управление протезом при помощи импульсов головного мозга
Как создаются бионические протезы и можно ли будет управлять ими силой мысли?
Как создаются, управляются и крепятся к телу бионические протезы? Чем они отличаются от обычных и можно ли в будущем управлять ими силой мысли? Разбираемся вместе с компанией «Моторика», которую в 2015 году основал выпускник ИТМО Илья Чех.
Иллюстрации: Дмитрий Лисовский, ITMO.NEWS
По пунктам:
Что такое бионический протез?
Протезы, которые нужны не только для восстановления вида утраченной конечности, но и ее функций, бывают двух видов: тяговые и бионические. Тяговые или активные протезы управляются с помощью тяг (специальных нитей) внутри протеза. Они полностью контролируются усилиями самого человека без какой-либо электроники за счет сгибания и разгибания сохраненного сустава. Бионические протезы — роботизированы. Это одни из самых современных и продвинутых протезов на сегодняшний день. По классификации Минтруда РФ они называются протезами с внешним источником энергии. Управление в бионических протезах осуществляется за счет сигналов, возникающих при сокращении мышц, которые считывают ЭМГ-датчики или датчики мышечной активности. В России оба вида протезов изготавливает, например, компания «Моторика».
Из каких частей он состоит?
Протез состоит из кисти с электромеханическим приводом, культеприемной гильзы, механизма ротации кисти, ЭМГ-датчиков, аккумулятора, зарядного устройства, электрокабелей и, по желанию пользователя, косметической оболочки.
Что нужно сделать, чтобы создать такой протез?
Бионический протез разрабатывается максимально похожим антропоморфно на человеческую руку, поэтому нужно знать ее вес и размер: ширину кисти и длину пальцев. Они подбираются исходя из возраста пользователя. Далее после производства также индивидуально располагаются ЭМГ-датчики, которые считывают мышечную активность и передают управляющий сигнал на контроллер протеза.
Как именно протез фиксируется на теле?
Протез держится на руке с помощью культеприемной гильзы, которая соединяет протез и руку. Гильза плотно прилегает к руке и находится внутри протеза, в нее вставляется имеющаяся часть конечности. Гильза также изготавливается индивидуально для каждого пользователя.
Как человек им управляет?
Управление протезом происходит с помощью датчиков мышечной активности, которые встроены в культеприемную гильзу. Они считывают электрический потенциал с мышц в момент их сокращения. Информация с датчиков передается на микропроцессор кисти и через компьютерные алгоритмы преобразуется в двигательные команды, и протез выполняет определенный жест или хват.
А в будущем можно будет управлять такими протезами силой мысли?
Сегодня все бионические протезы управляются мышечными импульсами, которые возникают при «представлении» в голове фантомного жеста и попытки мышцами руки выполнить этот жест. В будущем, безусловно, мы сможем считывать это представление непосредственно с двигательной коры головного мозга, но до этого еще 15-20 лет разработок в области нейроинтерфейсов.
Что человек с бионическим протезом может делать?
С современным протезом человек может делать практические любые действия по самообслуживанию, ежедневному быту и вести активный образ жизни ― завязывать шнурки, одеваться, готовить, кататься на велосипеде. Например, последняя модель компании «Моторика», протез руки Манифесто, может выполнять 14 различных видов схвата, которые задаются через мобильное приложение. В то время как предыдущая модель, Инди, выполняет только один вид схвата. Помимо восстановления утраченных функций, протез расширяет базовые. Например, протезом можно оплачивать покупки с помощью NFC-модуля или следить за показателями организма на встроенных смарт часах.
А что протезы пока не могут?
Есть два основных направления развития протезов в технологическом плане: совершенствование человеко-машинного интерфейса, которым управляются протезы для достижения мелкой моторики и управления отдельными пальцами, а также технологии очувствления протезов. Это необходимо, чтобы человек мог ощущать, какой предмет и как он берет.
Бионические протезы когда-нибудь станут дешевле?
Бионические протезы в России можно получить по государственной программе бесплатно. Но сейчас очень маленький процент людей без конечностей пользуются протезом. Причины разные, но одна из них — это не всегда простая система оформления необходимых документов. Важно сделать эту систему максимально прозрачной и простой для всех людей с инвалидностью. Когда все люди без рук или ног начнут использовать протезы, процесс изготовления протеза перейдет на другой уровень. Он станет доступнее и дешевле.
