически превратит изменения в новую привычку.

Всего в мозге насчитывается около 100 миллиардов нейронов, составляющих эту невероятно обширную сеть — подобно количеству звезд в Млечном Пути. Около 15-20 миллиардов этих нейронов находятся в коре, остальные — в других частях вашего головного мозга. Удивительно, что даже в мозжечке в три раза больше нейронов, чем в коре.

Вещество мозга можно разделить на так называемое серое и белое вещество. Серое вещество на самом деле выглядит темнее и состоит из клеточных тел (сом) нейронов мозга и их зародышей дендритов и аксонов — наряду с другим материалом. Белое вещество состоит в основном из электропроводных аксонов, переносящих информацию из сомы в другие сомы или в месте назначения в теле. Белое вещество белое, потому что эти аксоны обычно обертываются в миелиновую оболочку, которая представляет собой белую жирную ткань.

В мозге есть две основные области серого вещества: внутренний кластер лимбической системы и частей ствола мозга, о которых мы говорили выше, и толстый слой коры, покрытый двухмиллиметровым слоем коры снаружи. Большой кусок белого вещества между ними состоит в основном из аксонов кортикальных нейронов. Кора представляет собой большой командный центр, и из массы аксонов в его составе исходит множество ее приказов.

Большинство типов нейронов — это интернейроны, которые общаются с другими нейронами. Когда вы думаете, в вашей голове куча интернейронов разговаривает между собой. Интернейроны в основном содержатся в мозге.

Если муха садится на вашу руку, происходит следующее:

Муха касается вашей кожи и стимулирует пучок чувствительных нервов. Терминали аксона в нервах начинают работать с потенциалом, передавая этот сигнал в ваш мозг, чтобы сообщить о мухе. Сигналы идут в спинной мозг и в сомы соматосенсорной коры. Соматосенсорная кора затем дает сигнал моторной коре, что нужно лениво повести плечом, чтобы смахнуть муху. Определенные сомы в моторной коре, которые связаны с мышцами руки, начинают действие потенциалов, посылая сигналы назад в спинной мозги и оттуда в мышцы руки. Терминали аксона на конце нейронов стимулируют мышцы руки, которые встряхивают ее, чтобы согнать муху. Нервная система мухи проходит через свой цикл, и та улетает.

Затем ваша миндалина озирается и осознает, что на вас сидит насекомое, сообщает моторной коре неприязненно подергаться, а если это паук вместо мухи, также приказывает вашим голосовым связкам невольно закричать и разрушить вашу репутацию.

Получается, мы понимаем, как работает мозг? Почему же тогда, если профессор задал этот вопрос — сколько мили мы преодолели, если эта миля — все, что нам нужно знать о мозге, — ответом будет три дюйма?

А секретик вот в чем.

Мы знаем, как отдельный компьютер отправляет электронную почту и полностью пониманием любые концепции Интернета, например, сколько в нем людей, какие сайты самые большие, какие тренды ведущие. Но вся эта начинка в центре — внутренние процессы Интернета — они немного сбивают с толку.

Экономисты могут рассказать вам все о том, как действует отдельный потребитель, об основных концепциях макроэкономике и о всеобъемлющих силах в игре — но никогда не могут рассказать, как работает экономика с точностью до секунды или что с ней будет через месяц или год.

Мозг в чем-то похож. У нас есть малая картина — мы знаем все о том, как активируются нейроны. И у нас есть общая картина — мы знаем, сколько нейронов в мозге, каковы крупнейшие доли и структуры, как они управляют телом и сколько энергии потребляет система. Но где-то между — что делает каждая часть мозга — мы совершенно теряемся.

Просто не понимаем.

Что действительно хорошо показывает, насколько мы сбиты с толку, это то, как нейробиологи говорят о тех частях мозга, которые мы понимаем лучше всего. Вроде зрительной коры. Мы хорошо понимаем зрительную кору, потому что ее легко картировать.

Ученый Пол Меролла так описал ее мне:

«Зрительная кора имеет прекрасную анатомическую функцию и структуру. Когда на нее смотришь, буквально видишь карту мира. Поэтому когда что-то в поле зрения оказывается в определенной области пространства, сразу виден участок на коре, который представляет эту область пространства, он активируется. И если этот объект движется, есть топографическое картирование, на котором это отражают соседние клетки. Это почти как иметь декартовские координаты реального мира, который соответствует полярным координатам в зрительной коре. Можно буквально по сетчатке проследить, через таламус и в зрительную кору, как одна точка в пространстве отражается в точке зрительной коры.

Пока хорошо. Но он продолжает:

Это картирование действительно полезно, если вы хотите взаимодействовать с определенными частями зрительной коры, но есть много областей зрения, и чем глубже вы погружаетесь в зрительную кору, тем туманнее она становится, и это топографическое представление начинает ломаться. В мозге процессы протекают на самых разных уровнях, и визуальное восприятие отлично это показывает. Мы смотрим на мир, который представлен физическим трехмерным миром где-то извне — вот чашка, и вы ее видите — но ваши глаза видят лишь горстку пикселей. А когда вы смотрите на визуальную кору, вы видите 20-40 разных карт. V1 — это первая область, на которой размечаются кромки и цвета. Другие области отражают более сложные объекты, и все это разнообразное зрительное представление накладывается на поверхность вашего мозга. И вдруг, каким-то образом, эта информация собирается воедино из этого информационного потока, который закодирован таким образом, чтобы вы поверили, что видите простой объект.

И моторная кора, еще одна из наиболее хорошо изученных областей головного мозга, при ближайшем рассмотрении оказывается еще более сложной, чем зрительная кора. Потому что, хоть мы и знаем, какие общие области карты моторной коры отвечают определенным областям тела, отдельные нейроны в этих областях моторной коры топографически не выстроены, и специфика их совместной работы над созданием движения тела абсолютно не ясна.

Нейронные беседы на тему движения рукой в голове ни на что не похожи — нейроны не говорят по-английски, мол, «двигайся» — это схема электрической активности, и у каждого она немного своя. При этом вы хотели бы понимать совершенно интуитивно, что это означает «двигай рукой вот так», или «двигай рукой в направлении цели», или «двигай рукой налево, двигай еще, хватай, хватай с определенной силой, двигай с определенной скоростью» и так далее. Мы не задумываемся об этом, когда двигаемся — все это происходит незримо. Поэтому каждый мозг имеет уникальный код, в соответствии с которым он общается с мышцами в руке и кисти.

Нейропластичность, которая делает наши мозги такими полезными, также делает их невероятно трудными для понимания, потому что принципы работы нашего мозга основаны на том, как мозг формирует себя под действием определенной среды и жизненного опыта. Это не бездушный кусок мяса или чего-то там, который у вас, у меня, у тети Маши, у дяди Пети и у Билла Гейтса будет одинаковым хотя бы на вид — глубоко внутри мозг каждого человека уникален в самом высоком значении этого слова.

