Долгие годы спекуляции на тему квантовых процессов в работе головного мозга оставались бездоказательными. Новое исследование вносит значительную долю уверенности в том, что мысли человека имеют не классическую, а квантовую природу. Это объясняет, например, превосходство разума над компьютером при решении широкого спектра задач и обещает новый путь к созданию квантовых вычислителей.

Источник изображения: Pixabay

Обнаружить квантовые явления в мозге человека помогло построение теории квантовой гравитации. Учёные давно пытаются «подружить» квантовую механику и общую теорию относительности, чтобы создать «теорию всего». Для этого, в частности, необходимо описать гравитационное взаимодействие с позиций квантовой механики. Один из подходов гласит, что неизвестная система может считаться квантовой, если она служит посредником между двумя известными квантовыми системами. Иначе говоря, «квантовость» неизвестной системы определяется опосредованно.

Точно так же наше сознание — мыслительные процессы и деятельность головного мозга — может быть опосредованно определено как квантовое. Для этого учёные из Тринити-колледжа в Дублине провели ряд экспериментов по запутыванию спинов протонов в «мозговой жидкости» — жидкой среде, образующейся в головном мозге в процессе его жизнедеятельности.

С помощью МРТ (магнитно-резонансной томографии) можно определить спины протонов в мозговой жидкости. Модифицированная МРТ-установка способна обнаруживать протоны с запутанными спинами. Поиск запутанных спинов дал сигналы МРТ, которые напоминали сигналы управления сердечной мышцей (сердцебиением) на электроэнцефалограмме (ЭЭГ). Нюанс в том, что МРТ обычно не улавливает эти сигналы. Учёные считают, что данные ЭЭГ на МРТ отобразились за счёт обнаружения запутанных спинов, а посредником в запутывании стала активность головного мозга.

«Если запутывание является единственным возможным объяснением, то это означает, что мозговые процессы должны были взаимодействовать с ядерными спинами, опосредуя запутывание между ними. В результате мы можем сделать вывод, что эти функции мозга должны быть квантовыми», — делают выводы авторы статьи.

Учёные биотехнологического стартапа Cortical Labs вырастили в лабораторных условиях культуру (популяцию) клеток головного мозга человека и обучили их игре в Pong. Исследователи утверждают, что им впервые удалось продемонстрировать, что «мини-мозг» можно обучить выполнению конкретных задач.

Источник изображения: Milad Fakurian / unsplash.com

Культура из 800 тыс. клеток получила имя DishBrain — её подключили к системе, в которой была запущена компьютерная игра Pong. Посылаемые на нейроны электрические импульсы указывали положение мяча в игре, а клеточный массив в зависимости от поступающих данных перемещал виртуальную ракетку вверх и вниз. При попадании мяча в ракетку DishBrain получал сильный импульс обратной связи, а при промахе он был слабым и имел случайное значение.

Учёные подчёркивают, что культура слишком примитивна, чтобы обрести полноценное сознание, однако её способностей достаточно для обучения игре в течение 5 минут. По истечении 20-минутной сессии игры в Pong клеточная популяция продемонстрировала улучшение навыков — по мнению авторов исследования, это указывает на реорганизацию клеток, развитие биологического массива и его значительную способность к обучению.

DishBrain будет использоваться для изучения того, как на его когнитивные способности (способности играть в компьютерную игру) влияют алкоголь и различные препараты — учёные хотят понять, можно ли рассматривать эту культуру как замену человеческому мозгу. Не исключено, что в перспективе подобные органические фрагменты пригодятся для испытания методов лечения различных заболеваний вроде болезни Альцгеймера.

Параллельно исследователи Стэнфордского университета (США) вырастили из стволовых клеток ткани человеческого мозга и имплантировали их новорожденным крысам. Эти так называемые мозговые органоиды смогли интегрироваться с собственным мозгом грызунов, а через несколько месяцев было обнаружено, что органоиды заняли около трети обоих полушарий мозга крыс, взаимодействуя с их собственными мозговыми тканями. Такие органоиды смогут использоваться для изучений нейродегенеративных заболеваний и испытания препаратов для лечения нейро-психических патологий. Учёные также хотят посмотреть, как генетические дефекты органоидов повлияют на поведение животных.

Компания OpenBCI ещё несколько лет назад представила VR-шлем Galea, который позволяет управлять персонажами в компьютерных играх без рук — он считывает мимику и сигналы мозга и преобразует их в команды, которые понимает компьютерный манипулятор, управляющий персонажем. Система названа в честь древнеримского имперского шлема. Теперь впечатлениями от работы с устройством поделилась журналистка Bloomberg Сара Макбрайд (Sarah McBride).

