Компьютер из крыс и обезьян

Ученые смогли объединить мозги нескольких животных в компьютерную сеть

После нескольких недель тренировок обезьяны

воспринимают виртуальное тело, как свое собственное.

Фото: Duke Center for Neuroengineering

Интерфейс мозг-компьютер позволяет регистрировать сигналы нервных клеток мозга, расшифровывать их ответ и использовать эти сигналы для управления различными устройствами при помощи “силы мысли”. Экспериментов с этим интерфейсом проводится множество, однако до сих пор дело в них ограничивалось подключением одного мозга к одному устройству.

Нейрофизиологи из Университета Дьюка (США) недавно опубликовали в журнале Scientific Reports результаты экспериментов, в которых к интерфейсу мозг-компьютер подключались несколько животных, обезьян или крыс, выполнявших общую задачу. 

Рассказывает один из авторов этих исследований Михаил Лебедев.

Две обезьяны хорошо, а три лучше

•  - В чем заключались эксперименты с обезьянами?

Первый эксперимент был такой: двух обезьян просили двигать виртуальной лапой и сигналы их мозга складывали. Один мозг может может управлять искусственной лапой, но в сигнале есть шумы и лапа дрожит. А если подсоединить два мозга, то сигнал улучшится и движения будут получаться точнее.

Интересно, что мы увидели, как обезьяны подстраиваются друг под друга, работая вместе. Одна обезьяна двигала виртуальной лапой активностью своего мозга быстро, а другая была медленная, ленивая, но в результате они научились друг друга лучше понимать. Одна из обезьян чуть-чуть замедлилась, а вторая чуть-чуть ускорилась.

Во втором эксперименте одна обезьяна управляла движением виртуальной лапы по оси x, а другая - по оси y. Из-за того, что мозг каждого участник выполнял более простую задачу, это давало выигрыш в производительности и точности. Кроме того, мы увидели, что в мозге возникла пластичность - хотя в принципе алгоритм извлекал из мозга обезьян обе координаты, мы увидели, что мозг каждой из обезьян начинал представлять только ту координату, которая была основной для этого животного.

В третьем эксперименте мы решили посмотреть, смогут ли несколько животных выполнять некую общую задачу, о которой каждое из них даже не догадывается. В данном случае каждая обезьяна имела перед собой двумерный дисплей и управляла движением изображения руки на нем в двух измерениях, а все вместе они управляли движением руки в трехмерном пространстве.

Во всех экспериментах обезьяны сидели в разных комнатах, но они чувствовали своих партнеров. Так, если одна из них вдруг совершала ошибку, вторая старалась ее скорректировать. А в случае трех обезьян мы даже видели, что одна обезьяна могла просто выключиться, сделать паузу, и остальные продолжали работать за нее. Потом другая брала паузу и так далее. Надежность системы таким образом повышалась.

Несколько обезьян управляли движением лап виртуального

аватара в трехмерном пространстве,

хотя видели только двумерное изображение.

Фото: Miguel Nicolelis lab / Pais-Vieira et al. / Nature

• - Как вы регистрировали активность их мозга?

У каждой обезьяны были имплантированы в мозг от 500 до 1000 электродов, каждый из которых записывал активность отдельных нейронов. Мы регистрировали активность в моторных и сенсорных областях. Первая отвечает за движения, вторая - за осязание и чувство положения конечности. Если считывать, например, только один нейрон, то сигнал будет довольно шумный. Но если регистрировать активность 100-200 нейронов или больше, то суммарный сигнал улучшается и существуют специальные алгоритмы, которые могут разряды этих нейронов переводить в движение виртуальной лапы.

• — Как вам удалось «объяснить» обезьянам, что им нужно делать?

Для обезьян это была интересная компьютерная игра – человек и обезьяна в этом смысле очень похожи. Если человеку дать возможность управлять виртуальной рукой, то через некоторое время он начнет воспринимать эту искусственную руку, как свою собственную. Так же и с обезьянами, они практикуются, многие дни, недели и постепенно управление изображением лапы на экране для них становится как управление собственной лапой. А в качестве подкрепления за каждое удачно выполненное движение они получали глоток фруктового напитка.

• - Как вы полагаете, эту технологию можно будет использовать?