И снова, все это области мозга, которые мы понимаем лучше всего. «Когда дело доходит до более сложных процессов, таких как язык, память, математика», рассказал мне один эксперт, «мы вообще не понимаем, как работает мозг». Он посетовал, например, что понятие о своей матери закодировано по-разному и в разных частях мозга у каждого человека. И в лобной доли — именно там, где, как мы выяснили, вы обитаете — «там вообще нет топографии».

И все же ничто из этого не является причиной того, почему создать эффективный нейрокомпьютерный интерфейс так сложно. Сложными нейрокомпьютерные интерфейсы (НКИ) делают колоссальные инженерские препятствия. Именно физическая работа с мозгом так усложняет процесс создания НКИ.

Ствол дерева в виде мозга нами построен. Мы готовы отправляться к первой ветке.

Часть третья: полет над гнездом нейронов

Есть много разных вариантов возможных нейрокомпьютерных интерфейсов (которые иногда называют интерфейсом «мозг — компьютер» или «мозг — машина»), которые пригодятся для разных вещей. Но все, кто работает над НКИ, пытаются решить один, второй или оба этих вопроса:

Как я буду извлекать нужную информацию из мозга? Как я буду посылать нужную информацию в мозг?

Первое касается вывода мозга — то есть записи того, что говорят нейроны. Второе касается внедрения информации в естественный поток мозга или изменение этого естественного потока каким-то образом — то есть стимулирование нейронов.

Два этих процесса постоянно протекают в вашей голове. Прямо сейчас ваши глаза выполняют определенный набор горизонтальных движений, которые позволяют вам прочитать это предложение. Это нейроны мозга выводят информацию в машину (ваши глаза), а машина получает команду и реагирует. И когда ваши глаза движутся определенным образом, фотоны с экрана проникают в вашу сетчатку и стимулируют нейроны в затылочной доли вашей коры, позволяя картинке мира попасть вам в сознание. Затем эта картинка стимулирует нейроны в другой части вашего мозга, которая позволяет вам обрабатывать информацию, заключенную в картинке, и извлекать смысл из предложения.

Зачем нужны нейроны

Ввод и вывод информации — вот что делают нейроны мозга. Вся индустрия НКИ хочет присоединиться к этому процессу.

Поначалу кажется, что это не такая сложная задача. Ведь мозг — это просто шарик холодца. И кора — часть мозга, которую мы хотим присовокупить к нашей записи и стимулированию — это просто салфетка, удобно расположенная на внешней части мозга, где к ней легко можно получить доступ. Внутри коры работают 20 миллиардов нейронов — 20 миллиардов маленьких транзисторов, которые могут дать нам совершенно новый способ контроля нашей жизни, здоровья и мира, если мы научимся с ними работать. Неужели их так сложно понять? Нейроны маленькие, но ведь мы знаем, как расщепить атом. Диаметр нейрона в 100 000 раз больше атома. Если бы атом был леденцом, нейрон был бы километровым в поперечнике — так что мы точно должны уметь работать с такими величинами. Правильно?

В чем же проблема?

С одной стороны, это правильные мысли, потому что они приводят к прогрессу в области. Мы действительно можем это сделать. Но как только вы начинаете понимать, что на самом деле происходит в мозге, сразу становится очевидно: это самая сложная задача для человека.

Поэтому прежде чем мы поговорим о самих НКИ, нам нужно внимательно изучать, что делают люди, которые создают НКИ. Лучше всего — увеличить мозг в 1000 раз и посмотреть, что происходит.

Помните наше сравнение коры мозга с салфеткой? Если мы увеличим салфетку коры в 1000 раз — а она была примерно 48 сантиметров с каждой стороны — теперь она будет длиной в два квартала на Манхэттене. Потребуется около 25 минут, чтобы обойти периметр. И мозг в целом будет размером с Мэдисон Сквер Гарден. Давайте выложим его в самом городе. Уверен, несколько сотен тысяч людей, которые там живут, нас поймут.

Таким образом, мы можем подойти к 29-й улице, к краю нашей гигантской салфетки, и легко посмотреть, что происходит в ее двухметровой толщине. Для демонстрации давайте вытащим кубометр нашей гигантской коры, чтобы исследовать его, посмотреть, что происходит в обычном кубическом миллиметре настоящей коры.

Сперва поместим сомы — маленькие тела всех нейронов, которые живут в этом кубе.

Сомы варьируются в размерах, но нейробиологи, с которыми я говорил, говорят, что сомы нейронов в коре чаще всего 10-15 мкм в диаметре (один мкм = микрон, 1/1000 миллиметра). То есть, если вы выложите 7-10 таких в линию, эта линия будет диаметром с волос человека. В наших масштабах сома будет 1–1,5 сантиметра в диаметре. Леденец.

Объем всей коры умещается в 500 000 кубических миллиметров, и в этом пространстве будет около 20 миллиардов сом. То есть средний кубический миллиметр коры содержит около 40 000 нейронов. То есть в нашем кубометре около 40 000 леденцов. Если разделить нашу коробку на 40 000 кубиков, каждый с гранью в 3 сантиметра, каждый из наших сома-леденцов будет в центре своего собственного 3-сантиметрового кубика, а все другие сомы — в 3 сантиметрах во всех направлениях.

Вы еще здесь? Можете представить наш метровый кубик с 40 000 плавающих леденцов?

Сома — это лишь крошечная часть каждого нейрона. Из каждого нашего леденца простираются скрученные, ветвистые дендриты, которые в наших масштабах могут растягиваться на три-четыре метра в самых разных направлениях, и на том конце может быть аксон длиной в 100 метров (если переходит в другую часть коры) или километр (если спускается в спинной мозг и тело). Каждый из них толщиной в миллиметр, и эти провода превращают кору в плотно переплетенную электрическую вермишель.

И в этой вермишели происходит много всякого. Каждый нейрон имеет синаптические связи с 1000 — иногда до 10 000 — других нейронов. Поскольку в коре около 20 миллиардов нейронов, это значит, что в ней будет больше 20 триллионов отдельных нейронных связей (и квадриллион связей во всем мозге). В нашем кубометре будет более 20 миллионов синапсов.

При всем этом, не только из каждого леденца из 40 000 в нашем кубе исходят заросли вермишели, но и тысячи других спагетти проходят через наш куб из других частей коры. И значит, если бы мы попытались записать сигналы или простимулировать нейроны конкретно в этой кубической области, нам пришлось бы очень тяжело, потому что в мешанине спагетти будет трудно определить, какие нити спагетти принадлежат нашим сома-леденцам (и не дай бог в этой пасте будут клетки Пуркинье).

И, конечно же, не стоит забывать о нейропластичности. Напряжение каждого нейрона постоянно меняется, сотни раз в секунду. И десятки миллионов синаптических соединений в нашем кубе будут постоянно менять размеры, исчезать и появляться вновь.

Но это только начало.

