Истинный творец всего. Как человеческий мозг сформировал вселенную в том виде, в котором мы ее воспринимаем - Николелис Мигель

За годы до этого дня я назвал такой обобщенный интерфейс «мозг-машина» мозгосетью. Я разрабатывал эту концепцию в рамках теоретической работы, предполагая, что для ее проверки в реальном эксперименте понадобится много лет. Однако, как это часто бывает в экспериментальной науке, вышло так, что несколько неожиданных событий позволили нам в 2013 году довести эту идею до реализации в лаборатории. Первая версия мозгосети была протестирована в экспериментах одного из моих самых замечательных молодых сотрудников – португальского нейробиолога Мигеля Паис-Виейры. В серии революционных исследований Мигель смог показать, что пара крыс, мозги которых были напрямую соединены между собой, могли обмениваться очень простыми бинарными электрическими сообщениями (рис. 7.1). В этих экспериментах одна крыса, которую называли шифратором, осуществляла какое-то действие, например, нажимала на один из двух рычагов, чтобы получить пищевое вознаграждение. При этом в соматосенсорную или моторную кору второй крысы, которую назвали дешифратором, напрямую поступал короткий электрический сигнал, генерированный мозгом шифратора и сообщавший о его действиях. Этот электрический сигнал сообщал крысе-дешифратору, что она должна делать (а именно, имитировать действие крысы-шифратора), чтобы тоже получить вознаграждение. Примерно в 70 % экспериментов так и происходило. Крыса-дешифратор решала, на какой рычаг нажать, на основании электрических инструкций, поступавших из моторной коры другого животного (крысы-шифратора)!

Рис. 7.1. Экспериментальная схема межмозгового интерфейса для передачи сигналов моторной коры. Стрелки указывают направление потока информации от крысы-шифратора к крысе-дешифратору. Pais-Vieira M. et al. A Brain-to-Brain Interface for Real-Time Sharing of Sensorimotor Information. Scientific Reports 3, 2013: 1319.

Чтобы добавить изюминку к этим первым демонстрационным экспериментам по межмозговому общению, Мигель Паис-Виейра провел несколько опытов, в которых крыса-шифратор находилась в лаборатории Института нейробиологии, организованного мной в 2005 году в городе Натал в Бразилии, а крыса-дешифратор оставалась в нашей лаборатории в Университете Дьюка в США. Благодаря интернету взаимодействие между этими двумя грызунами происходило так, словно оба участника находились рядом друг с другом.

К 2014 году я решил проверить еще одну конфигурацию мозгосети – в этот раз с помощью интерфейса между несколькими мозгами и машиной для контроля моторной функции. Руководить этой работой я пригласил блестящего молодого нейробиолога из индийского города Бангалор Аруна Рамакришнана, присоединившегося к моей лаборатории в 2012 году. Договорившись об основных задачах нового эксперимента, мы принялись обсуждать детали ключевых элементов этого первого лабораторного интерфейса между совмещенным мозгом и машиной для контроля моторной функции. Для начала, в отличие от подхода Мигеля Паис-Виейры, использовавшего прямую связь мозг-мозг, мы решили использовать компьютер, который бы объединял электрическую активность, возникающую одновременно в мозге трех отдельных существ. В этом конкретном варианте, названном нами B3-мозгосетью, каждый из трех участников мог использовать электрическую активность собственного мозга для контроля лишь двух из трех измерений, необходимых для правильного перемещения виртуальной руки в виртуальном пространстве. Например, участник 1 мог отвечать за перемещение движимой мозгом виртуальной руки вдоль осей X и Y, участник 2 мог контролировать направления Y и Z, а участник 3 – направления X и Z. Компьютер должен был комбинировать эти мозговые сигналы, чтобы направлять виртуальную руку по всем трем осям одновременно. Это означает, что наша B3-сеть передвигала виртуальную руку в центр сферической мишени только в том случае, когда хотя бы двое из трех участников синхронизировали между собой электрические сигналы моторной коры. Если сигналы не были синхронизированы, рука не двигалась с места. Однако если активность моторной коры была синхронизирована, компьютер генерировал постоянный трехмерный кинематический сигнал, который продвигал руку к цели. И все это должно было происходить при условии, что ни один из трех участников эксперимента не знал о существовании двух других. Для проверки правильности мыслительной работы каждого участника им посылали зрительные сигналы обратной связи, выражавшиеся в перемещении по экрану компьютера в двумерном пространстве виртуальной руки, контролируемой мозгом каждого из них. Наконец, по результатам каждого опыта, если виртуальная рука дотрагивалась до цели быстрее, чем за предопределенный отрезок времени, каждый участник получал награду в виде очень вкусного фруктового сока.