Бионический протез руки теперь способен выполнять мысленные указания владельца
Джоди О’Коннелл-Понкос [Jodie O’Connell-Ponkos] потеряла руку в ходе неосторожного обращения с промышленной мясорубкой. Это случилось в 1985 году. Почти сразу она получила протез, и носила его несколько лет. Все это время девушка ненавидела свою искусственную руку, и однажды просто выбросила ее. С тех пор она не использовала другие протезы в течение 20 лет.
Она не единственная, кто не слишком расположен к протезам. Многие люди, утратившие конечность, отказываются носить искусственные конечности, так что история Джоди не является чем-то из ряда вон выходящим. Пациенты-ампутанты отказываются как от обычных протезов, так и от продвинутых систем с сервоприводами. Процент отказов от современных систем, по статистике, достигает 75%.
Одна из причин — то, что в ряде новых протезов используются современные материалы, мощные сервоприводы и улучшенные крепления. Но вот система управления большинства искусственных конечностей была разработана еще в 1950-х. И с тех пор мало что поменялось. В большей части таких протезов используются довольно простые системы управления. Лишь наиболее совершенные модели оснащены сенсорами, способными измерять электрическую активность оставшейся части конечности и соответствующим образом реагировать. Работа с такими протезами требует солидной практики и они все еще остаются неудобными.
В этом году О’Коннелл-Понкос приняла участие в новой медицинской программе. Ей предложили испытать протез нового типа, который может определять даже очень слабый сигнал нервных окончаний, а не только мышц. Разработан протез компанией Coapt. Это бионическая система, которая выполняет почти все естественные движения, о которых владелец протеза лишь подумал.
Новый протез позволяет совершать сложные движения, которые синхронизируются с движением другой руки. Выше владелица новинки показала, что теперь она может завязать волосы в «конский хвост», без особых проблем.
Компания Coapt вышла на рынок в 2013 году. Сейчас ее протезами пользуются около 200 человек. Управляется протез при помощи встроенной компьютерной системы, которая анализирует получаемые электрические сигналы от мускулов и передает в механическую часть протеза.
Отличием этого протеза от других систем является возможность распознавания сигналов для каждого конкретного движения. Разработчики протеза сравнивают обычную миоэлектрическую систему с аудиосистемой. Такая система, по их словам, может определять только громкость музыки, но не распознает отдельные композиции. Так и обычные протезы — они воспринимают сигнал, но не различают, за какое именно движение такой сигнал отвечает.
Новый же протез «понимает», что вот этот электрический сигнал должен задействовать пальцы, а этот — запястье. В результате протез руки работает в соответствии с мыслями пользователя. Если тот решил взять в руку что-то, протез автоматически откликается на сигнал. Если же владелец протеза захотел поправить прическу, система выполняет намерение владельца. Как уже говорилось выше, устройство от Coapt действует синхронно с другой конечностью, так что и родной и искусственной рукой можно выполнять согласованные действия.
В скором времени компания Coapt собирается выпустить более совершенный протез второго поколения. В этом году компания получила право на использование технологии, разработанной в Университете Пердью. Она позволяет считывать электрические сигналы прямо с кожи, преобразуя затем эти сигналы в команды механической системе протеза.
Coapt — не единственная компания, которая разрабатывает сложные бионические протезы, реагирующие на намерение человека что-то сделать. Не так давно сложный протез получила от DARPA Мелисса Лумис (Melissa Loomis), проживающая в Кантоне (Огайо, США).
В отличие от предыдущей системы этот протез не только откликается на мысленное побуждение к действию. Человек, воспользовавшийся разработкой DARPA, может даже почувствовать прикосновение к предмету. Лумис чувствует четыре из пяти пальцев своей искусственной руки, а также ладонь.
Сам протез состоит из двух частей: приемопередатчик, присоединенный к нервным окончаниям плеча женщины и сам протез с приемником сигналов. Как только Лумис решает пошевелить конечностью, приёмник улавливает сигналы в нервных окончаниях, декодирует их и передает в протез. Бионический протез реагирует соответствующим образом, активизируя тот либо иной сервопривод системы. Результат — искусственная рука двигается.
Для работы с протезом DARPA понадобилось вживить в плечо около 100 различных контактов, которые соединяют нервные окончания плеча с приемопередатчиком и несколькими температурными сенсорами.