Оказывается, в мозге также существуют глиальные клетки — клетки, которые бывают разных видов и выполняют множество различных функций, таких как вымывание химических веществ, высвобождаемых в синапсах, обертывание аксонов миелином и обслуживание иммунной системы мозга. Вот несколько самых распространенных типов глиальных клеток:

И сколько глиальных клеток находится в коре? Примерно столько же, сколько и нейронов. Поэтому добавьте в наш куб еще 40 000 этих штучек.

Наконец, есть кровеносные сосуды. В каждом кубическом миллиметре коры содержится около метра крошечных кровеносных сосудов. В наших масштабах это означает, что в нашем кубометре есть километр кровеносных сосудов. Вот так они выглядят:

Мозг как записывающий инструмент

С тем, что уже было проделано, можно выделить три широких критерия, по которым оцениваются плюсы и минусы записывающего инструмента:

Масштаб — сколько нейронов может записываться. Разрешение — насколько подробна информация, которую получает инструмент — пространственное (насколько близко ваши записи сообщают, какие из отдельных нейронов активируются) и временное (насколько хорошо можно определить, когда происходит записываемая вами активность). Инвазивность — необходимо ли хирургическое вмешательство, и если да, то насколько дорогое. Долгосрочная цель — собрать сливки со всех трех и скушать. Но пока неизбежно возникает вопрос, каким из этих критериев (один или два) вы можете пренебречь? Выбор того или иного инструмента ­— это не повышение или понижение качества, это компромисс.

Что такое МРТ

Давайте посмотрим, какие инструменты используются в настоящее время:

фМРТ

Масштаб : большой (показывает информацию со всего мозга)

: большой (показывает информацию со всего мозга) Разрешение : от низкого к среднему — пространственное, очень низкое — временное

: от низкого к среднему — пространственное, очень низкое — временное Инвазивность: неинвазивный

фМРТ чаще используется не в НКИ, а как классический инструмент записи — дает вам информацию о происходящем внутри мозга.

фМРТ использует МРТ — технологию магнитно-резонансной томографии. Изобретенная в 1970-х годах, МРТ стала эволюцией рентгеновского КТ-сканирования. Вместо рентгеновских лучей, МРТ использует магнитные поля (наряду с радиоволнами и другими сигналами) для создания изображений тела и мозга. Вроде такого:

Полный набор поперечных сечений, позволяющий вам видеть голову целиком.

Весьма необычная технология.

фМРТ («функциональная» МРТ) использует технологию МРТ для отслеживания изменений кровотока. Зачем? Потому что, когда области мозга становятся более активными, они потребляют больше энергии, а значит им нужно больше кислорода — поэтому поток крови увеличивается в этой области, чтобы доставить этот кислород.

У фМРТ много медицинских применений, например, информирование врачей о том, функционируют ли определенные участки мозга после инсульта, и фМРТ очень многому научила нейробиологов о том, какие области головного мозга участвуют в работе этих функций. Сканирование также предоставляет важную информацию о том, что происходит в головном мозге в определенный момент времени, оно безопасно и неинвазивно.

Большим недостатком является разрешение. фМРТ сканирование имеет буквальное разрешение, как компьютерный экран пиксели, только вместо двухмерных, его разрешение представлено трехмерными кубическими объемными пикселями — вокселями (voxel, воксел).

Воксели фМРТ становились меньше по мере улучшения технологии, что привело к увеличению пространственного разрешения. Воксели современных фМРТ могут быть размером с кубический миллиметр. Объем мозга составляет порядка 1 200 000 мм3, поэтому сканирование фМРТ высокого разрешения делит мозг на один миллион маленьких кубиков. Проблема в том, что в нейронных масштабах это по-прежнему довольно много — каждый воксель содержи десятки тысяч нейронов. Так что, в лучшем случае, фМРТ показывает средний кровоток, втягиваемый каждой группой из 40 000 нейронов или около того.

Еще большая проблема — временное разрешение. фМРТ отслеживает кровоток, который является неточным и происходит с задержкой около секунды — вечность в мире нейронов.

Зачем нужно ЭЭГ

Масштабы : высокие

: высокие Разрешение : очень низкое пространственно, средне-высокое временное

: очень низкое пространственно, средне-высокое временное Инвазивность: неинвазивный

Изобретенная почти сто лет назад ЭЭГ (электроэнцефалография) накладывает на голову множество электродов. Вот так:

ЭЭГ — это определенно технология, которая будет выглядеть забавно примитивной для людей 2050 года, но на данный момент это один из немногих инструментов, которые можно использовать с абсолютно неинвазивными НКИ. ЭЭГ регистрирует электрическую активность в различных областях головного мозга, отображая результаты следующим образом:

Графики ЭЭГ могут выявлять информацию о таких медицинских проблемах, как эпилепсия, отслеживать режим сна или определять состояние дозы анестезии.

В отличие от фМРТ, ЭЭГ имеет довольно хорошее временное разрешение, получая электрические сигналы от головного мозга по мере их появления — хоть череп значительно размывает временную точность (кость — плохой проводник).

Главный недостаток — пространственное разрешение. У ЭЭГ его нет. Каждый электрод регистрирует только среднее значение — векторную сумму зарядов от миллионов или миллиардов нейронов (размытое из-за черепа).

Представьте, что мозг — это бейсбольный стадион, его нейроны — это люди в толпе, а информация, которую мы хотим получить, будет вместо электрической активности производной голосовых связок. В таком случае ЭЭГ будет группой микрофонов за пределами стадиона, за его внешними стенами. Вы сможете услышать, когда толпа начнет скандировать и даже сможете предугадать, о чем она примерно кричит. Вы сможете разобрать отличительные сигналы, если будет тесная борьба или кто-то будет побеждать. Возможно, вы также разберете, если случится что-то необычное. На этом всё.

ЭКоГ

Масштабы : высокие

: высокие Разрешение : низкое пространственное, высокое временное

: низкое пространственное, высокое временное Инвазивность: присутствует

ЭКоГ (электрокортикография) похожа на ЭЭГ, поскольку тоже использует электроды на поверхности — только помещает их под череп на поверхность мозга.

Стремно. Но эффективно — намного эффективнее ЭЭГ. Без интерференции, которую дает череп, ЭКоГ охватывает более высокое пространственное (около 1 см) и временное разрешения (5 миллисекунд). Электроды ЭКоГ можно разместить выше или ниже твердой мозговой оболочки:

Возвращаясь к аналогии с нашим стадионом, микрофоны ЭКоГ находятся внутри стадиона и ближе к толпе. Поэтому звук будет много чище, чем у микрофонов ЭЭГ за пределами стадиона, и ЭКоГ смогут различать звуки отдельных сегментов толпы. Но это улучшение стоит денег — требует инвазивной хирургии. Но по мерками инвазивной хирургии, это вмешательство не такое уж и плохое. Как сказал мне один хирург, «поместить начинку под твердую мозговую оболочку можно относительно неинвазивно. Придется проделать дыру в голове, но это не так страшно».

