Физика будущего

Далекое будущее (2070–2100 гг.)

Первенство духа над материей

К концу этого столетия мы научимся управлять компьютерами при помощи мысленных команд. У нас, как у греческих богов, будут исполняться даже невысказанные желания. Основы этой технологии уже заложены, но ее доводка и совершенствование могут занять еще не одно десятилетие. Эта революция состоит из двух частей. Во-первых, мозг должен научиться управлять объектами внешнего мира, и, во-вторых, компьютер должен научиться угадывать (и выполнять) желания хозяина.

Первое серьезное достижение в этой области относится к 1998 г., когда ученые Университета Эмори и немецкого Университета Тюбингена поместили крошечный стеклянный электрод непосредственно в мозг парализованного после инсульта 56-летнего мужчины. Электрод был соединен с компьютером, который анализировал получаемые от мозга сигналы. Мужчина видел изображение курсора на экране компьютера и, используя искусственно созданную биологическую обратную связь, научился мысленно управлять движением курсора. Так впервые был осуществлен непосредственный контакт между человеческим мозгом и компьютером.

Самую продвинутую версию этой технологии создал в Университете Брауна нейробиолог Джон Донохью (John Donoghue). Он разработал устройство под названием BrainGate, призванное помочь людям, пострадавшим от мозговых травм, общаться с окружающим миром. Работа произвела настоящую сенсацию, а ее автор в 2006 г. даже попал на обложку журнала Nature.

Донохью рассказал мне, что мечтает при помощи своего прибора поставить всю мощь информационной революции на службу людям, пострадавшим от мозговой травмы, и тем самым полностью пересмотреть отношение к ним. Этот прибор уже изменил к лучшему жизнь его пациентов, и Донохью с полным основанием надеется, что ему удастся еще улучшить свою технологию. У него есть и личный интерес к этим исследованиям – в детстве из-за болезни он был некоторое время прикован к инвалидному креслу и потому знает, что такое беспомощность.

Среди его пациентов – жертвы инсульта, люди, которые полностью парализованы и не могут общаться с близкими, но чей мозг по-прежнему активен. Донохью помещает крохотный чип размером 4 мм на поверхность мозга пациента в зоне, отвечающей за двигательную функцию. Чип подключают к компьютеру, который принимает с него сигналы, обрабатывает их и передает по беспроводной связи на лэптоп.

Поначалу пациент не может управлять положением курсора, но видит, где он находится и куда движется. Методом проб и ошибок пациент учится контролировать курсор и, как правило, уже через несколько часов может подвести его к любому месту на экране. После некоторой практики пациент получает возможность пользоваться электронной почтой (читать и писать письма), а также играть в видеоигры. В принципе, парализованный человек получает возможность выполнять любые действия, которыми может управлять компьютер.

Вначале у Донохью было четыре пациента: двое с травмой позвоночника, один после инсульта и еще один с боковым амиотрофическим склерозом. Один из них, полностью парализованный ниже шеи молодой человек сумел освоить управление курсором всего за день. Сейчас он может управлять телевизором, перемещать курсор на экране компьютера, играть в видеоигру и читать электронную почту. Кроме того, пациенты в состоянии управлять моторизованным креслом и, соответственно, передвигаться.

Если говорить о столь кратком временном промежутке, то перемены, которые произошли с этими людьми, нельзя назвать иначе как волшебными. Еще вчера они были бессловесными пленниками собственного тела, а сегодня уже гуляют по Сети и беседуют с людьми по всему миру.

(Мне довелось однажды присутствовать в нью-йоркском Линкольн-центре на праздничном приеме в честь великого космолога Стивена Хокинга. Очень тяжело видеть, как страдает этот человек. Он не может двигать ничем, кроме нескольких лицевых мускулов и век, и медсестрам приходится не только водить по залу его кресло, но и поддерживать его голову, которую мышцы уже не держат. Изложение даже самых простых мыслей при помощи голосового синтезатора требует от Хокинга часов и даже дней мучительных усилий. Я сразу вспомнил о приборе Донохью и подумал, что Хокингу, наверное, еще не поздно воспользоваться преимуществами технологии BrainGate. И тут же ко мне подошел поздороваться сам Джон Донохью, тоже присутствовавший в зале. Так что, возможно, BrainGate был бы для Хокинга наилучшим вариантом.)

