Нижегородский физик Сусанна Гордлеева объяснила, зачем нужны нейроинтерфейсы

Возможно ли создать технологии, которые будут работать по принципу человеческого мозга? С той же скоростью и самообучаемостью? Сейчас над этим вопросом бьются ученые всего мира, в том числе и исследователи из Нижегородской области. О последних разработках в области нейротехнологий и ИИ рассказала доктор физико-математических наук, профессор кафедры нейротехнологий Института биологии и биомедицины ННГУ им. Лобачевского, руководитель центра нейроморфных вычислений АНО «Неймарк» Сусанна Гордлеева в рамках проекта «Наука в лицах».

По подобию мозга

Человечество уже вступило в эру искусственного интеллекта, однако пока что его «обслуживание» требует большого количества электроэнергии. Возьмем, к примеру, ChatGPT: он содержит 300 млрд настроечных параметров, которыми необходимо работать в реальном времени со 100 млн пользователей. Следующая модель ChatGPT будет иметь уже 100 триллионов настроечных параметров, которые потребуются для обслуживания уже 200 млн человек. В таком случае всей энергетики США не хватит на поддержание этой модели.

В целом 30% энергетики всего мира тратится на информационные технологии, а с каждым годом эта цифра лишь увеличивается. Тогда ученые пришли к идее, что необходимо разрабатывать новую архитектуру вычислительных систем, которые будут построены на новых принципах и которые будут тратить меньше энергии.

Примером для этого выступает человеческий мозг, который «умело» расходует свою энергию. Для того, чтобы взять карандаш в руки, мозг задействует 50 разных групп мышц. Чтобы выбрать оптимальную комбинацию этих мышц, ему требуется обработать 1 015 комбинаций – для этого нужен процессор с частотой 10,6 ГГц. Однако наш мозг столько электроэнергии не потребляет, а частота генерации сигналов на нейронных сетях не достигает 100 Гц. Поэтому мозг прекрасно справляется со всеми задачи с минимальным расходом энергии.

Нейроинтерфейсы как возможность управлять гаджетами силой мысли

Так возникли нейроморфные технологии – системы, архитектура и принципы действия которых имеют сходство с биологическим мозгом и затрачивают намного меньше электроэнергии. Для их обслуживания команда ученых Университета Лобачевского разрабатывает математические модели нейронных сетей, которые строятся на биолого-правдоподобных принципах. Так, например, работает робототехника, беспилотники и различные нейроинтерфейсы.

«Нейроморфные технологии уже в ближайшем будущем будут превосходить по своей производительности практически все существующие решения в самых разных областях – от высокотехнологичной медицины до всех беспилотных транспортных систем. Нейроморфные технологии искусственного интеллекта обладают очень высокой энергоэффективностью, по другим принципам обрабатывают информацию. Соответственно, это позволит экономить электроэнергию на вычислительных устройствах и войдет во все сферы нашей жизни», — пояснила профессор.

Нейроинтерфейс (еще называют интерфейс «мозг-компьютер») — это технология и устройства, которые позволяют передавать информацию из мозга непосредственно на устройство. Такими могут выступать смартфон, компьютер, голосовое управление, протезы.

Самым популярным нейроинтерфейсом сегодня является чип Neuralink Илона Маска, который вживляют прямо в мозг и который позволяет управлять «силой мысли» курсором на компьютере. А по сообщениям американского бизнесмена, уже скоро компания начнет применять чип, позволяющий слепым видеть.

Несмотря на все достоинства такой разработки, у всех инвазивных (встраиваемых внутрь) нейроинтерфейсов есть недостаток – их нельзя вживлять всем подряд по медицинским показаниям. Кроме того, вживленные в мозг электроды работают всего две недели, отлично передавая сигнал на внешнее устройство, которым планируется управлять, а затем обрастают соединительной тканью. Тогда сигнал с нейроинтерфейса пропадает совсем.

В таком случае каждые две недели придется доставать чип обратно и вживлять его вновь. Понятно, что это не лучший вариант, поэтому научное сообщество сейчас тратит кучу времени и денег на создание биосовместимых материалов для таких вот инвазивных нейроинтерфейсов.

Поможет встать на ноги

Нижегородским ученым также есть, чем похвастаться в области нейротехнологий. Особой гордостью выступает экзоскелет «E‑Helper», который заново учит ходить парализованных людей.

Управляется такая конструкция разными способами: есть автоматический режим, когда различные параметры (высота и длина шага, длина стопы) задаются в систему через смартфон, а дальше экзоскелет несет человека по заданному алгоритму, автоматически удерживая равновесие. Есть ручной режим, когда конструкция управляется пальцами руки – здесь уже можно поднять ногу на произвольную высоту, сделать произвольное движение, ходить по лестницам и перешагивать бордюры.

Такой экзоскелет также может использоваться в реабилитации. Когда человек хочет поднять руку, в коре головного мозга происходит провал ритма. То же самое наблюдается, когда человек хочет сделать это движение, но не может, так как парализован. Тогда провал используется в качестве сигнала для управления нейроинтерфейсом – тем самым экзоскелетом.

«Когда пациент намеревается сделать движение рукой, мы это регистрируем, передаем на экзоскелет, и экзоскелет совершает это движение рукой. Тогда у человека замыкается петля сенсомоторной связи и активируются механизмы нейропластичности, которые помогают реорганизовать нейронные сети и восстанавливают их работу. Именно в этом и заключается процесс реабилитации, например, таких моторных нарушений», — пояснила Сусанна Гордлеева.

Сейчас экзоскелет можно купить. Ранее его передали партнеру-производителю медицинского оборудования «Мадин», который ввел «помощника» в широкое производство.

Ускорит работу мозга

Другое революционное исследование нижегородских нейротехнологов – транскраниальная магнитная стимуляция, которая позволяет безопасно и неинвазивно воздействовать на нейронные сети головного мозга.

Как это работает? К голове испытуемого прикладывается магнитная катушка, которая создает переменное магнитное поле. Это поле фокусируется на коре головного мозга и создаёт вихревое электрическое поле, воздействующее на активацию нейронной сети, доходя до мышцы.

С помощью такого метода можно буквально активировать или ускорять работу мозга: согласно проведенным тестам в лаборатории, в течение полутора часов после процедуры человек быстрее думает и принимает решение. А если проводить такую процедуру ежедневно в течение недели, эффект станет хроническим.

Магнитная стимуляция применяется и в реабилитации: например, это может помочь пожилым людям нормализировать работу тела или в лечении различных заболеваний позвоночника и мышц.

Напомним, что сама лекция состоялась в рамках открытия фотовыставки в стенах ННГУ «Наука в лицах». Героями этого проекта в этом году стали четверо нижегородцев, создавших прорывные технологии и разработки в своих научных областях. Среди них – инженер-конструктор АО «ОКБМ Африкантов» Александр Турусов, который является разработчиком реакторной установки РИТМ-200 для универсального атомного ледокола; физик Сусанна Гордлеева, получившая премию президента России в области науки и инноваций для молодых ученых за 2023 год; ученый секретарь НЦМУ «Центр фотоники» Александр Соловьев, чья команда трудится над созданием самой мощной в мире лазерной системы; а также один из создателей GigaChat и нейросети Kandinsky Денис Димитров, попавший в 2024 году в рейтинг Forbes «30 до 30».