Потенциал локального поля (LFP)

Масштабы : малые

: малые Разрешение : средне-низкое пространственное, высокое временное

: средне-низкое пространственное, высокое временное Инвазивность: высокая

Давайте перейдем с поверхностных электродных дисков к микроэлектродам — крошечным иголочкам, которые хирурги втыкают в мозг.

Мозговой хирург Бен Рапопорт описал мне, как его отец (нейробиолог) делал микроэлектроды:

«Когда мой отец делал электроды, он делал их вручную. Он брал очень тонкую проволоку — золотую, платиновую или иридиевую, которая была 10-30 микрон в диаметре и вставлял эту проволоку в стеклянную капиллярную трубку диаметром в миллиметр. Затем держал эту стекляшку над огнем и вращал, пока стекло не станет мягким. Он вытягивал капиллярную трубку, пока она не станет очень тонкой, и вытаскивал из огня. Теперь капиллярная трубка оборачивает и сжимает провод. Стекло — изолятор, а проволока — проводник. В итоге получается изолированный в стекле электрод с диаметром кончика в 10 микрон».

Хотя сегодня некоторые электроды все еще изготавливаются вручную, новые технологии используют кремниевые подложки и технологии производства, заимствованные из индустрии интегральных схем.

Способ работы локальных полевых потенциалов прост — вы берете одну такую сверхтонкую иглу с электродным кончиком и вставляете ее на один-два миллиметра в кору. Там она собирает среднее значение электрических зарядов со всех нейронов в определенном радиусе электрода.

LFP обеспечивает вам не такое уж и плохое пространственное разрешение фМРТ в сочетании с мгновенным временным разрешением ЭКоГ. По меркам разрешения это, наверное, лучший вариант из всего вышеперечисленного.

К сожалению, он ужасен по другим критериям.

В отличие от фМРТ, ЭЭГ и ЭКоГ, микроэлектрод LFP не имеет масштаба — он лишь сообщает вам, что делает небольшая сфера, окружающая его. И он намного более инвазивный, поскольку фактически входит в мозг.

На бейсбольном стадионе LFP — это один микрофон, висящий над одной секцией с сиденьями, снимающий четкий звук в этой области и, возможно, на секунду-другую выхватывающий отдельный голос тут и там — но по большей части он ощущает общую вибрацию.

И совсем новая разработка это многоэлектродный массив, который представляет в своей основе идею LFP, только состоит из 100 LFP одновременно. Крошечный квадрат 4 на 4 мм с 100 кремниевых электродов на нем.

Регистрация отдельных единиц

Масштабы : крошечные

: крошечные Разрешение : сверхвысокое

: сверхвысокое Инвазивность: очень высокая

Для записи более широкого LFP кончик электрода немного скругляется, чтобы дать электроду большую площадь поверхности, и снижается сопротивление (некорректный технический термин), чтобы улавливались очень слабые сигналы из широкого диапазона мест. В итоге электрод собирает хор активности с локального поля.

Регистрация отдельных единиц также задействует игольчатый электрод, но их кончики делают очень острыми и сопротивление тоже повышают. За счет этого вытесняется большая часть шума и электрод практически ничего не улавливает, пока не окажется очень близко к нейрону (где-то в 50 мкм), и сигнал этого нейрона будет достаточно силен, чтобы преодолеть стенку электрода с высоким сопротивлением. Получая отдельные сигналы от одного нейрона и не имея фонового шума, этот электрод может наблюдать за личной жизнью этого нейрона. Наименьший возможный масштаб, максимально возможное разрешение.

Некоторые электроды хотят вывести отношения на следующий уровень и применяют метод локальной фиксации потенциала (patch clamp), который позволяет убрать кончик электрода и оставить лишь крохотную трубку, стеклянную пипетку, которая будет непосредственно засасывать клеточную мембрану нейрона и проводить более тонкие измерения.

Patch clamp имеет и такое преимущество: в отличие от всех других методов, он физически прикасается к нейрону и может не только записывать, но и стимулировать нейрон, вводя ток или поддерживая напряжение на определенном уровне для выполнения конкретных тестов (другие методы могут стимулировать лишь целые группы нейронов целиком).

Наконец, электроды могут полностью покорить нейрон и фактически проникнуть через мембрану, чтобы осуществить запись. Если кончик достаточно острый, он не разрушит клетку — мембрана как бы запечатается вокруг электрода, и будет очень легко стимулировать нейрон или записать разность напряжений между внешней и внутренней средой нейрона. Но это краткосрочная методика — проколотый нейрон долго не проживет.

На нашем стадионе, регистрация отдельных единиц будет выглядеть как однонаправленный микрофон, закрепленный на воротнике одного толстяка. Локальная фиксация потенциала — это микрофон у кого-нибудь в горле, записывающий точное движение голосовых связок. Это прекрасный способ узнать о переживаниях человека об игре, но они будут вырваны из контекста, и по ним никак нельзя будет судить о происходящим в игре или о самом человеке.

Это все, что у нас есть. По крайней мере что мы используем довольно часто. Эти инструменты одновременно очень продвинутые и покажутся технологиями каменного века людям будущего, которые не поверят, что нам приходилось выбирать одну из технологий, вскрывать черепушку, чтобы получить качественные записи о работе мозга.

Но при всей их ограниченности, эти инструменты научили нас многому о мозге и привели к созданию первых любопытных нейрокомпьютерных интерфейсов.

Часть четвертая: нейрокомпьютерные интерфейсы

В 1969 году ученый по имени Эберхард Фетц соединил один нейрон мозга обезьяны с циферблатом перед ее лицом. Стрелки должны были двигаться, когда нейрон активировался. Когда обезьяна думала так, что активировался нейрон и стрелки смещались, она получала конфету со вкусом банана. Со временем обезьяна стала совершенствоваться в этой игре, потому что хотела больше вкусных конфет. Обезьяна научилась активировать отдельный нейрон и стала первым персонажем, получившим нейрокомпьютерный интерфейс.

В течение следующих нескольких десятилетий прогресс был довольно медленным, но к середине 90-х годов ситуация начала меняться и с тех пор все разгоняется.

Поскольку наше понимание мозга и электродного оборудования довольно примитивны, наши усилия, как правило, направлены на создание простых интерфейсов, которые будут использоваться в тех областях головного мозга, которые мы понимаем лучше всего, таких как моторная кора и визуальная кора головного мозга.

И поскольку человеческие эксперименты возможны только для людей, которые пытаются использовать НКИ для облегчения своих страданий — и потому что спрос рынка сосредоточен именно на этом — наши усилия почти полностью были посвящены восстановлению утраченных функций для людей с ограниченными возможностями.

Крупнейшие отрасли НКИ будущего, которые обеспечат людей волшебными сверхспособностями и преобразуют мир, сейчас находятся в состоянии зародыша — и нам приходится руководствоваться ими, а также своими догадками, размышляя о том, каким может быть мир в 2040, 2060 или 2100 году.

Давайте пройдемся по ним.

Использование моторной коры в качестве дистанционного управления

Многие области мозга для нас непонятны, но моторная кора непонятна для нас меньше, чем другие. И что более важно, она хорошо картирована, отдельные ее части контролируют отдельные участки тела.

