Нейрокомпьютерные интерфейсы, или интерфейсы «мозг-компьютер», — это технологии, позволяющие управлять устройствами или внутренними процессами организма человека с помощью электрических сигналов мозга. Самый распространенный пример — прибор для электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Технологию придумали еще в 1924 году, а использовать в медицине начали с 1970-х годов. ЭЭГ и по сей день широко применяется в науке и медицине.
Психофизиолог Александр Каплан, отметил, что нейроинтерфейсы — это не телекинез и не телепатия. Мысленные команды человека расшифровываются по записи электрической активности мозга или ЭЭГ, и в этом уже нет ничего магического и удивительного. Например, с 2018 года началась разработка комплекса «Нейрочат», позволяющего людям, лишенным речи и движений, управлять печатью текстов, инвалидной коляской или бытовыми приборами.
Нейроинтерфейс работает по принципу связи — при помощи определенных манипуляций устанавливается канал между мозгом и внешними устройствами. Существует два типа взаимодействия: однонаправленные и двунаправленные. Первые либо принимают сигналы от мозга, либо посылают их ему. Вторые же пока существуют лишь в виде концепции — но в перспективе смогут осуществлять оба процесса одновременно.
«Также нейроинтерфейсы различают по расположению: инвазивные, малоинвазивные, неинвазивные. В первом случае НКИ вживляют в мозг, вторые располагают на поверхности мозга, третьи — на голове. Первый и второй принцип расположения — это пока уровень ранних научных изысканий, апробация на животных и т. д. Последний вариант — один из самых распространенных, здесь уже есть немало прикладных решений», — сказал руководитель направления Digital Health биомедицинского кластера Фонда «Сколково» Сергей Воинов.
Согласно исследованию ведущего нейрофизиолога Сергея Шишкина, инвазивные НКИ обеспечивают наилучшую производительность и дают доступ к ранним стадиям формирования моторных решений.
В своей статье специалист отмечает, что в ближайшее время нейроинтерфейсы заменят пользователям все инструменты ввода. С удобным интерфейсом человек будет меньше уставать и реже делать ошибки. Еще одно преимущество — контроль. НКИ смогут дать человеку уверенное управление программой или устройством — чего, например, не может дать джойстик игровой консоли.
От медицины до развлечений
Развитие НКИ следует за идеей, что протекающие в головном мозге процессы содержат большой объем информации, но лишь пятую часть из них мы можем наблюдать в реакциях людей. Соответственно, перспективы исследований в этой сфере довольно высокие.
Медицина. Изначально технология создавалась для применения НКИ в сфере медицины, например, для восстановления людей после серьезной травмы, для диагностики неврологических заболеваний или помощи людям с ограниченными физическими возможностями. В качестве примера можно взять компанию «ЭкзоАтлет», это резидент «Сколково». После успешных испытаний на рынке у производителя появился роботизированный тренажер с биологической обратной связью для восстановления навыков ходьбы. Эффективность процесса реабилитации повышает встроенная система синхронизированной электростимуляции, которая позволяет применять функциональную и нейроэлектростимуляцию во время ходьбы в экзоскелете.
Работа. Крупные компании часто применяют нейроинтерфейсы в корпоративных тренингах, например, в искусстве переговоров или в креативе. Сотрудники сидят в обручах, которые считывают показатели и фиксируют продуктивные состояния — высокий уровень покоя, низкий уровень стресса. Такими кейсами занимается резидент «Сколково» «Лаборатория знаний».
Развлечения. НКИ также нашли применение в играх. Новые технологии обеспечивают пользователям безбарьерный доступ, отчего необходимость в клавиатурах и игровых консолях отпадает. Ранее французская компания NextMind анонсировала неинвазивный нейроинтерфейс, считывающий активность зрительной коры головного мозга. В России об играх с применением нейроинтерфейса заговорили в компании «Импульс Нейри», которая с 2019 года является резидентом «Сколково». Разработанные специалистами компании продукты способны анализировать биоэлектрическую активность мозга, а благодаря задействованию сверточных нейросетей, исключается необходимость обучения либо калибровки системы — каждому новому пользователю достаточно лишь подключиться. Далее система будет сама подстраиваться под индивидуальные показатели человека, повышая его когнитивные ресурсы. Главная цель проекта: создать международную сеть игровых нейроаттракционов и базы компьютерных игр с нейроуправлением.