Используя эти простые правила, мы начали основательно тренировать наших трех участников. Они легко преуспели в выполнении индивидуальной работы по контролю перемещений руки в двух измерениях, однако в подавляющем большинстве опытов, хотя они правильно выполняли индивидуальную работу, они совсем не синхронизировались, так что виртуальная рука не совершала нужных перемещений в трехмерном пространстве. И поэтому никто никакого сока не получал. Это было нехорошо – как для участников, так и для нас. Но даже во время этих первых тренировок изредка двое или даже трое участников все же достигали прекрасной синхронизации нейронов моторной коры, так что рука перемещалась и достигала цели.

После трех недель наблюдений за этим динамичным ментальным танцем в погоне за неуловимой временной синхронизацией мозга трех участников мы начали замечать некоторый прогресс. По мере тренировок количество экспериментов, в которых наблюдались краткие периоды синхронизации активности мозга двух или даже трех участников, начало медленно, но верно расти. И каждый раз все три участника испытывали краткое, но сильное чувство победы.

Через три недели после проведения первого эксперимента с B3-сетью мы собрались в лаборатории с каким-то особенным предчувствием. На одиннадцатом испытании, когда все три участника решили наконец действительно выложиться по полной, поначалу все выглядело как обычно (проще говоря, ничего не выходило). И вдруг – успех: все в лаборатории услышали долгожданный металлический звук: согласованное ритмичное биение трех соленоидных клапанов, по одному на комнату, означавшее успех, выразившийся в одновременной выдаче награды всем трем участникам. По мере того как вспышки синхронности соленоидов учащались и становились практически непрерывными, все присутствующие поняли, что происходит нечто грандиозное: моторная кора участников нашей тройной мозговой сети обучилась синхронизироваться и работать в прекрасной временно́й гармонии. Действительно, к концу того дня почти 80 % попыток трех участников были синхронными. Мозги, находившиеся в разных головах и не имевшие между собой никакой физической связи, теперь составляли единую распределенную органическую вычислительную единицу и использовали ее возможности в качестве цифрового компьютера, смешивая электрические сигналы всего лишь 775 нейронов для расчета моторной программы, способной продвигать к цели виртуальную руку.

Если первая демонстрация интерфейса «мозг-машина» в нашей лаборатории двадцатью годами ранее вызвала интерес и послужила началом серьезных современных исследований в области интерфейса «мозг-машина», к чему же могла привести первая демонстрация синхронизации электрической активности мозга нескольких индивидуумов для решения общей двигательной задачи? Мы тогда не могли себе и представить. Больше всего мы тогда жаждали скорее погрузиться в терабайты накопленных за три недели данных и посмотреть, что же происходило в то время, пока три участника обучались мысленно кооперироваться для совершения согласованного действия. Однако к моменту окончания этого анализа разнообразные поведенческие и нейрофизиологические данные пролили свет на то, что происходило за те одиннадцать дней, на протяжении которых функционировала наша B3-сеть. Во-первых, мы подтвердили, что в целом эффективность работы B3-сети выросла с 20 (день 1) до 78 % (день 11). Как было предсказано с самого начала, максимальная эффективность достигалась тогда, когда все три участника включались в работу полностью и правильно синхронизировали активность коры (рис. 7.2). Проанализировав одновременные записи активности коры мозга трех участников, задействованных в B3-сети (а также некоторые данные, полученные в системе из двух мозгов в B2-сети), мы обнаружили, что успешность эксперимента в значительной степени коррелировала с высокой степенью синхронизации активности коры трех участников: иными словами, группы нейронов коры в одном мозге начинали производить электрические импульсы в тот же момент, что и кластеры нейронов коры в двух других мозгах.