Что важно, это одна из крупных участков мозга, которая отвечает за нашу работу. Когда человек что-то делает, моторная кора почти наверняка тянет за ниточки (во всяком случае физической стороны действия). Поэтому человеческому мозгу не нужно учиться использовать моторную кору в качестве дистанционного управления, потому что мозг уже использует ее в таком качестве.

Поднимите свою руку. Теперь опустите. Видите? Ваша рука похожа на маленький игрушечный беспилотник, и ваш мозг просто использует моторную кору как пульт дистанционного управления, чтобы дрон взлетел и вернулся обратно.

Цель НКИ на основе моторной коры состоит в том, чтобы подключиться к ней, а затем, когда пульт дистанционного управления вызовет команду, услышать эту команду и отправить ее на какой-нибудь аппарат, который сможет на нее ответить. Например, на руку. Пучок нервов — посредник между вашей корой и вашей рукой. НКИ — посредник между вашей моторной корой и компьютером. Все просто.

Один из интерфейсов такого типа позволяет человеку — обычно человеку, парализованному от шеи либо с ампутированной конечностью, — перемещать курсор на экране силой мысли.

Все начинается с 100-контактной многоэлектродной матрицы, которая имплантируется в моторную кору человека. Моторная кора у парализованного человека работает прекрасно — просто спинной мозг, который служил посредником между корой и телом, прекратил работать. Таким образом, с имплантированной электродной матрицей исследователи дали возможность человеку двигать рукой в разных направлениях. Даже если он не может этого сделать, моторная кора функционирует нормально, как если бы он мог.

Когда кто-то двигает рукой, его моторная кора взрывается активностью — но каждый нейрон обычно интересуется только одним типом движения. Поэтому один нейрон может срабатывать всякий раз, когда человек двигает своей рукой вправо, но будет скучать при движении в других направлениях. Тогда только по одному этому нейрону можно было бы определить, когда человек хочет передвинуть свою руку вправо, а когда нет. Но с электродной матрицей из 100 электродов каждый из них будет слушать отдельный нейрон. Поэтому во время испытаний, когда человека просят передвинуть руку вправо, например, 38 из 100 нейронов фиксирует активность нейронов. Когда человек хочет передвинуть руку влево, активируется 41 другой. В процессе отработки движений в разных направлениях и с разной скоростью, компьютер получает данные с электродов и синтезирует их в общее понимание картины активации нейронов, соответствующей намерениям двигаться по осям X-Y.

Затем, когда они выводят эти данные на экран компьютера, человек может силой мысли, «пытаясь» двигать курсор, действительно контролировать курсор. И это работает. При помощи НКИ, сопряженных с моторной корой, компания BrainGate позволила мальчику играть в видеоигру при помощи одной только силы мысли.

И если 100 нейронов могут сказать вам, куда они хотят передвинуть курсор, почему они не могут сказать вам, когда они хотят поднять чашечку кофе и сделать глоток? Вот что сделала эта парализованная женщина:

Другая парализованная женщина сумела полетать на симуляторе истребителя F-35, а обезьяна недавно при помощи мозга проехала в инвалидном кресле.

И почему ограничиваться одними руками? Бразильский пионер НКИ Мигель Николелис и его команда построили целый экзоскелет, позволивший парализованному человеку сделать открывающий удар на World Cup.

В этих разработках есть семена других будущих революционных технологий — вроде интерфейсов «мозг - мозг».

Николелис провел эксперимент, в котором моторная кора одной крысы в Бразилии, нажимавшей один из двух рычагов в клетке — один из которых, о чем знала крыса, доставит ей удовольствие — была связана через Интернет с моторной корой другой крысы в США. Крыса в США была в подобной клетке, за исключением того, что, в отличие от крысы в Бразилии, у нее не было информации о том, какой из ее двух рычагов доставит ей удовольствие — помимо сигналов, которые она получает от бразильской крысы. В ходе эксперимента, если американская крыса правильно выбирала рычаг, тот же, который тянула крыса в Бразилии, обе крысы получали награду. Если тянули неверный, не получали. Интересно то, что с течением времени крысы становились все лучше и лучше, работали сообща, словно одна нервная система — хотя и понятия не имели о существовании друг друга. Успех американской крысы без информации составлял 50%. С сигналами, поступающими от мозга бразильской крысы, успех вырос до 64%.

Отчасти это сработало и на людях. Два человека в разных зданиях работали сообща, играя в видеоигру. Один видел игру, другой держал контроллер. Используя простые гарнитуры ЭЭГ, игрок, который видел игру, мог, не двигая руками, подумать о движении своей рукой, чтобы «выстрелить» на контроллере — и поскольку их мозги сообщались между собой, игрок с контроллером чувствовал сигнал в пальце и нажимал кнопку.

Искусственные уши и глаза

Есть несколько причин, по которым давать зрение слепым и звук глухим — среди самых доступных категорий нейрокомпьютерных интерфейсов.

Во-первых, подобно моторной коре, сенсорные части коры — это части мозга, которые мы понимаем достаточно хорошо, отчасти потому, что они имеют тенденцию хорошо картироваться.

Во-вторых, среди многих первых подходов нам не нужно было иметь дела с мозгом — можно было взаимодействовать с теми местами, где уши и глаза соединяются с мозгом, потому что именно там чаще всего встречались нарушения.

И в то время как деятельность моторной коры головного мозга заключалась главным образом в считывании нейронов для извлечения информации из мозга, искусственные органы чувств работают по-другому — стимулируя нейроны для отправки информации внутрь.

За последние десятилетия мы наблюдали невероятное развитие кохлеарных имплантатов.

Как работает слух

Когда вы думаете, что «слышите» звук, происходит следующее:

То, что мы представляем как звук, это модели колебаний молекул воздуха вокруг головы. Когда гитарная струна, голосовые связки или ветер производят звук, он рождается вследствие вибраций, которые толкают ближайшие молекулы воздуха, и они расширяются как шар, подобно тому как поверхность воды расширяется наружу в месте, где падает камень.

Ваше ухо — это машина, которая преобразует эти вибрации в электрические импульсы. Всякий раз, когда воздух (или вода, или любая другая среда, молекулы которой могут вибрировать) входит в ухо, ваше ухо переводит точную картину вибрации в электрический код, который затем посылается в нервные окончания. Нервы запускают потенциалы действия, которые посылают код в слуховую кору для обработки. Ваш мозг получает информацию, и мы называем процесс получения этого конкретного типа информации «слухом».

Большинство глухих или слабослышащих людей не имеют проблем с нервами или слуховой корой — у них обычно возникают проблемы с ухом. Их мозг так же готов, как и любой другой, превращать электрические импульсы в слух — просто их слуховая кора не получает никаких электрических импульсов, потому что машина, которая преобразует вибрации воздуха в эти импульсы, не выполняет свою работу.