Источник изображения: openbci.com

Надев шлем, наша коллега попробовала сыграть в VR-игру, в которой нужно управлять котом: руки оставались неподвижными, а сокращение щёчных мышц заставляло компьютерного персонажа двигаться соответственно налево или направо. Конечно, устройство предназначено не для игр, а в первую очередь для исследователей — оно позволяет получать обратную связь от лицевых мышц, движений глаз и прочих элементарных движений, а также снимать ЭЭГ и прочие показания активности мозга.

OpenBCI Galea в комплекте с необходимым ПО оценивается в $25 000. В следующем году выходит новая версия системы, а покупателями значатся нейробиологи, исследователи из других областей, разработчики компьютерных игр и производители авиасимуляторов. Популярность продукции OpenBCI говорит о том, что стартапы в этой области становятся всё более востребованными. Важнейшим достоинством устройства является неинвазивный характер его работы — Galea не требует хирургического вмешательства в отличие от методов, которые предпочитает в исследовательской работе стартап Илона Маска (Elon Musk) Neuralink.

Сооснователь и глава OpenBCI Конор Руссомано (Conor Russomanno) говорит, что компания активно продвигается в разработке новых версий интерфейса: новая версия шлема станет «полноценным компьютером для ношения на голове», причём будут варианты для дома и для работы. А ещё он пошутил, что люди начнут опасаться делать уколы ботокса, чтобы сохранить подвижность лицевых мышц и вместе с ней возможность управлять компьютером, используя нестандартные средства.

Компания Synchron сообщила о первой успешной установке пациенту в США имплантата интерфейса мозг-компьютер. До этого компания провела успешную установку интерфейса четырём пациентам в Австралии. Положительный опыт с австралийцами позволил Synchron получить разрешение на проведение аналогичной операции с гражданином США. Установка интерфейса проводится максимально просто без серьёзного хирургического вмешательства. И это работает!

Источник изображения: Synchron

В отличие от того же нейроинтерфейса компании Neuralink Илона Маска (Elon Musk), для установки которого необходимо вскрывать черепную коробку пациента, эндоваскулярный интерфейс мозг-компьютер (BCI) компании Synchron вводится в мозг через кровеносный сосуд в основании шеи в другой сосуд, расположенный в мозге и подводится к его моторной коре. Датчик Stentrode размерами со спичку или чуть больше по проводу передаёт сигнал в радиопередатчик, встроенный в грудную клетку человека, а тот по беспроводному каналу отправляет сигналы на компьютер.

Комплекс BCI компании Synchron позволяет пациентам с парализованными конечностями пользоваться компьютером, отправляя электронную почту, делая покупки через интернет и, в целом, возвращает неизлечимо больным людям радость общения с близкими и обществом.

Источник изображения: Synchron

Компания Synchron получила разрешение на клинические испытания в США комплекса эндоваскулярного интерфейса мозг-компьютер весной этого года. Первая операция проведена в клинике Mount Sinai West в Нью-Йорке под руководством клинического исследователя Шахрама Маджиди (Shahram Majidi), доктора медицинских наук, доцента нейрохирургии, неврологии и радиологии в Школе медицины Икан при Mount Sinai. Пациент смог вернуться домой уже через 48 часов после установки имплантата, что говорит о незначительном хирургическом вмешательстве и его незначительном влиянии на здоровье пациента.

Источник изображения: Synchron

«Первая в США имплантация эндоваскулярного BCI в организм человека — это важная клиническая веха, открывающая новые возможности для пациентов с параличом, — сказал Том Оксли (Tom Oxley), генеральный директор и основатель компании Synchron. — Наша технология предназначена для миллионов людей, которые потеряли возможность использовать руки для управления цифровыми устройствами. Мы рады продвигать на рынок масштабируемое решение BCI, которое способно изменить жизни многих людей».

Добавим, китайские исследователи идут по тому же пути развития. Правда, опыты они пока проводят на козах.

Исследователи из Университета Райса продемонстрировали возможность дистанционного управления плодовыми мушками без прямого подключения к их нервной системе. Команды посылались активизацией магнитного поля, на что насекомое реагировало со скоростью естественных нервных импульсов. Проделанная работа является частью проекта, который ставит перед собой цель помочь незрячим людям снова увидеть мир без использования глаз — одной только активацией коры головного мозга.

Источник изображения: C. Sebesta and J. Robinson/Rice University

Впрочем, для достижения заявленной цели предстоит ещё очень много работы. Для научного эксперимента по дистанционному управлению мухами были активированы особые мутации, которые создали в нервной системе насекомых ионные каналы у нейронов, чувствительные к теплу. Затем в нервный ганглий были введены наночастицы железа, которые, в том числе, были доставлены в области рядом с такими нейронами.

Внешнее магнитное поле вызвало токи в наночастицах железа и разогревало их. Разогрев вёл к активации нейронов и передаче нервного импульса по нервной системе мушек. Тепловую чувствительность придали нейрону, который отвечал за такую реакцию мушек, как разведение крыльев в стороны. Такая реакция обычна для данных насекомых как сигнал к спариванию. Но в этот раз учёные заставляли мушек расправлять крылья по своей прихоти — одним лишь нажатием кнопки.

