13 июля 2015Наука
285

«Посадить много людей, соединить их в сеть»

Нейрофизиолог Михаил Лебедев объясняет эксперимент с «сетевым надмозгом» крыс и обезьян

текст: Борислав Козловский
Detailed_picture 

9 июля журнал Scientific Reports опубликовал сразу две статьи нейрофизиологов из Университета Дьюка (штат Северная Каролина, США). Обе они описывали конструкцию, которую авторы называют словом brainet, «сеть из мозгов»; в первом исследовании это были мозги четырех живых крыс, во втором — трех живых обезьян. Идея была в том, что если с помощью специального интерфейса наладить между мозгами связь, то вместе они смогут решать задачи, непосильные для каждого из животных по отдельности.

Профессор Мигель Николелис со своим коллегой Михаилом Лебедевым и другими соавторами в 2014 году стали известны всему ненаучному миру благодаря чемпионату мира по футболу в Бразилии. На церемонии открытия чемпионата на поле вышел парализованный 29-летний мужчина в похожем на скафандр экзоскелете — и сделал первый удар по мячу. Николелис с коллегами разработали систему связи между мозгом и электроникой, которая позволила парализованному контролировать силой мысли все движения экзоскелета.

Интерфейсами «мозг-компьютер» группа занимается еще с 1990-х. В их прежних экспериментах макака-резус управляла человекообразным роботом-аватаром вшестеро крупнее себя по другую сторону земного шара (обезьяна находилась в США, робот — в Японии). Лабораторные крысы приобретали способность видеть инфракрасные лучи: Николелис нашел способ подменить зрительные ощущения осязательными при помощи массива электродов в мозгу. Наконец, в феврале 2013-го он устроил первый в истории «сеанс телепатии» между двумя крысами. У обеих в голову был встроен массив электродов, благодаря чему один мозг мог посылать электрические импульсы другому, — и в итоге, когда грызунов озадачили одинаковой головоломкой, первая крыса обучалась на ошибках второй.

Николелис с коллегами разработали систему связи между мозгом и электроникой, которая позволила парализованному мужчине сделать первый удар по мячу на чемпионате мира по футболу.

И вот теперь ученые решили узнать, нельзя ли превратить несколько мозгов в «надмозг», способный решать более сложные задачи.

Как это происходило на практике? Электроды встраивали животным в соматосенсорную кору мозга, которая отвечает за разные телесные ощущения — прежде всего, за чувство осязания. В этой области мозга хранится «карта тела», где разные части организма представлены в искаженных пропорциях — чем чувствительнее, тем крупнее. Соматосенсорную кору человека часто изображают в виде гомункулуса Пенфилда, уродливого гнома-дистрофика с огромными ладонями, губами и языком — они у гомункулуса такие большие, потому что там особенно много нервных окончаний.

У крысы самая чувствительная часть тела — не пальцы и не губы, а усы-вибриссы, и на них приходится самая большая область соматосенсорной коры. «Туда, как правило, и помещается стимулирующий электрод. Поэтому крыса воспринимает стимуляцию мозга как прикосновение к усам, — объясняет Михаил Лебедев принципы так называемой виртуальной тактильной стимуляции. — И самый простой для нее способ ответить на раздражитель — это начать двигать усами». Когда крысы шевелили усами или облизывались, то другой электрод, считывающий, перехватывал еще в мозгу сигнал о будущем движении. Прежде чем пошевелить усами, крыса сначала должна мысленно эти усы представить.

Чтобы создать самую простую «мозговую сеть», крыс с электродами в голове рассадили по разным клеткам — так, чтобы они друг друга не видели, — и стали требовать невозможного: синхронизировать мысли. Если хотя бы у трех из них соматосенсорная кора одновременно откликалась на стимуляцию, все четверо получали награду — каплю воды (перед экспериментом их намеренно мучили жаждой). В этой части эксперимента ни один крысиный мозг не обменивался сигналами с другим. Как добиться синхронности, если крысы не получают никакой информации друг от друга? «Постепенно, методом проб и ошибок, они приходят к общему решению, всех устраивающему, что в определенный момент после начала сигнала нужно пошевелить усами», — говорит Лебедев. Так «сеть из мозгов», brainet, настраивает сама себя.

Крыса воспринимает стимуляцию мозга как прикосновение к усам: это самая чувствительная часть ее тела, и усам-вибриссам соответствует самая большая зона коры мозга.

После этого «сети мозгов» поручили задачу по сортировке сигналов. Крысы должны были отличать друг от друга «виртуальные прикосновения к усам» двух типов: серия из 20 коротких импульсов или две порции по четыре импульса. Отдельные крысы отвечали правильно в 55,8% случаев, а «сеть из мозгов» — уже в 61,2% случаев. Если учесть, что результат угадывания вслепую — это 50% правильных ответов, то разница — 11,2% над уровнем случайного шума против 5,8% — становится уже существенной.

На этом этапе стало окончательно ясно, что живой мозг в эксперименте — больше чем картофелина или мертвая лягушачья лапка, в которую воткнули два электрода и которая механически реагирует на удары током. Без вознаграждения частота угадываний у крысиного «надмозга» падала с 62% до 31% — это существенно хуже, чем когда ответ выбирают вслепую. И если две крысы из четырех получали укол снотворного, эффективность сети тоже резко снижалась. Так что мыслительные усилия каждой крысы активно задействованы.

