18 марта 2025 года практически незамеченным прошло одно печальное событие — в преклонном возрасте 44 лет скончался бонобо Канзи. Это был достоверно самый выдающийся ум из представителей своего вида. Один из моих первых постов на Хабре был посвящён этому выдающемуся примату, и прожитая им феноменальная жизнь интересовала меня как модель существования одинокого человека (впрочем, у Канзи была семья) в кругу высокоразвитых гуманоидов, интеллект которых остаётся для этой особи непостижимым и недостижимым. Размышляя о Канзи, я опять задумался, что буквально по пальцам можно пересчитать удачные фантастические сюжеты, в которых человек приобретает суперинтеллект и не знает, что с ним делать, либо (фабула обязывает) страдает от такого буста. Корифеи жанра наверняка вспомнят какие-то сюжеты кроме «Газонокосильщика» и «Цветов для Элджернона». Но в настоящее время, когда имплантаты Neuralink уверенно вышли в продакшен, аппаратное усиление мозга без всякой фармацевтики уже замаячило на горизонте, о чём и поговорим под катом.

Современные мозговые имплантаты — это, прежде всего, миниатюрные электронные устройства, которые изготавливаются из биосовместимых материалов и вживляются в мозг пациента. Здесь уместнее говорить о «пациентах», а не о «пользователях», поскольку после успешно пройденных клинических испытаний нейроимпланты работают по принципу неврологических протезов, немного расширяя возможности людей с тяжёлыми черепно-мозговыми травмами, афазиями, либо смягчая симптомы нейродегенеративных заболеваний. Такие устройства стимулируют, записывают или модулируют нервную активность. Практическая польза от имплантатов заключается в восстановлении памяти и когнитивных функций, поэтому они рассматриваются как действенное средство для борьбы с болезнью Альцгеймера. Кроме того, при помощи нейроимплантатов мы сейчас учимся управлять мозговыми центрами.    

Подключить такой имплантат к мозгу принципиально несложно, поскольку передача информации в человеческой нейронной сети происходит через электрические сигналы. Поэтому требуется решить три основные технические задачи: 1) подобрать достаточно слабые токи, которые позволили бы интегрировать имплантаты в мозг, но при этом не повредить человеческие нейроны, 2) найти биосовместимые материалы для изготовления имплантатов, 3) обеспечить модульную конструкцию имплантатов, чтобы даже минимальные электронные вставки давали ощутимую пользу. Кроме того, чем меньше отдельный имплантат, тем меньше будут осложнения, если он откажет.

Итак, эти устройства должны быть гибкими, биосовместимыми, обладать как можно большим количеством контактов на единицу площади, иметь малый контактный импеданс, а также поддерживать хорошую изоляцию между отдельными каналами. Поэтому в широком смысле описываемые устройства являются не столько имплантами (типичный нейронный имплантат — Neuralink), а гибкими интерфейсами мозг-компьютер,  о которых в основном далее и пойдёт речь.  

Передача сигналов и электрическая стимуляция мозга

Заострим внимание на том, что межнейронная коммуникация в живом организме происходит через электрические сигналы. Описать этот процесс с точки зрения передачи сигналов удалось на Хабре уважаемому Михаилу Прынкову @mprynkov в статье «Электрическая душа. Психофизиология для «чайников»», а об обмене информацией между нейронами написано много, но я обращу ваше внимание на статью уважаемого Андрея Белкина @aigame «Электромагнитное взаимодействие нейронов». Таким образом, при проектировании интерфейсов мозг-компьютер важно «настроить» имплантат на взаимодействие с живыми нейронами, чтобы интерфейс правильно интерпретировал и передавал эти сигналы. Для правильной интерпретации сигналов их нужно научиться обнаруживать (вычленять) в потоке мозговой активности и записывать, а затем переводить в цифровую форму, в которой сигнал становится пригоден для обработки в микрочипе. Нейрокомпьютерные микрочипы интересны в качестве диагностических средств — они работают подобно электроэнцефалографу, но снимают информацию непосредственно с человеческой нейронной сети. С их помощью можно лучше понять функции мозга, а главное — алгоритмизировать их для дальнейшего изучения средствами искусственных нейронных сетей (глубокого обучения). Интересные связи в работе человеческих нейронов и агентных нейронных сетей разбирает на Хабре уважаемый @vsradkevich в статье «Агентные качества нейрона: научные свидетельства и модели».