Еще один бионический протез, испытанный в прошлом году, справляется со спуском по лестнице. Он был разработан в исследовательской лаборатории при Реабилитационном Институте из Чикаго. Протез ноги автоматически определяет тип действия, которое собирается выполнить владелец протеза ноги.
Для этого компьютерная система протеза считывает электромиографические сигналы, используя электроды, расположенные в каждом из 9 остаточных мышцах оставшейся части конечности. После задействуются 13 механических сенсора, встроенных в протез. Специальный алгоритм распознает сигналы, анализирует паттерны, и система начинает действовать, исходя из ситуации.
В прошлом же году был представлен и еще один управляемый мыслью протез ноги, получивший название MyoElectric Sensor (IMES).
Специалисты, работающие над сложными бионическими протезами, утверждают, что основное препятствие для создания более совершенных систем такого типа — отнюдь не сложность механической и электронной частей протеза. Главная проблема — считывание сигналов, которые подает мозг. К примеру, если человек хочет поднять руку, в его мозге активизируется около 500 млн нейронов. Ученые могут принять и проанализировать одновременный сигнал максимум нескольких сотен таких нейронов. «У нас очень много всего происходит в голове, но очень мало возможностей инструментов для анализа всего этого», — говорит профессор Маклафлин [McLaughlin], один из участников проекта Modular Prosthetic Limb (MPL).
Даже в самых совершенных системах вроде MPL или протеза от Coapt используется набор заранее предопределенных движений. Например, указывание пальцем, сжатие кулака, работа кистью и другие движения — всего от 6 до 8. Обычная рука гораздо более функциональна, чем любой самый продвинутый современный протез. Но каждый месяц появляются новые, все более сложные и совершенные системы. Так что до появления полноценной механической руки, возможно, осталось не так много времени.
Прорыв в биоинженерии: созданы подсознательно управляемые протезы нижних конечностей
Исландская компания Össur, занимающаяся биоинженерией, а также разработкой, производством и продажей различной ортопедической продукции и протезов, объявила об успешном создании бионического протеза ноги, управляемого человеческим мозгом. Новая технология использует специальные имплантируемые сенсоры, которые посылают беспроводные сигналы во встроенный в искусственную конечность микрокомпьютер, позволяя человеку управлять ею практически на уровне подсознания, обеспечивая быстрый и естественный отклик и движения.
Протезы, управляемые мышечными импульсами, появились еще в конце 1960-х годов, однако данная технология до сих пор имеет ряд ограничений. Принцип ее работы основан на установке и использовании на коже специальных сенсоров, которые улавливают электрические разряды и позволяют на их основе управлять, например, искусственной рукой. Проблема заключается в том, что эти сенсоры улавливают электрические импульсы не одной отдельной мышцы, а всех сразу. Это в свою очередь снижает производительность искусственной конечности и требует от человека огромной практики, чтобы правильно управляться с протезом. Кроме того, такие протезы очень медлительны, неудобны, неточны и, в конце концов, совершенно непохожи на естественные конечности.
Одним из решений этого вопроса может являться использование более точных сенсоров, позволяющих управлять протезом силой мысли человека. Данный метод уже показал некоторые успешные результаты в случае с протезами верхних конечностей, однако с нижними конечностями успехи выглядели совсем не радужно.
Суть проблемы заключается в том, что управлять верхними искусственными протезами можно более сознательно, чем нижними. Мы используем руки для того, чтобы что-то взять, поднять или прикрутить. Другими словами, мы совершаем более координированные действия. Однако ноги мы используем для ходьбы, и управляем мы ими менее сознательно, фактически на уровне рефлексов, которые посылаются в качестве команд спинным, а не головным мозгом.
Например, когда мы надеваем носки на ноги, то мы не думаем о всех тех сложных сериях движений, которые выполняются в этот момент. Мы просто натягиваем носки под воздействием интуиции и согласно нашим рефлексам. Ноги в этом случае сами делают то, что они должны делать. Однако без этого автоматического контроля со стороны нашей нейромышечной системы даже обычное перешагивание через порог будет каждый раз восприниматься нами как большое достижение.
Новая технология Össur управления нижними искусственными конечностями разработана с учетом совместимости с линейкой ее бионических протезов ступней, коленей и ноги в целом. Эти компьютеризированные «умные искусственные конечности» способны в реальном времени самостоятельно понимать необходимость в тех или иных настройках, чтобы обеспечить человеку максимальный комфорт, скорость и эффективность использования по той или иной поверхности.