Другая группа ученых из Университета Дьюка добилась аналогичных результатов в опытах с обезьянами. Мигель Николелис (Miguel A. L. Nikolelis) и его группа вживили чип в мозг обезьяны и подключили его к механической руке – манипулятору. Поначалу обезьяна беспорядочно размахивает рукой, не понимая, как ею управлять. Но затем, после некоторой практики, она постепенно осваивает управление и начинает медленно двигать манипулятор в нужном направлении – к примеру, чтобы взять банан. Обезьяна двигает механической рукой инстинктивно, не думая, как своей собственной. «Некоторые физиологические признаки указывают на то, что во время эксперимента обезьяна ощущает себя связанной больше с роботом, чем с собственным телом», – говорит Николелис.

Это означает также, что когда-нибудь мы сможем управлять самыми разными машинами при помощи мысленных команд. Не исключено, что парализованные люди смогут таким образом управлять механическими ногами и руками. Представьте, к примеру, что ученым удастся подсоединить механические руки и ноги к головному мозгу напрямую, минуя спинной мозг; пациент снова сможет ходить. Возможно, это будут первые шаги к мысленному управлению миром.

Чтение мыслей

Если при помощи мысленных усилий можно управлять компьютером или манипулятором, то сможет ли когда-нибудь компьютер читать мысли человека без вживления в мозг электродов?

Еще в 1875 г. ученые выяснили, что в основе работы мозга лежит прохождение электрического тока по нейронам мозга; при этом возникают слабые электрические сигналы, которые можно даже измерить, если разместить вокруг головы испытуемого несколько электродов. Проанализировав сигналы с электродов, можно записать излучаемые мозгом электромагнитные волны. Этот процесс носит название электроэнцефалографии (ЭЭГ) и позволяет регистрировать серьезные изменения мозговой деятельности: можно понять, когда человек спит, заметить изменения в его настроении – возбуждение, гнев и т. п. Результат обработки ЭЭГ и врач, и пациент могут видеть на экране компьютера. Через некоторое время пациент понимает, что может силой мысли изменять картинку на экране. Нильс Бирбаумер (Neils Birbaumer) из Университета Тюбингена уже разработал методику, при помощи которой обучает частично парализованных людей набирать на компьютере таким способом простые предложения.

Даже производители игрушек спешат воспользоваться наработками ученых в этой области. Так, уже несколько компаний, в том числе NeuroSky, выпустили на рынок головную повязку со встроенным в нее электродом по типу аппаратов ЭЭГ. Если вы наденете эту повязку на голову и определенным образом сосредоточитесь, вы сможете активировать прибор и с его помощью управлять какой-нибудь игрушкой. К примеру, можно силой мысли поднимать пластмассовый шарик для пинг-понга в прозрачном цилиндре.

Преимущество аппарата ЭЭГ в том, что он может быстро, без сложного и дорогого оборудования распознавать различные частоты, излучаемые мозгом. Но есть и серьезный недостаток: ЭЭГ не может локализовывать сигналы, т. е. определять, в какой именно зоне мозга они возникают.

Функциональная магнитно-резонансная томография (ФМРТ) – гораздо более чувствительный метод. Принципы действия ЭЭГ и ФМРТ принципиально различны. Электроэнцефалограф – это пассивное устройство, которое лишь воспринимает электрические сигналы мозга, и определить по ним точное местоположение источника затруднительно. Аппарат ФМРТ активен – он использует «эхо» от излучаемых им радиоволн, чтобы заглянуть внутрь живой ткани. Это позволяет точно определить место, откуда исходят различные сигналы, и получить очень наглядное трехмерное изображение тканей мозга, в том числе его внутренних участков.

Аппарат ФМРТ – дорогое удовольствие, для его работы требуется целая лаборатория, полная дополнительного оборудования, но результат того стоит. Мы получаем подробную информацию о том, как работает думающий мозг. Томография позволяет ученым выявить присутствие кислорода в гемоглобине, а поскольку кислород в гемоглобине – это энергия, необходимая клетке для работы, увидеть воочию ток кислорода означает проследить за течением мыслей в человеческом мозге.