Обучение в ногу со временем
Не менее важная сфера, в которой применяются НКИ, — обучение. Большие надежды возлагаются на отслеживание когнитивной активности обучающихся. Как правило, преподаватель во время экзамена или урока сам анализирует состояние учеников, решая, как лучше подавать информацию и на чем сделать акцент. Благодаря методам ЭЭГ за короткое время можно считать около 20 индивидуальных показателей состояния человека, начиная от стресса и заканчивая концентрацией внимания.
«Таким образом, преподаватель поймет, когда ученик пытался списывать, какие задачи вызывали трудности, насколько он концертировал внимание, что зазубрил, а что действительно запомнил и понял. То есть технология может помочь проверить и верифицировать знания», — поясняет руководитель направления EdTech ИТ-кластера Фонда «Сколково» Наталья Царевская-Дякина.
Нейроинтерфейсы позволяют и анализировать уровень вовлеченности учеников в изучение материала. В этом случае преподаватель может корректировать действия и возобновлять интерес. Если говорить об онлайн-образовании, то это возможность сформировать идеальные курсы. Например, какими инструментами лучше пользоваться, какие уроки эффективнее: короткие по 20 минут или длинные по 40.
Еще одно немаловажное применение НКИ — анализ потребностей учащихся. Благодаря устройствам можно определить, в каком состоянии сейчас находится студент, какое время суток для него наиболее продуктивное, и какие занятия для него предпочтительны — групповые или индивидуальные. Таким образом человек сам настроит под себя максимально комфортную и эффективную систему обучения. В 2021 году компания «Импульс Нейри» провела пилотный проект в школах Москвы и Казани. Ученикам предложили в течение полугода посещать уроки и решать тесты, надев шлемы виртуальной реальности. Одновременно к ним были подключены датчики нейроинтерфейса, которые считывали сигналы мозга. VR-уроки занимали от 20 до 40 минут. Результат превзошел все ожидания.
«Ученые установили, что когнитивные функции учеников улучшились: снизились импульсивность и возбудимость, а концентрация внимания и сознательный контроль выросли», — подчеркнула Наталья Царевская-Дякина.
Отдельное направление составляют исследования, нацеленные на помощь в обучении детям и взрослым с ограниченными возможностями. Например, благодаря мозговой активности учащимся не потребуются клавиатура и мышь. Технологии помогут считывать эмоции, и в случае студентов с психическими нарушениями НКИ будут передавать информацию преподавателю, который сможет скорректировать урок или свое поведение.
Взгляд в будущее
В ближайшее десятилетие изучение и развитие нейроинтерфейсов останется перспективным направлением. Технологию будут применять и в других сферах жизни человека. НКИ проделали огромный путь: объемные медицинские системы лабораторных исследований превратились в устройства, которые сейчас умещаются в мобильном телефоне и индивидуально подстраиваются под человека. То есть пользователь будет знать именно свой уровень стресса как личный показатель.
По мнению Шишкина, в массовом применении нейроинтерфейсов ясности нет, поскольку сейчас всё останавливается лишь на восхищенных отзывах пользователей. Однако анализ публикаций по интерфейсам показывает, что шансы приблизиться к прорыву в этой сфере есть. Например, сейчас в МЭГ-центре МГППУ идет работа по проекту, поддержанному Российским научным фондом, в которой будут оценены возможности создания новых нейроинтерфейсов на основе квазидвижений. Помимо этого группа исследователей из Института физиологии им. И. П. Павлова РАН и Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии запустила проект «Нейроинтерфейсы, или как управлять силой мысли». Любой желающий может принять участие в исследовании. Волонтерам предлагают пройти психологическое и психофизиологическое тестирование и воспользоваться НКИ. Так, пользователь с помощью воображения начнет управлять виртуальным окружающим миром.
Ориентируясь на задачи, разработки и проекты, можно сказать, что нейроинтерфейсы в какой-то момент станут неотъемлемой частью образования. Например, будут помогать прогнозировать продуктивность учебной деятельности, находить ошибки на уровне сознательного мониторинга, определять особенности когнитивного состояния на разных предметах и так далее. Несмотря на то, что сейчас многие технологии находятся на стадии разработок, нельзя отрицать тот факт, что НКИ могут сделать обучение более эффективным.