Встраивание искусственных нейронов в мозг

Здесь подробнее остановлюсь на проблеме биосовместимости. Традиционный имплантат слишком велик по сравнению с отдельными нейронами, поэтому вызывает иммунный ответ, воспаление и отторгается мозгом как инородное тело. В результате записываемый сигнал становится нестабильным, а нейроны постепенно отмежёвываются от имплантата, который обрастает соединительной тканью, напоминающей рубец. Одна из первых попыток решить эту проблему была предпринята в 2017 году под руководством Чарльза Либера в Гарвардском университете и описана в этой статье. Датчики попробовали маскировать, помещая их в белковую оболочку и сближая по форме с обычными нейронами.      

Нейрон состоит из клеточного тела (сомы), а также отростков, объединяющих нейроны в сеть. В нервной клетке есть один длинный отросток аксон, через который электрические импульсы идут к органам и другим нервным клеткам, а также множество дендритов — коротких отростков, собирающих входящую информацию, которую получают через синапсы. Поэтому имплантат можно спрятать в своеобразном «чехле», где будут искусственные «сома» и «аксон», а «дендриты» не потребуются, поскольку входящая информация будет поступать с компьютера. Группа Либера сконструировала такие имплантаты, сравнимые по размеру с обычными нейронами, где в соме находился электрод, записывающий активность мозга. Контакты этого электрода подключаются к площадке, вынесенной на поверхность черепа (лабораторной мыши), а гибкий полимерный хвост имитирует аксон. Такую технику учёные назвали «нейроноподобной электроникой» (NeuES), а затем разработали на её основе «сетевую электронику» (mesh electronics).

Ширина сомы человеческого нейрона составляет около 20 мкм, а аксон обычно в 10-20 раз тоньше. Датчики, заключаемые в искусственную сому, являются наноразмерными, а диагностические и терапевтические операции (стимуляцию мозга) с их применением называют «электрофизиологией».

В ходе первых испытаний сотрудники Либера при помощи точечных инъекций внедряли по 16 таких искусственных нейронов в гиппокамп подопытной мыши. Эта область мозга особенно интересна, так как одновременно влияет на обучение, память и старение. Электроника NeuES, в отличие от более крупных имплантатов, почти не отторгается нервной тканью, не вытесняет её, а встраивается в нейронную сеть мозга и занимает менее 1% того объёма, в который была вживлена.

До широкого распространения такой электроники пока далеко, но именно благодаря миниатюризации и повышенной биосовместимости подобные нейронные вставки могли бы пригодиться при лечении мозговых травм, шизофрении, а также в стимуляции и регулировании роста восстанавливающихся нейронов (например, при борьбе с нейродегенеративными заболеваниями). Судя по всему, «mesh electronics» даже может привлекать стволовые клетки из других областей мозга, заставлять их мигрировать в поражённую область и способствовать тому, чтобы они развивались в новые нейроны именно там, где эти клетки наиболее нужны.  

Наноботы Мартинса

Разработка Чарльза Либера укладывается в область традиционных имплантатов на основе гибкой электроники, является предшественником Neuralink и в целом относится к восстановительной нейрофизиологии. Однако с технической точки зрения она важна потому, что переводит изготовление имплантатов с микроуровня на наноуровень. Параллельно с этими гарвардскими исследованиями появился ещё более интересный проект, которым продолжает заниматься Нуньо Р. Б. Мартинс, работающий в Калифорнийском университете в Беркли, в частности, в относящейся к этому университету исследовательской лаборатории им. Лоуренса. В статье, опубликованной в журнале «Frontiers of Neuroscience», взаимодействие между мозгом и компьютером (облачным сервером) предлагается наладить при помощи флота наноботов, которые могут без вреда для человеческого здоровья существовать в нейронах, синапсах и глии. Ширина такого робота должна составлять 50-60 нм.     