Психиатр из Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе Джошуа Фридман (Joshua Freedman) говорит: «Мы сейчас как астрономы в XVI в. после изобретения телескопа^[7]. На протяжении тысяч лет очень умные люди пытались разобраться в том, что происходит в небесах, но смотрели только невооруженным глазом, а об остальном могли лишь догадываться. Затем вдруг появляется новая технология, которая позволяет им непосредственно разглядеть все, что там есть».

Функциональная магнитно-резонансная томография позволяет видеть движение мыслей в живом мозге с разрешением 0,1 мм, т. е. меньше булавочной головки; в такую точку укладывается, пожалуй, несколько тысяч нейронов. Таким образом, томограф с поразительной точностью выдает трехмерную картину потоков энергии в работающем мозге. Со временем, возможно, появятся аппараты ФМРТ, способные разглядеть отдельный нейрон, а значит, расшифровать нейронные схемы, соответствующие конкретным мыслям.

Недавно Кендрик Кей (Kendrick Kay) и его коллеги из Университета Калифорнии в Беркли совершили настоящий прорыв. Они исследовали функциональную томограмму мозга людей в то время, как они смотрели на изображения различных объектов: еды, животных, людей, обычных предметов разных цветов. Кей и его коллеги создали компьютерную программу, которая пыталась соотнести объекты, на которые смотрели испытуемые, с соответствующими рисунками томограммы. Чем больше различных объектов разглядывали испытуемые, тем лучше удавалось программе идентифицировать их по томограмме.

Затем исследователи показывали испытуемым изображение совершенно нового объекта; интересно, что во многих случаях программа смогла корректно соотнести этот объект с соответствующей картиной ФМРТ. Получив 120 изображений новых объектов, компьютерная программа в 90 % случаев корректно соотнесла их с томограммами. Из 1000 новых изображений программа успешно опознала 80 %.

Кей говорит, что «возможно выбрать из большого набора совершенно незнакомых естественных изображений то, на которое в данный момент смотрит испытуемый… Не исключено, что скоро можно будет реконструировать картину перед глазами испытуемого по одним только данным о работе его мозга».

Цель этих исследований – создать «словарь мыслей» и поставить в соответствие каждому объекту конкретный ФМРТ-паттерн. Тогда по паттерну можно будет определить, о чем человек думает. Не исключено, что со временем компьютер научится получать от мыслящего мозга и расшифровывать тысячи ФМРТ-паттернов, получая представление о потоке сознания данного человека.

Сфотографировать мечту

Проблема этой технологии, однако, заключается в том, что, даже если вы сможете с ее помощью определить, что человек думает о собаке, образ конкретной собаки, о которой он думает, вы получить не сможете. В настоящее время возникло новое направление исследований, которое в случае успеха позволит реконструировать изображение мыслеобразов. Представляете – видеофильм человеческих мыслей! Если так пойдет, в будущем можно будет сделать вполне материальную видеозапись мечты.

С незапамятных времен человека удивляли и притягивали сны – эфемерные образы, которые иногда так трудно вспомнить или понять. Голливуд давно придумал машины, способные посылать сновидения в мозг человека или даже записывать те, что возникают естественно, как в фильме «Вспомнить все». Все это, однако, чистая выдумка. Точнее, было таковой до недавнего времени.

Ученые добились замечательного прогресса в решении задачи, которая прежде считалась нерешаемой: сфотографировать воспоминание и, может быть, сон. Первые шаги в этом направлении сделали ученые Лаборатории вычислительной неврологии в Киото. В ходе эксперимента они показывали испытуемым точечный источник света в определенном месте, а затем по функциональной томограмме определяли, где в мозгу откладывается эта информация. Затем источник сдвигали и определяли, куда легла информация об этом новом изображении. Постепенно возникала карта с указанием точного места хранения информации о нескольких десятках световых точек. Для начала ученые взяли матрицу 10 × 10 точек.

