13 июля 2015Наука
9852

«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!

Подписывайтесь на наши обновления

Еженедельная рассылка COLTA.RU о самом интересном за 7 дней

Лента наших текущих обновлений в Яндекс.Дзен

RSS-поток новостей COLTA.RU

При поддержке Немецкого культурного центра им. Гете, Фонда имени Генриха Бёлля, фонда Михаила Прохорова и других партнеров.

Сегодня на сайте
Мы, СеверянеОбщество
Мы, Северяне 

Натан Ингландер, прекрасный американский писатель, постоянный автор The New Yorker, был вынужден покинуть ставший родным Нью-Йорк и переехать в Канаду. В своем эссе он думает о том, что это значит — продолжать свою жизнь в другой стране

17 июня 2021435