Мартинс и его коллеги полагают возможным не только интегрировать по наноботу в каждую клетку человеческого мозга. Они пишут об «эндонейроботах», существующих внутри отдельных нейронов, «синаптоботах», прикрепляющихся к синапсам и «глиаботах», обосновывающихся в глиальных клетках. Перед внедрением в мозг пришлось бы заключать этих роботов в органическую оболочку, которая может быть похожа по составу на клетки глии; такая оболочка необходима, чтобы «капля» с роботом могла преодолеть гематоэнцефалический барьер. Основные способы внедрения роботов, рассмотренные в исследовании — внутривенный, подкожный, а также впрыскивание через нос. Наноботы Мартинса позиционируются как микроскопические нейростимуляторы, то есть, пока эта концепция тоже остаётся в рамках восстановительной медицины. Предполагается, что роботы могли бы проникать к повреждённым или деградирующим областям мозга и восстанавливать их, улучшая проводимость синапсов и ремонтируя нервные клетки. Направлять роботов внутри тела пациента до проникновения в мозг можно было бы при помощи магнитных полей (импульсов), а внутри мозга они координировались бы полуавтономно при помощи взаимной электрохимической коммуникации, подобно тому, как сегодня работает крупная роевая робототехника. Развёртывать такой рой Мартинс предлагает в неокортексе, чтобы не затрагивать глубинных жизненно важных зон мозга.

Наноробот должен быть оборудован гибкими сенсорами, подобными тем, о которых шла речь в начале статьи. С их помощью он сможет подключаться к синапсу, одновременно стимулировать его работу и в общем считывать информацию, которая по синапсу передаётся. Речь не идёт о её полноценной интерпретации («чтении мыслей»), но, по мнению исследователей, такие наноботы вполне могут уточнить и достроить паттерны передачи информации в мозге и прояснить взаимодействие различных его областей, а затем передать эту информацию на обработку искусственным нейронным сетям. В дальнейшем, полагает Мартинс, таких роботов можно было бы оборудовать наноразмерным оптоволокном, которое позволило бы наладить полноценную связь единиц этого роя друг с другом, а также связь роя с облаком. Такая технология открывает путь к перепрограммированию наноботов, выкатыванию обновлений для них в режиме реального времени, а также к непосредственному обмену информацией между роем и сервером или роем и роем через облако, то есть, к прямой мысленной коммуникации между носителями таких наноботов.

Технические и этические проблемы

Основные сложности с реализацией своего проекта Мартинс видит в технической, а не в этической плоскости. Так, он указывает на сложность подбора частоты передачи данных, на которой работа роя не нарушала бы естественную электрическую активность мозга, но при этом рой мог бы действовать как отдельная система внутри мозга и отличать «свой» цифровой сигнал от окружающего «шума», создаваемого человеческими нейронами. Кроме того, пока непонятно, как предполагается выводить из мозга сбоящие или выработавшие ресурс наноботы, смогут ли они работать от электрохимической энергии мозга, либо в них придётся предусматривать какие-то совсем миниатюрные батареи.

Создание «супермозга» является очень заманчивой перспективой; более того, эта идея напрямую перекликается с разработкой «роевого разума», которую поддерживает один из самых влиятельных футурологов и визионеров современности Рэй Курцвейл. Ещё более широкий набор этических проблем подобной нейроимплантации затрагивает в своей обширной статье 2024 года Уильям Локитт. Он приводит разнообразные оптимистические и скептические аргументы, и часть его опасений я здесь обрисую.

Начнём с того, что технологическое усиление когнитивных способностей человека может привести к непреодолимому разрыву между теми, кто может и кто не может позволить себе подобные имплантаты, вплоть до первого реального разделения людей на высшую и низшую категорию. С другой стороны, человек (в особенности, пожилой), привыкший существовать с опорой на такую искусственную стимуляцию высшей нервной деятельности, может оказаться беспомощным, если его нейроимплантаты вдруг начнут отказывать или начнут галлюцинировать. При этом централизованно отключить их и/или вывести из мозга будет затруднительно и опасно. Учитывая предполагаемую тесную связь нейроимплантатов со стволовыми клетками (в частности, с доставкой их в нужные зоны мозга и со стимулированием выращивания новых нейронов), подобные операции могут оказаться наиболее эффективными в младенческом или даже эмбриональном возрасте, поэтому будут проводиться без осознанного решения/желания индивида получить или просто попробовать такой буст. Возникнут совершенно новые проблемы, связанные с тем, кто владеет серверами, обрабатывающими и хранящими информацию от наноботов, кто может её похитить или перепрограммировать рой в голове отдельно взятого человека.

Тем не менее, учитывая, насколько быстро стареет наше общество, а также явную работоспособность лабораторных моделей и чипов Neuralink, такой переход следует воспринимать как технологически осуществимый, возможно, уже в пределах XXI века и во времена биологической старости современных детей. Поэтому к нему нелишне будет готовиться и заранее просчитать, к чему он может привести.