После этого испытуемому показали изображение простого объекта, составленного из этих точек, к примеру подковы. Компьютер проанализировал, как легла в мозгу эта информация. Выяснилось, что возникший в мозгу паттерн полностью соответствует сумме точек, составляющих подкову.

Чтение мыслей при помощи ЭЭГ и ФМРТ. В будущем электроды и вообще аппаратуру наверняка можно будет миниатюризировать. Мы сможем не только читать мысли, но и отдавать мысленные команды компьютерам

Таким образом, ученые получили возможность определять, что «видит» мозг. По томограмме компьютер может восстановить любой световой паттерн в пределах матрицы 10 × 10.

В будущем ученые рассчитывают увеличить количество пикселей в матрице. Более того, они утверждают, что этот процесс универсален, т. е. что визуальную мысль или даже сновидение можно, по идее, однозначно восстановить при помощи аппарата ФМРТ. Если это действительно так, то когда-нибудь ученые смогут – впервые в истории – записать образы, которые мы видим во сне.

Конечно, мысленные визуальные образы, и тем более сновидения, никогда не бывают кристально четкими, и определенная нерезкость изображения всегда останется, но замечателен сам факт: мы сможем увидеть образы, которыми мыслим, и даже заглянуть глубоко в подсознание.

Этично ли чтение мыслей?

Здесь возникает серьезная проблема. Что произойдет, если мы научимся без труда читать чужие мысли? Нобелевский лауреат Дэвид Балтимор (David Baltimore), бывший президент Калифорнийского технологического института, очень обеспокоен этим вопросом. Он пишет: «Можем ли мы вторгаться в чужие мысли?.. Я не думаю, что это чистая фантастика, но чтение мыслей превратит этот мир в чертовски неуютное место. Представьте, как будут выглядеть ухаживания, если мысли перестанут быть тайной, или во что превратятся деловые переговоры».

В большинстве случаев, рассуждает Балтимор, чтение мыслей заставит кое-кого смутиться, но не приведет к катастрофическим последствиям. Он пишет: «Говорят, что если остановить лекцию какого-нибудь профессора на полуслове… то окажется, что значительная доля [студентов] погружена в эротические фантазии».

Но может быть, чтение мыслей и не вызовет таких серьезных проблем, ведь наши мысли зачастую очень слабо оформлены. Не исключено, что когда-нибудь мы научимся фотографировать мечты и сновидения, но качество картинок, скорее всего, нас разочарует. Много лет назад я читал фантастический рассказ, где некий дух сказал человеку, что тот может получить все, что сумеет вообразить. Человек начал воображать всевозможные предметы роскоши – лимузины, миллионы долларов наличными, старинный замок. Дух, верный своему слову, материализовал все это. Но, внимательно присмотревшись, человек был потрясен: у лимузина не оказалось ни дверных ручек, ни двигателя, лица на долларовых купюрах расплылись, а замок был абсолютно пуст. В спешке он забыл о том, что образы вещей существуют в нашем воображении лишь в самых общих чертах.

Более того, мысли вряд ли удастся читать на расстоянии. Все методы, опробованные на данный момент (в том числе ЭЭГ, ФМРТ и наложение электродов непосредственно на мозг), требуют тесного контакта с объектом.

И все же когда-нибудь, вполне возможно, будут приняты законы, строго ограничивающие неавторизованное чтение мыслей. А может быть, появятся приборы, способные наши мысли защитить – заглушить, заблокировать или зашифровать исходящие из мозга электрические сигналы.

До настоящего чтения мыслей еще очень далеко. Но в самом крайнем случае даже обычный ФМРТ-аппарат может выступить в роли примитивного детектора лжи. Ложь «зажигает» в мозгу больше центров активности, чем правда. Ложь предполагает, что вы знаете правду, но думаете о лжи и пытаетесь удержать в голове все ее бесконечные следствия; энергии на это тратится значительно больше, чем на то, чтобы сказать правду. Аппарат ФМРТ, по идее, должен без труда засечь дополнительный расход энергии. В настоящее время ученое сообщество не спешит выпускать в мир детекторы лжи на базе ФМРТ и особенно опасается использования их в суде. Технология еще слишком нова, чтобы гарантировать достоверность результатов. Сторонники метода говорят, что необходимы дальнейшие исследования и повышение точности метода. Однако тот факт, что эта технология пришла и останется с нами, не вызывает сомнений.

