Нижегородский ученый Сусанна Гордлеева рассказала, что такое нейроинтерфейсы

Сегодня ни один человек в мире не представляет своей жизни без смартфона, однако мало кто задумывается, сколько ресурсов и электроэнергии уходит на его обслуживание. Чтобы сократить потребление вычислительных систем на такие задачи, ученые решили «подсмотреть» принцип работы человеческого мозга и построить технологии на его примере.

Какие нейроморфные системы уже существуют и какой вклад в это сделали нижегородские ученые, рассказала доктор физико-математических наук, профессор кафедры нейротехнологий Института биологии и биомедицины ННГУ им. Лобачевского, руководитель центра нейроморфных вычислений «Неймарк» Сусанна Гордлеева во время конференции «Импульс Т1» в Нижнем Новгороде.

Вечный двигатель

Компьютеры, смартфоны, планшеты — все это работает благодаря электроэнергии. Особенно много её расходуют крупные дата-центры — огромные здания с множеством серверов, которые хранят всю информацию и обеспечивают работу интернета. Чем больше устройств и данных — тем больше энергии на это требуется.

Достаточно много таких ресурсов сейчас потребляет ChatGPT — большая умная компьютерная программа, которая работает на мощных серверах. Чтобы она могла быстро отвечать на вопросы пользователей, эти серверы должны постоянно работать, расходуя энергию тысяч мощных компьютеров.

С каждым годом запросы и потребности человека растут, а с появлением искусственного интеллекта пришло осознание того, что вычислительные системы лишь будут увеличиваться и ресурсов попросту будет не хватать. А значит — необходимо перестроить всю вычислительную архитектуру.

Тогда ученые решили «подсмотреть» за человеческим мозгом: он очень грамотно расходует энергию, обрабатывает информацию в потоковом режиме и легко справляется с любыми массивами данных.

Почтовые работники в мозге

Мозг человека обрабатывает информацию очень быстро благодаря миллиардам нейронов — крошечных клеток, которые передают друг другу электрические сигналы. Когда ты что-то видишь, слышишь или ощущаешь, информация через органы чувств (нос, уши, глаза) попадает в мозг в виде сигналов. Нейроны связываются между собой синапсами, образуя сложные сети, в которых информация передается мгновенно. Мозг анализирует эти сигналы, сравнивает с прошлым опытом и принимает решение, как реагировать — например, взять мяч или ответить на слова собеседника.

Первые нейроморфные устройства — то есть основанные на принципах работы человеческого мозга и имитирующую структуру и функции нейронных сетей — уже активно используются в нашей работе. Пример тому — различные нейропроцессоры, среди которых есть и отечественные разработки, например, нейропроцессор Altai от компании «Мотив».

«Российский нейропроцессор ничем не уступает мировым аналогам, а в некоторых характеристиках даже его превосходит. Сейчас все нейропроцессоры построены на традиционной микроэлектронике, а следующим шагом воплощения этих нейропроцессоров будет их создание на новой компонентной базе, которая называется мемристорами», — рассказала Сусанна Гордлеева.

Мемристоры способны изменять свое сопротивление в зависимости от протекающего через него электрического тока. Такой эффект сравнивают с синаптической пластичностью, то есть изменением возможности синапса – контакта между нервными клетками – передавать возбуждение от одного нейрона к другому. Такое свойство человеческого мозга позволяет запоминать и учиться чему-то новому. А внедрение мемристоров в сложные нейронные сети позволит в будущем повысить эффективность нейроморфных вычислительных систем.

Для обслуживания нейроморфных технологий ученые, в том числе исследователи Университета Лобачевского, разрабатывают математические модели нейронных сетей, которые строятся на биолого-правдоподобных принципах и обладают очень высокой энергоэффективностью. Так, например, работает робототехника, беспилотники и различные нейроинтерфейсы.

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.

Помимо Neurolink Маска, сейчас активно применяются и другие нейроинтерфейсы. Это шапочка Muse для тренировки внимания и медитации; устройства Emotiv, позволяющие управлять компьютерами или играми силой мысли; айтрекеры в VR-очках; умные голосовые колонки «Алиса».

Миру уже известны разработки в области нейротехнологий и нижегородского производства. Несколько лет назад ученые Университета Лобачевского создали экзоскелет «E‑Helper», который учит заново ходить парализованных людей.

Управляется такая конструкция разными способами: есть автоматический режим, когда 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 разную высоту, сделать произвольное движение, ходить по лестницам и перешагивать бордюры.

Такой экзоскелет используется в реабилитации. Когда человек хочет поднять руку, то 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.

Разогнать мозг

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

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.

Сейчас нижегородские ученые продолжают работу по улучшению нынешних нейроинтерфейсов и созданию новых. Пока что в работе находится перспективный проект

«Мы пробуем повторить опыт наших китайских коллег в области симуляционного обучения, чтобы можно было по видеозахвату повторить, что происходит. С другой стороны, у нас есть очень перспективное направление в Университете «Неймарк» по созданию человекоподобного искусственного интеллекта, чтобы сделать гибридный ИИ и интегрировать туда модель для увеличения его производительности», — пояснила Сусанна Гордлеева.

Сейчас исследователи готовят научную публикацию по этому вопросу, где больше расскажут о своей разработке.

Ранее на сайте pravda-nn.ru сообщалось, что российский космонавт Сергей Прокопьев рассказал о жизни на орбите Земли.