В случае опыта с обезьянами ученые вышли на следующий уровень абстракции: научили воображать движение без реального движения. «В первых экспериментах обезьяна двигала рукой джойстик. А потом этот джойстик просто убирали, и ей нечем было двигать. И она соображала, что джойстика уже нет, надо как-то по-другому. Просто концентрироваться», — говорит Лебедев. Обезьяна догадывалась, что награда — например, порция апельсинового сока — достается ей за усилие мысли в чистом виде, а не за мышечную активность. И электроды в мозгу в итоге записывали такой же сигнал, как если бы обезьяна на самом деле двигала джойстиком. «А позднее мы придумали делать так: показываем обезьяне движения искусственной руки. Она их наблюдает, мы записываем отклики нейронов на это ее наблюдение и уже на основе этих ответов тренируем алгоритм».

Стараниями одной обезьяны (и даже человека, каким бы гениальным тот ни был) выиграть в этой игре невозможно. А вот «сеть из мозгов» справилась.

Обезьяны были обучены простой компьютерной игре — хватать кружок на плоском экране виртуальной рукой. Ни одна из обезьян не знала про других и не догадывалась, что видит проекцию 3D-игры на плоскость; все три проекции были, разумеется, разными. Но награду обезьяны получали только в том случае, если «рука» ловила «шарик» в трех измерениях. Стараниями одной обезьяны (и даже человека, каким бы гениальным тот ни был) выиграть в этой игре невозможно: на какую бы плоскую проекцию вы ни смотрели, третья координата «шарика» вам неизвестна. А вот «сети из мозгов» это оказалось по силам: если в начале серии тренировок обезьяны выигрывали в 20 процентах случаев, то в конце — уже в 78 процентах случаев.

Сеть, в которую объединяли мозги, — это «нейронная сеть»: каждый мозг притворяется отдельной нервной клеткой, причем абстрактной. Коллективы таких абстрактных нервных клеток — математические нейронные сети — любят использовать программисты для решения нечетко сформулированных проблем. Вместо того чтобы закладывать в математическую нейронную сеть конкретную программу действий, ее обучают методом проб и ошибок. Так, к примеру, устроен тот самый алгоритм, с помощью которого Google классифицирует фотографии и на полпути к результату генерирует психоделическую живопись. Но если у Google нейронная сеть невероятно запутанная и состоит из целых 30 слоев клеток, то из трех или четырех мозгов, притворяющихся отдельными нейронами, у Николелиса получилось составить только самую простую, однослойную математическую нейронную сеть. И все равно оказалось, что ее вычислительная мощность заметно превышает возможности отдельно взятого мозга крысы или обезьяны.

Что дальше? «У нас в эксперименте крысы были разведены по отдельным коробкам и даже не знали, что друг с другом общаются. А надо поставить их в такую ситуацию, когда они знают: “Вот я, а вот другое животное” — и могут понять, что между ними такая вот телепатическая связь. Вот такой бы эксперимент был интересен», — говорит Лебедев.

Опыты на людях затрудняются тем, что встраивать электроды в мозг из чистого научного интереса нельзя. Но кое-какие содержательные сигналы можно записывать без хирургического вмешательства: «У людей есть такой потенциал P300, который регистрируется в париетальной коре, если человек на что-нибудь обратил внимание. Если посадить много людей, соединить их в сеть, показывать какие-то картинки и записывать потенциал P300 — то такая схема может сработать».


Понравился материал? Помоги сайту!

Сегодня на сайте
Space is the place, space is the placeВ разлуке
Space is the place, space is the place 

Три дневника почти за три военных года. Все три автора несколько раз пересекали за это время границу РФ, погружаясь и снова выныривая в принципиально разных внутренних и внешних пространствах

14 октября 20246311
Разговор с невозвращенцем В разлуке
Разговор с невозвращенцем  

Мария Карпенко поговорила с экономическим журналистом Денисом Касянчуком, человеком, для которого возвращение в Россию из эмиграции больше не обсуждается

20 августа 202412948
Алексей Титков: «Не скатываться в партийный “критмыш”»В разлуке
Алексей Титков: «Не скатываться в партийный “критмыш”» 

Как возник конфликт между «уехавшими» и «оставшимися», на какой основе он стоит и как работают «бурлящие ритуалы» соцсетей. Разговор Дмитрия Безуглова с социологом, приглашенным исследователем Манчестерского университета Алексеем Титковым

6 июля 202417632
Антон Долин — Александр Родионов: разговор поверх границыВ разлуке
Антон Долин — Александр Родионов: разговор поверх границы 

Проект Кольты «В разлуке» проводит эксперимент и предлагает публично поговорить друг с другом «уехавшим» и «оставшимся». Первый диалог — кинокритика Антона Долина и сценариста, руководителя «Театра.doc» Александра Родионова

7 июня 202422841
Письмо человеку ИксВ разлуке
Письмо человеку Икс 

Иван Давыдов пишет письмо другу в эмиграции, с которым ждет встречи, хотя на нее не надеется. Начало нового проекта Кольты «В разлуке»

21 мая 202424490