Основой системы управления таким протезом являются имплантируемые в протезируемую конечность миоэлектрические сенсоры (IMES), разработанные в организации Alfred Mann Foundation. Размером со спичку эти сенсоры имплантируются в определенные оставшиеся мышцы в культе. Находящийся в протезе специальный ресивер принимает передаваемые на сенсор мышцами импульсы и беспроводным способом передает их на микрокомпьютер протеза. В этом случае вся система искусственной конечности действует как один единый кибернетический имплантат, сигналы на который подаются спинным мозгом. В результате человеку не требуется осознанно выполнять те или иные действия для управления искусственной конечностью. Протез управляется практически на подсознательном уровне.
«Данная технология делает управление искусственной конечностью скорее интуитивным и интегративным процессом, нежели осознанно управляемым», — говорит Торвальдур Ингварссон, глава проекта по разработке протеза, управляемого мозгом.
«В результате движения и работа искусственной конечностью получаются более естественными и непринужденными, правда при учете того, что это именно искусственная конечность. Теперь человеку не требуется сначала подумать о тех движениях, которые нужно сделать, потому что их неосознанные рефлексы автоматически трансформируются в миоэлектрические импульсы, которые и контролируют бионическую конечность».
Технология в течение года проходила испытания при участии двух добровольцев, которые очень положительно о ней отозвались. Планируется проведение дальнейших клинических испытаний.
«Управляемые мыслью бионические ноги являются настоящим прорывом в новое поколение бионических технологий», — делится Джон Сигурдссон, президент и исполнительный директор компании Össur.
«Благодаря адаптации не только сознательного управления, но также и интуитивных действий, мы становимся гораздо ближе к созданию искусственных конечностей, которые по-настоящему станут единым целым с их владельцами».
Что такое нейропротезирование? Это вредно?
Что такое нейропротезирование? Это вредно?
Приходит время поздороваться с будущим: управляемые человеческим мозгом роботы уже начинают входить в нашу повседневную жизнь.
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Раньше нам казалось, что протезы, управляемые нашим мозгом — это лишь плод воображения писателей и режиссеров фантастических фильмов, что это все будущее, и нам до него далеко. Но ведь это самое будущее уже наступает: благодаря развитию науки, в особенности нейробиологии и биоинженерии, многие люди, потерявшие конечности или парализованные, получили второй шанс. Шанс ощутить прикосновение любимого человека, шанс держать его за руку, шанс пройтись по улице, шанс видеть и слышать. Так что же такое нейропротезирование, как мозг может управлять протезом и как люди обретают второй шанс на нормальную жизнь?
Конкурс «био/мол/текст»-2017
Эта работа опубликована в номинации «Биомедицина сегодня и завтра» конкурса «био/мол/текст»-2017.
Генеральный спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Спонсором приза зрительских симпатий и партнером номинации «Биомедицина сегодня и завтра» выступила фирма «Инвитро».
Помните Капитана Крюка, который имел протез кисти в виде крюка? Разнообразие протезов, начиная с древности и до современности, заставляет нас удивляться, насколько изобретателен человеческий разум, создавший, например, протез пальца египтянки, жившей 3000 лет назад [1], железную руку Берлихингена и т.д. Однако люди, потерявшие конечность, больше не могли чувствовать ею что-либо. Возможно, это было одной из причин, по которой люди отказывались от протезов. И вот на смену обычным протезам пришли более прогрессивные, которые могут управляться «силой мысли», которые стали более удобными в использовании и не доставляют дискомфорта. Наступила эра нейропротезов!
Этап первый: кохлеарные аппараты
Самый популярный и самый первый по времени разработки — кохлеарный имплантат. В 1748 году Бенджамин Уилсон использовал лейденскую банку, чтобы стимулировать слух у глухой женщины. В 1957 году два французских врача имплантировали во внутреннее ухо пациенту устройство, которое непосредственно стимулировало слуховой нерв. Вскоре после этого в 1961 году доктор Уильям Хаус разработал первый кохлеарный имплантат с одноканальными электродами. Затем в конце 1970-х были разработаны имплантаты с многоканальными электродами [2]. Использование многоканального электрода позволило создать более сложный и реалистичный сигнал, за счет стимуляции улитки.