Ухо имеет много частей, но именно улитка, в частности, осуществляет важное преобразование. Когда вибрации попадают в жидкость в улитке, тысячи тонких волосков, устилающих ее, вибрируют, а клетки, которые прикреплены к этим волоскам, преобразуют механическую энергию вибраций в электрические сигналы, которые затем возбуждают слуховой нерв.

Улитка также сортирует входящий звук по частоте. Вот крутая диаграмма, показывающая, почему низкие звуки обрабатываются в конце улитки, а высокие — в начале (а также почему ухо может слышать звук на определенной максимальной и минимальной частотах):

Звук поступает в микрофон (маленький крючок в верхней части уха) и входит в коричневую штуку, которая обрабатывает звук, чтобы отфильтровать менее полезные частоты. Затем коричневая штука передает информацию через кожу, через электрическую индукцию, в другой компонент компьютера, который преобразует информацию в электрические импульсы и посылает ее в улитку. Электроды фильтруют импульсы по частоте, как улитка, и стимулируют слуховой нерв, как волоски в улитке.

Другими словами, искусственное ухо выполняет такую же функцию превращения звука в импульсы и передачи в слуховой нерв, как и обычное ухо.

Но это не идеально. Почему? Потому что для того, чтобы послать звук в мозг с таким же качеством, как и обычное ухо, нужно 3500 электродов. Большинство кохлеарных имплантатов содержит всего 16. Грубовато.

Но мы ведь в эпохе Pilot ACE — конечно, грубовато.

Тем не менее сегодняшний кохлеарный имплантат позволяет людям слышать речь и разговаривать, а это уже неплохо.

Имплантаты глаз и ушей

Многие родители глухих детей ставят им кохлеарные имплантаты в годовалом возрасте.

В мире слепоты происходит аналогичная революция в виде имплантата сетчатки.

Слепота часто является результатом заболевания сетчатки. В этом случае имплантат может выполнять подобную функцию для зрения, как кохлеарный имплантат для слуха (хоть и не так прямо). Он делает то же, что и обычный глаз, передавая информацию нервам в форме электрических импульсов, как это делают глаза.

Более сложный интерфейс, чем кохлеарный имплантат, первый имплантат сетчатки был одобрен FDA в 2011 году — им стал имплантат Argus II, изготовленный Second Sight. Имплантат сетчатки работает так:

Имплантат сетчатки имеет 60 сенсоров. В сетчатке около миллиона нейронов. Грубовато. Но видеть размытые кромки, формы, игры света и тьмы значительно лучше, чем не видеть вообще ничего. Что особенно интересно, для достижения хорошего зрения совсем не нужен миллион сенсоров — моделирование позволило предположить, что 600-1000 электродов будет достаточно для распознавания лиц и чтения.

Глубокая стимуляция головного мозга

Начиная с конца 1980-х годов, глубокая стимуляция мозга стала еще одним грубым инструментом, который все так же меняет жизнь для многих людей.

Также это категория НКИ, которые не связаны с внешним миром — это использование нейрокомпьютерных интерфейсов для лечения или улучшения самого себя, изменяя что-то внутри.

То, что происходит здесь, — это один или два электродных провода, обычно с четырьмя отдельными электродными участками, которые вводятся в мозг и часто оказываются где-то в лимбической системе. Затем в верхнюю часть грудной клетки имплантируют небольшой электрокардиостимулятор и подключают к электродам.

уменьшение тремора у людей с болезнью Паркинсона

уменьшение тяжести приступов

уменьшение обсессивно-компульсивного расстройства

В рамках экспериментов (то есть пока без одобрения FDA) ученым удалось смягчить определенные виды хронической боли, вроде мигреней или фантомной боли в конечностях, вылечить беспокойство или депрессию при ПТСР, либо в сочетании с мышечной стимуляцией восстановить определенные нарушенные схемы работы мозга, которые сломались после инсульта или неврологического заболевания.

* * *

Вот в таком состоянии находится пока еще слабо развитая область НКИ. И в этот момент в нее входит Илон Маск. Для него и для Neuralink, современная НКИ-индустрия — это точка А. Пока мы изучали прошлое на протяжении всех этих статей, чтобы подобраться к настоящему моменту. Теперь пришло время заглянуть в будущее — чтобы выяснить, что такое точка Б и как нам до нее добраться.

Обсудите перспективы Neuralink в нашем Telegram-чате.

Часть пятая: задача Neuralink

Поскольку я уже писал о двух компаниях Илона Маска — Tesla и SpaceX, — думаю, я понимаю его формулу. Она выглядит вот так:

Он решает, что некоторые определенные изменения в мире увеличат вероятность того, что человечество будет иметь наилучшее будущее. Он знает, что крупномасштабное изменение мира происходит быстрее всего, когда весь мир — Колосс Человеческий — работает над этим. И он знает, что Колосс Человеческий будет стремиться к достижению цели тогда и только тогда, если будет экономическая движущая сила — если сам процесс траты ресурсов на достижение этой цели будет хорошим бизнесом.

Зачастую, прежде чем бурно развивающаяся индустрия наберет обороты, все это похоже на стопку бревен — все компоненты для огня на месте, все готово к работе, но нет спички. Существует некоторый технологический дефицит, не дающий взлететь всей отрасли.

Поэтому, когда Илон создает компанию, ее основная стратегия, как правило, заключается в создании спички, которая зажжет индустрию и заставит Колосс Человеческий работать над ней. Это, в свою очередь, как считает Илон, приведет к событиям, которые изменят мир таким образом, что повысится вероятность того, что у человечества будет наилучшее будущее. Но нужно взглянуть на его компании с высоты птичьего полета, чтобы все это понять. В противном случае, вы будете ошибочно считать все, что он делает, обычным бизнесом — тогда как на самом деле то, что выглядит как бизнес, будет являться механизмом для поддержания компании, внедряющей инновации для создания важной спички.

Зачем нужен Neuralink?

Когда я работал над статьями про Tesla и SpaceX, я спросил Илона, почему он лезет в инженерию, а не в науку, и он объяснил, что когда дело доходит до прогресса, «инженерия является сдерживающим фактором». Другими словами, прогресс науки, бизнеса и промышленности — все это происходит с разрешения технического прогресса. И если посмотреть на историю, в этом есть смысл — поскольку каждая величайшая революция в прогрессе человечества — это технический прорыв. Спичка.

Итак, чтобы понять компанию Илона Маска, нужно подумать о спичке, которую он пытается создать — наряду с тремя другими переменными:

И когда я начал размышлять о том, что такое Neuralink, я знал, какие переменные мне нужно проставить. На тот момент у меня было очень смутное представление об одной из переменных — что цель компании заключается в «ускорении появления общемозгового нейроинтерфейса». Или волшебной шляпы, как я его назвал.

Насколько я понял, интерфейс общего мозга должен был представлять нейрокомпьютерный интерфейс в идеальном мире — супер-пупер-продвинутый концепт, когда все нейроны вашего мозга могут незримо коммуницировать с миром снаружи. Эта концепция была основана на научно-фантастической идее «нейронного кружева» из серии «Культура» Иэна Бэнкса — невесомый, неосязаемый интерфейс на весь мозг, который можно телепортировать в мозг.