Могу изложить некую фантазию, которая, впрочем с большой вероятностью будет осуществлена в ближайшие 5-10 лет. Допустим, есть парализованный больной, и терапевт помогает ему восстановить двигательные функции. Можно представить себе ситуацию, когда вклад мозга терапевта соединяется с вкладом мозга больного, и они вместе решают эту задачу. В особенности это будет хорошо работать, если терапевт будет получать обратную связь о том, что происходит в мозгу пациента. Тогда он сможет корректировать свое терапевтическое воздействие.

Крысиный компьютер

• - Хорошо, а что вы сделали с крысами?

Это была первая попытка сделать компьютер, состоящий из мозгов крыс. Компьютер, конечно, наипримитивнейший на данном этапе, но все-таки мозг каждой крысы выполнял определенную логическую операцию. В экспериментах участвовали от трех до четырех крыс, им подавался двоичный сигнал - 0 или 1, почти как в компьютере - в виде стимуляции сенсомоторной коры. Для этого в кору головного мозга вживляют электрод и подают через него очень слабый разряд тока. Животные и человек могут воспринимать это как сенсорный стимул. Поскольку у крыс самый главный орган чувств - это усы (вибриссы), когда им подают ток на электрод в сенсомотороной коре, они чувствуют, как будто кто-то их дергает за ус.

• - В чем заключались сами эксперименты?

Каждая крыса сидела в своей коробке, и первый эксперимент был простой: мы подавали на вход сигнал, например соответствующий 1, и они должны синхронно и одинаково ответить. С этим они успешно справились. Затем задача была такая - подается либо 0, либо 1 (я условно их так называю, на самом деле это были последовательность разрядов, одна из которых соответствовала 0, другая - 1). На 1 крысы должны были синхронно ответить активностью мозга, а на 0 расслабиться и не генерировать нейронных разрядов. С этим они тоже справились. Этот эксперимент можно сделать и с одной крысой, посмотреть, распознает ли мозг входящий сигнал. Но когда в нем участвуют несколько крыс, качество распознавания сигнала улучшается, потому что опять-таки если одна крыса заленится в какой-то момент, другие смогут ее заменить.

Третий эксперимент состоял в том, что крысам надо было передавать сигнал друг другу по цепочке. Это немного похоже на игру в испорченный телефон, когда несколько человек передают какое-то слово или фразу друг другу, с той лишь раницей, что крысы старались, чтобы сигнал при передаче не искажался. На вход цепи, составленной из мозгов крыс, подавался на вход сигнал, либо 0, либо 1. Первая крыса его распознавала и передавала другой опять-таки посредством микростимуляции. И так далее. И таким образом память об исходном сигнале сохранялась в цепочке животных.

• - Как они могли подавать сигналы друг другу?

В одном полушарии у крыс были стимулирующие электроды, а в другом - записывающие. Мы стимулировали одно полушарие, а другое должно было как-то среагировать. В нем регистрировалось около 20 нейронов.

• - Как вы добились столь четкой и однозначной реакции на стимулы?

Хотя крысы - довольно умные животные, они сомневаются гораздо меньше, чем обезьяны, и часто действуют «на автомате». Благодаря этому некоторые эксперименты на них проще проводить, так как они очень легко обучаются с помощью пищевого подкрепления. Возможно, это и парадоксально, но на примитивных животных наш компьютер работает более четко. Кроме того, недостатка в крысах нет, так что компьютер можно пытаться сделать из большого количество мозгов крысы.

• - Что может делать такой компьютер?

В последнем эксперименте мы показали, что такая несколько мозгов крыс, обьединенных в сеть, могут даже предсказывать погоду. Мы подавали данные о влажности воздуха, давлении и другие параметры на вход сети, составленной из крысиных мозгов, и сеть могла прогнозировать погоду. Да, и такое возможно, хотя этот эксперимент представлял из себя, частично, шоу. А в будущем я вижу очень широкие возможности. Теоретически и практически можно количество сигналов, считываемых из мозга и подаваемых в мозг, увеличить до десятков тысяч, и тогда это уже действительно будет работать, как мощный компьютер. Конечно, по быстродействию он никогда не превзойдет обычный, но, с другой стороны, мозг может выполнять много таких операций, которые для обычного компьютера очень сложны, например, распознавать изображение или абстрактно мыслить. Я уверен, что системы такого рода появятся уже в ближайшее время.

«Чердак»