Имплантат состоит из внешней части, которая находится за ухом, и внутренней, которую хирургически помещают под кожу (рис. 1). Имплантат состоит из следующих устройств:
Рисунок 1. Схематическое изображение уха с кохлеарной имплантацией. Микрофон и речевой процессор (внешнее устройство) принимают звуковые сигналы от внешнего мира и передают информацию в приемник/стимулятор (внутреннее устройство), который соединен с электродной решеткой.
Имплантат не восстанавливает нормальный слух, зато помогает понять речь окружающих.
Кохлеарный аппарат сильно отличается от слухового аппарата тем, что слуховые аппараты усиливают звуки, чтобы их можно было обнаружить поврежденными ушами. Кохлеарные имплантаты обходят поврежденные участки уха и непосредственно стимулируют слуховой нерв. Сигналы, генерируемые имплантатом, отправляются через слуховой нерв в мозг, который распознает их как звук. Слух через кохлеарный имплантат отличается от обычного слуха и требует времени для изучения или переучивания. Благодаря имплантату люди могут понимать речь других людей и звуки окружающей среды.
Текущей областью исследования является разработка полностью имплантируемого устройства. Для воплощения этого в реальность нужно, чтобы микрофон был малым и очень чувствительным. Кроме того, аккумуляторная батарея должна иметь достаточно долгий срок службы и самозаряжаться, а вся система должна быть достаточно мала, чтобы полностью имплантироваться.
Этап второй: робо-руки и робо-ноги
Что такое интерфейс «мозг—компьютер»? Какие способы передачи сигналов существуют? Что такое неропротезирование? Это вредно? Предназначена ли протезная нога для каблуков?
Интерфейс «мозг—компьютер»
До недавнего времени мечта о возможности контролировать окружающую среду «силой мысли» была в области научной фантастики. Однако продвижение технологий принесло новую реальность: сегодня люди могут использовать электрические сигналы активности мозга, чтобы взаимодействовать с ними, влиять или изменять их среду. Технология интерфейса «мозг—компьютер» или нейрокомпьютерный интерфейс (НКИ) может позволить людям, неспособным говорить и/или использовать свои конечности, снова общаться или управлять вспомогательными устройствами для ходьбы и манипулирования объектами [3]. Пользователь и НКИ работают вместе. Пользователь после периода обучения начинает генерировать сигналы мозга, которые кодируют намерение, а НКИ, также после обучения, обнаруживает эти сигналы, декодирует и переводит их в команды на устройство вывода, которое выполняет намерение пользователя.
Что же такое нейропротезирование? Это вредно?
Нейропротезирование или нейронное протезирование — это область биомедицинской инженерии и нейробиологии, связанная с разработкой нейропротезов и их эксплуатацией. Систему впервые применили для замены сенсорной и двигательной функций. И ученые исследуют разные варианты доставки сигналов в нервную систему. На рисунке 2 изображены известные на данный момент способы [4].
Рисунок 2. Способы доставки сигналов от датчиков в нервную систему. Узловые сенсоры располагаются в местах сгибания механических пальцев. Контактные сенсоры — сенсоры, контактирующие с предметами. Чтобы увидеть рисунок в полном размере, нажмите на него.
Исследователи протезирования теперь пытаются предоставить протез, который будет чувствовать предметы не хуже настоящей руки, а возможно, даже лучше. Ведь такой протез может поднять предметы весом до 20 кг!
Способы доставки сигналов разделяются на электрическую стимуляцию нервов в культе (рис. 2а), перенаправление нервов на другие участки тела (например, на грудные мышцы) (рис. 2б) и прямое поступление импульсов в мозг и обратно (рис. 2в)
Что такое целевая реиннервация?
После ампутации конечности в организме остаются двигательные нервы, которые ее контролировали. Остатки нервов можно хирургическим путем перенести на маленький участок какой-нибудь крупной мышцы (это и называется реиннервацией). Например, к большой грудной мышце, если речь идет об ампутированной руке. В результате человек думает, что надо бы пошевелить пальцем. Мозг отправляет сигнал участку грудной мышцы, к которой присоединили нерв, шедший раньше к пальцам. Сигнал фиксируют электроды, которые отправляют импульс по проводам в процессор внутри роботической руки. Тут помогает электромиография. Эта технология позволяет регистрировать разность электрических потенциалов, возникающих при работе мышцы. Она улавливает движение реиннервированного участка грудной мышцы, после чего сигнал передается к нужной части протеза, и эта часть двигается.