Вопросов у меня было предостаточно.

К счастью, я направлялся в Сан-Франциско, где должен был засесть с половиной команды основателей Neuralink и побыть самым глупым человеком в комнате. Отступление на тему, почему я не преувеличиваю, называя себя самым глупым человеком в той комнате, просто посмотрите сами.

Команда Neuralink

Пол Меролла, который провел последние семь лет в роли ведущего конструктора чипов в IBM по программе SyNAPSE, где руководил разработкой чипа TrueNorth — одного из крупнейших CMOS-устройств в истории по числу транзисторов, если что. Пол рассказал мне, что его область работы называлась нейроморфной, а цель — создавать транзисторные схемы, основанные на принципах архитектуры мозга.

Ванесса Толоса, эксперт по микросборке команды Neuralink, один из ведущих исследователей биосовместимых материалов в мире. Работа Ванессы включает в себя проектирование биосовместимых материалов на основе принципов индустрии интегральных схем.

Макс Ходак, который работал над разработкой нескольких инновационных технологий НКИ в лаборатории Мигеля Николелиса в Дьюке, а также два раза в неделю ездил в колледж для запуска Transcriptic, «роботизированной облачной лаборатории для естественных наук», которую сам и основал.

Ди Джей Сео, который в своих 20 с лишним лет разработал в Калифорнийском университете в Беркли ультрасовременную новую концепцию НКИ под названием «нейронная пыль» — крошечные ультразвуковые сенсоры, которые могут обеспечить новый способ записи мозговой деятельности.

Бен Рапопорт, эксперт по хирургии в Neuralink, а также ведущий нейрохирург. Еще у него есть степень доктора электротехники в Массачусетском технологическом институте, позволяющая ему пропускать свою работу нейрохирурга «через линзу имплантируемых устройств».

Тим Хэнсон, которого коллега представил как «одного из лучших инженеров по всему миру на планете». Он самоучка, но благодаря своим знаниям материаловедения и методам микрофабрикации, ему удалось создать некоторые ключевые технологии, которые будут использоваться в Neuralink.

Флип Сабес, ведущий научный сотрудник, лаборатория которого в Калифорнийском университете в Сан-Франциско заложила новую почву для НКИ, объединив «кортикальную физиологию, вычислительное и теоретическое моделирование, а также психофизику и физиологию человека».

Тим Гарднер, ведущий научный сотрудник Бостонского университета, лаборатория которого работает над внедрением НКИ у птиц, чтобы изучить «как сложные песни собираются из элементарных нейронных единиц» и узнать «о связях между паттернами нейронной активности в разных временных масштабах». Тим и Флип оставили свои штатные должности, чтобы присоединиться к команде Neuralink.

Ну и сам Илон, генеральный директор и член команды. Пост генерального директора выделяет этот проект на фоне остальных, которые он недавно запустил, и помещает Neuralink в наивысший приоритет для него, где обитают только SpaceX и Tesla. Когда дело доходит до неврологии, Илон обладает наименьшими техническими знаниями в команде — но ведь и SpaceX он начинал без особых технических знаний и быстро стал сертифицированным ракетным специалистом, читая и задавая вопросы экспертам в своей команде. То же самое произойдет и здесь.

Я спросил Илона, как он собрал свою команду. Он ответил, что встретился буквально с 1000 человек, чтобы собралась эта группа, и частью задачи было огромное число совершенно раздельных экспертных областей, которые нужно было перебрать: нейробиология, нейрохирургия, микроскопическая электроника, клинические испытания и пр. Поскольку это междисциплинарная область, он искал междисциплинарных экспертов. И это видно по их биографиям — все члены группы обладают уникальным сочетанием знаний, которые перекрещиваются со знаниями других членов группы и вместе составляют как бы мегаэксперта. Илон также хотел найти людей, которые могли взглянуть на миссию свысока — которые были больше сосредоточены на промышленных результатах, чем на производстве бумажек. В общем, было непросто.

Но вот они сидели за круглым столом и смотрели на меня. Я был немного в шоке, потому что должен был провести очень много исследований, прежде чем приехать сюда. Я извлек из себя тезис, они подхватили его и умножили в четыре раза. И пока продолжалась дискуссия, я начал понемногу понимать, что к чему.

Что касается интерфейса, над которым они планируют работать, вот что говорит Илон:

«Мы стремимся вывеси на рынок нечто, что поможет при определенных серьезных травмах головного мозга (инсульт, раковое поражение, врожденное), примерно через четыре года».

Сегодня нам кажется очевидным, что использование технологии парового двигателя ради силы огня должно было начаться, дабы произошла промышленная революция. Но если бы вы поговорили с кем-то в 1760 году об этом, ясности было бы гораздо меньше — какие препятствия нужно преодолеть, какие инновации внедрить, сколько все это займет времени. И вот мы здесь — пытаемся понять, как должна выглядеть спичка, которая зажжет нейрореволюцию, и как ее создать.

Отправной точкой для обсуждения инновация будет дискуссия о препятствиях — почему вообще возникает необходимость инноваций. В случае Neuralink этот список будет большой. Но даже с учетом того, что основным сдерживающим фактором будет инженерная разработка, есть несколько крупных проблем, которые вряд ли станут основным препятствием:

Чипирование людей

Недавно был проведен опрос, в котором выяснилось, что американцы боятся будущего биотехнологий, в частности — НКИ, больше, чем редактирования генов.

Флип Сабес не разделяет их опасений.

Когда ученый думает об изменении фундаментальной природы жизни — о создании вирусов, о евгенике и пр. — создается спектр, который многие биологии находят довольно тревожным, но я знаю, что когда нейробиологи думают о чипах в мозге, им это не кажется странным, потому что у нас уже есть чипы в мозге. У нас есть глубокая стимуляция мозга, которая облегчает симптомы болезни Паркинсона, мы проводим первые испытания чипов для восстановления зрения, у нас есть кохлеарный имплантат — нам не кажется чем-то странным поместить устройство в мозг, чтобы считывать и записывать информацию.

И, узнав все о чипах в мозге, я соглашаюсь — и когда американцы узнают о них все, они тоже изменят свое мнение.

История поддерживает этот прогноз. Люди не очень быстро привыкли к глазной хирургии Lasik, когда она впервые появилась — 20 лет назад всего 20 000 человек в год прибегали к операции. Сегодня это число составляет уже 2 000 000. То же самое с кардиостимуляторами. И дефибрилляторами. И пересадкой органов. Но ведь она когда-то отдавала франкенштейнщиной! Имплантаты мозга будут из той же оперы.