Предложенный метод показывает, что активировать нейроны в головном мозге можно на расстоянии без хирургического вмешательства. В перспективе учёные надеются создать решение для восстановления зрения незрячим пациентам с возможностью обойтись без глаз. У военных, которые финансируют это исследование, другие цели. Для одной из программ DARPA требуются системы для считывания активности мозга у одного человека и передачи «картинки» другому на расстоянии. Обе цели полезные, настораживает только опция «расправить крылышки» вопреки желанию пациента.

Установка датчиков на головном мозге требует хирургического вмешательства и чревата рисками для здоровья и жизни пациента. В то же время наука и инженерия идут к тому, что здравоохранение и даже взаимодействие с компьютерами потребуют массовой установки мозговых имплантатов и датчиков. Выходом из этой ситуации может стать технология установки мозговых датчиков без вскрытия черепной коробки, исключительно по кровеносным сосудам.

Источник изображения: Nankai University

В феврале этого года на компанию Neuralink Илона Маска обрушился шквал критики с обвинением в жестоком обращении с животными. Поводом для этого стало сообщение компании о необходимости умертвить восемь подопытных обезьян. Не исключено, что к этому могли привести последствия хирургических вмешательств в процессе установки имплантатов на мозг животных, что предполагает подход Neuralink.

Альтернативой грубому хирургическому вмешательству может стать ввод имплантатов в мозг по кровеносным сосудам. Экспертом в этом новом деле может считаться молодая нью-йоркская компания Synchron, которая уже вживила нескольким пациентам датчики в мозг через кровеносный сосуд в основании шеи и далее по кровотоку к месту назначения в ткань мозга. Утверждается, что такие имплантаты уже позволяют людям с нейродегенеративными заболеваниями управлять компьютером и данными.

Подобный метод установки имплантатов берут на вооружение китайские исследователи. Учёные из Нанкайского университета в северном портовом городе Тяньцзинь сообщили, что в минувшие выходные ввели датчик в мозг козы через вену и получили сильные и чёткие электрические сигналы от мозга животного.

«Самое большое преимущество этого метода заключается в том, что для получения электрических сигналов не требуется инвазивная операция на открытом мозге, а вся операция может быть выполнена менее чем за два часа», — сказал ведущий исследователь Дуань Фэн (Duan Feng), профессор колледжа искусственного интеллекта университета.

«Этот подход — совершенно новый способ захвата электрических сигналов мозга. <..> Это может стать революционной [технологией]», — сказал он, добавив, что эксперимент, проведённый в выходные, был первым для Китая.

Китайские учёные из военных институтов НОАК провели серию экспериментов по беспроводной передаче сигналов головного мозга человека. Утверждается, что активность мозга можно превратить в радиоволны с помощью программируемого метаматериала. Эта технология открывает путь к созданию управляемых сознанием радаров, систем обнаружения уставших водителей и другим интересным применениям.

Источник изображения: Pixabay

«Наша разработка предоставляет пользователям универсальный способ манипулирования электромагнитными волнами с помощью мозговых волн», — сообщил профессор Ван Цзяфу (Wang Jiafu), ведущий научный сотрудник инженерного университета ВВС в северо-западной провинции Шэньси, в статье, опубликованной 11 июня в рецензируемом журнале eLight.

«Мозговые волны» — это электрическая активность нервных клеток человека и животных. Современная наука научилась распознавать как общее состояние активности мозга — улавливая сигналы от мозга в целом (ритмы), так и сигналы от отдельных нейронов. Проблема заключается лишь в том, чтобы выделить и интерпретировать полезную информацию среди всего «шума».

Китайские учёные смогли соединить в единую систему интерфейс мозг-компьютер (которые также активно и успешно сейчас развиваются) и некий метаматериал для прямой трансляции радиосигнала в зависимости от сигналов на выходе интерфейса мозг-компьютер. Носимое устройство в виде интерфейса мозг-компьютер с помощью Bluetooth передавало сигнал об активности мозга на метаповерхность, которая «служила мостом, соединяющим мозговые и радиоволны», как пишет источник. До этого сигналы на метаповерхность передавались проводным соединением. Сигнал Bluetooth — это тоже радиоволны, поэтому зачем ещё нужна какая-то метаповерхность, не понятно.

В другом эксперименте учёные под руководством профессора Цуй Тиеджуна (Cui Tiejun) из Юго-Восточного университета в городе Нанкин установила межмозговую связь между двумя добровольцами с помощью аналогичной технологии. Метаповерхность, запрограммированная командой Цуй, передавала сообщение от одного человека к другому, преобразуя сигналы мозга в радиоволны.

Оба учёных отказались комментировать достижения, ссылаясь на работу с военными.