Аналогичным образом осуществляется целевая сенсорная реиннервация. Она нужна для того, чтобы при помощи протеза человек мог чувствовать прикосновение, тепло или давление. Тут все в обратном порядке. Хирург перешивает уже оставшийся чувствительный нерв к участку кожи на груди. А сенсоры на протезе передают сигнал от прикосновения к этому самому кожному участку. И человек испытывает тактильные ощущения.
Первым пациентом, получившим эту «целевую реиннервацию», был Джесси Салливан, инженер-энергетик, который потерял обе руки из-за электрических ожогов. После того, как нервы рук были перенаправлены на его грудные мышцы, Салливан смог управлять протезными руками, просто думая о действиях (рис. 3). Но, к всеобщему удивлению, он также почувствовал, когда его груди коснулись. Будто бы коснулись его рук. Оказалось, что перенаправленные нервы вросли в кожу груди, и его мозг интерпретировал сенсорные сигналы в исходящие из его руки. Отдельные участки груди отвечали за касание ладони, другие же за касания пальцев и предплечья.
Рисунок 3. Джесси Салливан с нейропротезами.
Примером также может послужить Мелисса Лумис, проживающая в Кантоне, она потеряла руку в 2015 году. Ее покусал енот, и, хотя повреждения были не слишком сильными, инфекция, попавшая в рану, привела к сильному заражению. Очаг заражения находился в предплечье, которое пришлось ампутировать, поскольку под угрозой была жизнь пациентки. Женщине также сделали «целевую реинннервацию», только остатки нервов направили не на грудную мышцу, как было с Джесси, а в двуглавую мышцу плеча (видео).
«Я впервые чувствую предметы через протез», — говорит Мелисса.
Видео. Протез для Мелиссы.
А что, если связь нервов со спинным мозгом разорвана? Как тогда будут поступать сигналы в головной мозг от протеза?
Действительно, если разорвана связь со спинным мозгом вследствие травмы или заболевания, то методы перенаправления нервов или использование оставшихся нервов в культе не будут работать. Поэтому исследователи придумали другой изощренный подход: забраться в головной мозг (рис. 2в) и стимулировать определенный участок. Забраться в мозг не так уж и трудно, тем более что определенные участки мозга контролируют определенные части тела. Человеком, впервые испытавшим на себе такую методику, был 56-летний Билл Кочевар. Он оказался парализован в результате несчастного случая и смог пошевелить телом ниже плеч благодаря новой технологии имплантации.
Предназначена ли протезная нога для высоких каблуков?
Рисунок 4. Тестирование лодыжки.
Этап третий: бионический глаз — реальность или вымысел?
Со словами «бионический глаз» у нас ассоциируются самые разные вещи: у кого-то Терминатор, у кого-то Вселенная DC и комиксы, у кого-то высокие технологии протезирования, а у кого-то вообще нет никаких ассоциаций. Чем на самом деле является бионический глаз?
Рассмотрим рисунок 5.
Рисунок 5. Схема устройства Argus ll.
Миниатюрная камера, установленная на очках, используется для захвата изображения. Затем эти изображения анализирует портативный процессор и преобразует в электронный сигнал. Импульсы сигнала транслируются на имплантат по беспроводной сети через радиочастотные катушки. Полученный сигнал передается в электродную решетку, управляющую нервными элементами сетчатки (то есть биполярными и ганглиозными клетками) [6–8]. Именно здесь начинается обработка сигнала, и далее интегрируется, когда он проходит через зрительный нерв на зрительную кору для окончательного восприятия визуального изображения. Общая методика заключается в электрическом стимулировании зрительных путей с помощью протеза зрения или «бионического глаза». Суть стимуляции — в вызывании активности нейронов на участке, который остается функциональным независимо от основной причины слепоты.
Как мы остановим хакеров от вторжения в наши мозги, когда мы будем киборгами?
Стремительно развиваются взаимодействия между мозгом и компьютером. И эти технологии могут в конечном итоге превратить людей в настоящих киборгов. Однако до того как это случится, нам нужно удостовериться в безопасности нейронных устройств и защите их от хакерских угроз.