Две коммерческие компании уже предлагают детекторы лжи, основанные на технологии ФМРТ, и обещают надежность свыше 90 %. Данные, полученные при помощи такого детектора, уже фигурировали на одном судебном процессе в Индии, а в настоящее время в судах США слушается еще несколько таких дел.

Обычные полиграфы не измеряют ложь; они всего лишь фиксируют признаки нервного напряжения, такие как усиленное потоотделение (измеряемое по проводимости кожи) и ускоренное сердцебиение. Томограмма мозга зафиксирует усиление мозговой активности, но связь между этой активностью и ложью еще придется доказывать в суде.

На определение точности и пределов применимости ФМРТ-детекторов могут потребоваться годы тщательных экспериментов. А пока Фонд Макартура выделил грант в 10 млн долларов на проект «Право и неврология», который должен определить, как развитие неврологических наук повлияет на законоприменительную практику.

Моя томограмма

Мне однажды довелось подвергнуться процедуре ФМРТ-сканирования. При подготовке документального фильма для канала BBC/Discovery Channel я специально для этого летал в Университет Дьюка. Там меня уложили на специальную кушетку, которую затем задвинули в гигантский металлический цилиндр. Включился огромный мощный магнит (в 20 000 раз более мощный, чем магнитное поле Земли), и атомы моего мозга выстроились по силовым линиям магнитного поля, подобно вращающимся волчкам, все оси которых указывают в одном направлении. Затем в мозг был направлен радиоимпульс, который перевернул ядра некоторых атомов вниз. Переворачиваясь обратно, в нормальное положение, эти ядра испустили крохотный импульс, или «эхо», принятый аппаратом ФМРТ. Компьютер обработал информацию о принятых эхо-импульсах и собрал из них трехмерную карту моего мозга.

Весь процесс проходит совершенно безболезненно и не причиняет никакого вреда. В МРТ-аппаратах используется неионизирующее излучение; оно не разрушает атомов и, соответственно, не наносит вреда клеткам. Даже находясь в магнитном поле, в тысячи раз превосходящем по мощности магнитное поле Земли, я не чувствовал в своем теле ни малейших изменений.

Целью этой процедуры было определить в точности, где в моем мозгу возникают те или иные мысли. В частности, в мозгу есть крохотные биологические «часы» – между глазами, позади переносицы, где мозг отсчитывает секунды и минуты. Повреждение этой части мозга вызывает нарушение чувства времени.

Когда я находился внутри аппарата, меня попросили посчитать время. Позже, когда МРТ-снимки были проявлены, я ясно увидел яркую точку позади переносицы – там шел подсчет секунд. Я понял, что стал свидетелем зарождения совершенно новой области биологии; эта наука может определить, какие в точности области мозга связаны с определенными мыслями, а это уже реальный шаг на пути к настоящему чтению мыслей.

Трикордеры и портативные сканеры мозга

В будущем МРТ-аппараты, вероятно, перестанут быть чудовищными устройствами, которые мы сегодня видим в больницах, – они уже не будут весить по несколько тонн и занимать целые комнаты. Не исключено, что когда-нибудь будет создан МРТ-аппарат размером с сотовый телефон, а может быть, и с мелкую монетку.

В 1993 г. Бернхард Блюмих (Bernhard Blümich) и его коллеги из Института полимерных исследований Общества Макса Планка в немецком Майнце выдвинули новую идею, которая может оказаться очень полезной в создании портативных МРТ-аппаратов. Они изобрели принципиально новый аппарат, получивший название MOUSE^[8] (mobile universal surface explorer). В настоящее время это ящик высотой около 30 см, но когда-нибудь МРТ-аппараты размером с кофейную чашку, основанные на этом принципе, возможно, будут продаваться в обычных универмагах. Это может произвести в медицине настоящую революцию – ведь каждый сможет спокойно сделать себе МРТ-скан дома. Блюмих считает, что недалеко то время, когда у каждого человека будет личный MOUSE и, проведя им по коже, он в любой момент сможет заглянуть внутрь своего организма. Компьютеры проанализируют полученную картину и поставят диагноз. «Возможно, что-то похожее на трикордеры из "Звездного пути" появится уже совсем скоро», – заключает он.