Наше непонимание мозга

Помните, «если представить понятый мозг одной милей, мы прошли всего три дюйма по ней»? Флип тоже так считает:

Если бы нам нужно было понять мозг, чтобы взаимодействовать с ним по существу, у нас были бы проблемы. Но все эти штуки в мозге можно расшифровать без полного понимания динамики вычислений в мозге. Возможность считать это все — это проблема инженеров. Возможность понять происхождение и организацию нейронов в мельчайших деталях, которые удовлетворили бы нейробиологов сполна — это отдельная проблема. И нам не нужно решить все эти научные проблемы, чтобы добиться прогресса.

Если мы можем просто при помощи технических методов заставить нейроны разговаривать с компьютерами, этого будет достаточно, и машинное обучение позаботится об остальном. То есть научит нас науке о мозге. Как отмечает Флип:

Обратная сторона фразы «нам не нужно понимать мозг, чтобы добиться прогресса» заключается в том, что прогресс в инженерном деле почти наверняка увеличит наше научное знание — вроде того, как Alpha Go научит лучших игроков мира лучшим стратегиям игры в го. И этот научный прогресс приведет к еще большему техническому прогрессу — инженерия и наука будут подталкивать друг друга.

Tesla и SpaceX обе наступают на очень большие хвосты (например, автомобильной промышленности, нефтегазового и военно-промышленного комплекса). Большие хвосты не любят, когда на них наступают, поэтому обычно делают все возможное, чтобы препятствовать прогрессу наступающего. К счастью, у Neuralink нет такой проблемы. Нет ни одной крупной сферы деятельности, которую может разрушить Neuralink (по крайней мере, в обозримом будущем — а там, возможная нейрореволюция нарушит работу почти каждой отрасли).

Препятствия Neuralink — это технологические препятствия. Их много, но два из них стоят особнячком, и если их преодолеть, этого может быть достаточно, чтобы все остальные стены упали и полностью изменили траекторию нашего будущего.

Проблемы Neuralink

Одновременно в человеческом мозге никогда не было более пары сотен электродов. Если сравнивать со зрением, это равноценно сверхнизкому разрешению. Если сравнивать с двигателем, это простейшие команды с малой степенью контроля. Если сравнивать с мыслями, нескольких сотен электродов будет достаточно лишь для того, чтобы передать просто изложенное сообщение.

Нам нужна более высокая пропускная способность. Намного более высокая.

Рассуждая над интерфейсом, который мог бы изменить мир, команда Neuralink определила примерное число в «миллион одновременно считываемых нейронов». Еще говорят, что 100 000 — это число позволит создать много полезных НКИ с различными применениями.

С аналогичными проблемами столкнулись первые компьютеры. Примитивные транзисторы занимали много места и с трудом масштабировались. Но в 1959 году появилась интегральная схема — компьютерный чип. Вместе с ней появился способ увеличивать число транзисторов и закон Мура — понятие о том, что число транзисторов, которые можно уместить на компьютерном чипе, удваивается каждые полтора года.

До 90-х электроды для НКИ делали руками. Затем мы начали выяснять, как производить эти крошечные 100-электродные многоэлектродные матрицы, используя современные полупроводниковые технологии. Бен Рапопорт из Neuralink считает, что «переход от ручного производства к электродам Utah Array стал первым намеком на то, что закон Мура может возыметь власть и в области НКИ».

Это огромный потенциал. Сегодня наш максимум это несколько сотен электродов, способных измерять около 500 нейронов одновременно — это далеко не миллион, даже и близко нет. Если добавлять по 500 нейронов каждые полтора года, мы придем к миллиону в 5017 году. Если же удваивать это число каждые полтора года, мы получим миллион к 2034 году.

В настоящее время мы где-то между. Ян Стивенсон и Конрад Кординг опубликовали работу, в которой рассмотрели максимальное число нейронов, которые считывались одновременно в разные моменты на протяжении последних 50 лет (у любых животных) и вывели результат на этот график:

Если этот показатель будет держаться, до конца этого столетия нам удастся дойти до миллиона, а в 2225 году — записать каждый нейрон в мозгу и получить нашу готовую шляпу волшебника.

В общем, эквивалента интегральной схемы для НКИ пока нет, потому что 7,4 года — слишком большое число для начала революции. Прорыв будет сделан не устройством, которое может записать миллион нейронов, а со сдвигом парадигмы, вследствие которого этот график будет больше походить на закон Мура и меньше — на Стивенсона. Как только это произойдет, последуют и миллионы нейронов.

Имплантация Neuralink

НКИ не смогут захватить мир, если всякий раз для их внедрения придется вскрывать черепушку.

Это важная тема в Neuralink. Думаю, слово «неинвазивно» или «неинвазивный» было произнесено раз сорок во время моих бесед с командой.

Помимо того, что это серьезный барьер для входа и серьезная проблема для безопасности, инвазивная операция на головном мозге стоит дорого и многого требует. Илон сказал, что финальный процесс имплантации НКИ должен быть автоматизирован. «Машина, которая будет на это способна, должна быть чем-то вроде Lasik, автоматизированным процессом — потому что в противном случае вы будете ограничены числом нейрохирургов, а затраты будут слишком высоки. Нужна машина по типу Lasik, чтобы масштабировать этот процесс».

Создание НКИ с высокой пропускной способностью было бы прорывом уже само по себе, не говоря уж о разработке неинвазивных имплантатов. Но выполнение обоих пунктов начнет революцию.

Другие препятствия

Сегодняшние пациенты с НКИ ходят с проводом, торчащим из головы. В будущем это, конечно, не взлетит. Neuralink планирует работать над устройствами, которые будут беспроводными. Но это также сопряжено с проблемами. Необходимо устройство, которое сможет беспроводным путем передавать и получать кучу данных. Значит, оно должно самостоятельно позаботиться о таких вещах, как усиление сигнала, преобразование аналога в цифру, а также сжатие данных. И это все также должно работать на индукционном токе.

Еще одна большая проблема — биосовместимость. Чувствительная электроника, как правило, не очень хорошо уживается в желейном шарике. И тело человека плохо принимает инородные объекты в себя. Но мозговые интерфейсы будущего должны будут работать вечно и без перебоев. Следовательно, устройство будет герметично упаковано и достаточно надежно, чтобы переживать десятилетия жужжания и смещения нейронов вокруг. И мозг — который расценивает современные устройства как вторженцев и покрывает их рубцовой тканью — придется как-нибудь обмануть, заставив думать, что это устройство — нормальная часть мозга.

Есть еще проблема с пространством. Где именно вы будете размещать свое устройство, которое сможет взаимодействовать с миллионом нейронов в черепе, который и без того делит пространство на 100 миллиардов нейронов? Миллион электродов, использующих современные многоэлектродные массивы, будет размером с бейсбольный мяч. Поэтому дальнейшая миниатюризация — это еще одна непрекращающаяся инновация, которую можно добавить в список.

Есть также факт того, что современные электроды в основном оптимизированы для простой электрической записи или простой электрической стимуляции. Если нам действительно нужен эффективный интерфейс, потребуется нечто иное, чем однофункциональные жесткие электроды — что-то с механической сложностью нейронных цепей, которые могут записывать и с