С мечтами о нашем светлом кибернетическом будущем исследователи опубликовали на портале Science свою работу Help, hope, and hype: ethical dimensions of neuroprosthetics [9]. Авторы поставили себе задачу не только описать те возможности, которые перед нами откроет сфера нейротехнологий, но и привелчь общественное внимание к тем опасностям, которые могут подстерегать нас на пути к этому сверхвысокотехнологичному будущему.
У всех таких технологий, к сожалению, есть и обратная сторона. Вокруг этой области начинают появляться серьезные этические вопросы, и поэтому самое время начать думать о том, каким образом нейропротезирование и сфера разработок мозг—машинных интерфейсов могут привести к злоупотреблениям в будущем, а также о том, как от этого защититься.
Уже сейчас мозг—машинные интерфейсы можно использовать для того, чтобы, управляя роботизированной рукой, схватить чашку или, смотря на экран компьютера, выбрать определенное слово в тексте. Но когда-нибудь такие устройства, только более продвинутые, будут использоваться как аварийным работником для ликвидации опасной утечки газа, так и мамой ребенка, у которой не хватает лишних рук, чтобы успокоить своего плачущего малыша. Что, если в этой ситуации что-то пойдет не так, например, робот-нянька случайно выронит ребенка? Важно задать себе вопрос: где начинается и заканчивается зона ответственности, и кто в таких случаях должен быть признан виновным? Была это ваша оплошность по невнимательности или ошибка робота? Как сравнить ответственность человека с нейропротезом и человека, случайно совершившего тот же проступок своими руками? Лежит ли ответственность за такие сбои на производителях? Или на ученых? Доверяя ребенка роботу, осознавали ли вы, что устройство может выйти из строя? Юридической системе будущего придется определять, находится ли нарушение в зоне ответственности производителя роботизированного изделия (в конструкции найден брак или программная ошибка) или пользователя (неправильное использование или внешнее неавторизованное воздействие на целостность конструкции).
Для минимизации таких потенциальных проблем авторы обсуждаемой работы предлагают, чтобы любая полуавтономная система оснащалась функцией автоматической блокировки, и в случае ненадлежащего или незапланированного использования эта функция активировалась в обход прямого канала взаимодействия «мозг—компьютер». Если искусственная конечность начнет выполнять действия, которые пользователь не подразумевал для выполнения, то такой «выключатель» сможет самостоятельно принять решение по мгновенной деактивации системы, предотвратив потенциальную беду.
Еще одним аспектом, беспокоящим исследователей, является безопасность частной жизни пользователя и необходимость в защите любой личной информации, которая будет записываться подобными системами. Весьма вероятно, что системы, базирующиеся на интерфейсе «мозг—компьютер», будут собирать самую различную информацию о неврологическом статусе пользователя, после чего она будет передаваться на компьютер. Естественно, что такая схема не может не вызывать некоторые опасения по поводу защиты конфиденциальных данных. По мнению исследователей, собираемая информация может быть украдена и использована ненадлежащим образом.
Еще сильнее исследователей беспокоит возможность цифрового взлома злоумышленниками подключенного к мозгу устройства, что может фактически поставить под угрозу жизнь пользователя этого устройства. С помощью так называемого «взлома мозга» могут производиться злонамеренные манипуляции с мозговыми имплантатами. Хакеры смогут получить контроль над движениями роботизированных конечностей человека.
Возможное решение этой проблемы будет включать повышенный уровень шифровки информации, создание надежной сетевой безопасности и открытого коммуникационного канала между производителем изделия и его пользователем. Настает время задуматься над путями, которые позволят всем выработать стандарты по разработке необходимых защитных мер.
В перспективе неинвазивные интерфейсы «мозг—компьютер» можно будет использовать для создания своего рода телекинетической связи с окружающим миром, в котором мы своими мыслями сможем управлять освещением в доме или хотя бы просто переключать телеканалы. Другими словами, дальнейший прогресс будет способен превратить эти технологии в технологический вид телепатии. Что же касается исследователей, то их ключевой посыл заключается в том, чтобы мы были готовы к этому и смогли предотвратить использование подобных технологий в злонамеренных целях.
Заключение
Нейропротезирование — глобальная тема для будущего. Технологии становятся реальностью благодаря усердному труду ученых. Возможно, в будущем ученые разработают когнитивные имплантаты, делая нас более умными и сильными. Станем ли мы киберобществом [10]?