(Принцип магнитно-резонансной томографии схож с принципом действия компаса. Как известно, стрелка компаса устанавливается вдоль линий магнитного поля. Когда тело помещают в аппарат МРТ, ядра атомов, подобно стрелкам крохотных компасов, тоже выстраиваются вдоль линий магнитного поля. В тело направляют радиоимпульс, который заставляет атомы переворачиваться. Затем перевернувшиеся атомы начинают возвращаться в первоначальное положение, испуская вторичный радиоимпульс – так называемое «эхо».)

Ключевая особенность МРТ-аппарата Блюмиха – неоднородное магнитное поле. Размеры обычного МРТ-аппарата определяются в основном тем фактом, что тело человека в нем необходимо поместить в абсолютно однородное магнитное поле. Чем однороднее поле, тем более детальным получается изображение; на сегодняшний день разрешение такого аппарата доходит до десятых долей миллиметра. Чтобы получить однородное магнитное поле, физики взяли две большие электрические катушки диаметром около 60 см и поставили друг над другом. Такая конструкция, известная как катушка Гельмгольца, создает между двумя обмотками однородное магнитное поле. Тело человека помещают в поле вдоль оси этих двух мощных электромагнитов.

Если магнитное поле в МРТ-аппарате будет неоднородным, изображение получится искаженным и нерезким. Создатели МРТ-аппаратов сражаются с проблемой однородности поля уже несколько десятков лет.

Блюмих предложил остроумный способ компенсировать искажения – посылать в исследуемый объект множественные радиоимпульсы и затем обрабатывать полученное эхо при помощи компьютеров, которые очищают изображение и компенсируют искажения, возникшие из-за неоднородности магнитного поля.

Сегодня в портативном МРТ-аппарате Блюмиха MOUSE используется небольшой подковообразный магнит, в котором полюса располагаются на концах подковы. Этот магнит кладется на тело пациента; передвигая его, врач может заглянуть внутрь организма на несколько дюймов. В отличие от обычных МРТ-аппаратов, которые потребляют большое количество энергии и нуждаются в специальном электропитании, портативный аппарат MOUSE требует не больше мощности, чем обычная электрическая лампочка.

В первых экспериментах Блюмих испытывал свой аппарат на автомобильных шинах, плотных и в то же время податливых, как ткани человеческого тела. Кстати говоря, это подсказало ему возможность коммерческого применения прибора для быстрого выявления дефектов структуры в различных промышленных изделиях. Традиционные МРТ-аппараты невозможно использовать для исследования объектов, содержащих металл, таких как армированные шины. Портативный МРТ-аппарат не имеет таких ограничений, потому что использует только слабые магнитные поля. (Магнитное поле традиционного МРТ-аппарата в 20 000 раз мощнее магнитного поля Земли. Известны случаи, когда медсестры или техники, обслуживающие аппарат, получали серьезные травмы от металлических предметов, которые при включении аппарата внезапно взлетают в воздух. У MOUSE таких проблем нет.)

Аппарат такого типа не только идеален для исследования объектов, содержащих ферромагнетики, но и позволяет анализировать крупные объекты, которые просто не войдут в традиционный МРТ-аппарат или которые невозможно сдвинуть с места. К примеру, в 2006 г. при помощи аппарата MOUSE было успешно проведено исследование древнего человека Этци, замороженный труп которого был случайно обнаружен в Альпах в 1991 г. Проводя подковообразным магнитом над телом Этци, ученые смогли внимательно рассмотреть разные слои его замороженного тела.

В будущем MOUSE, вероятно, станет еще миниатюрнее, а МРТ-сканирование мозга можно будет проводить аппаратом размером с сотовый телефон. Не исключено, что чтение мыслей при этом тоже перестанет быть проблемой. А может быть, удобнее будет сделать прибор, похожий на современный ЭЭГ-аппарат, где пациенту надевают на голову пластиковую шапочку с множеством электродов, закрепленных в нужных местах.