После инсульта, повредившего ствол мозга, Энн — ведущий участник исследования, на 18 лет потеряла возможность говорить и двигаться. Единственным способом общения оставалась медленная система с указкой и экраном, где каждое предложение формировалось десятками секунд. Недавно ученые Калифорнийского университета в Сан-Франциско установили ей экспериментальный нейроимплант, который впервые позволил воспроизвести ее мысли в виде речи в реальном времени. Рассказываем, какой путь прошли нейротехнологии, чтобы помогать людям возвращать голоса, устранять двигательные ограничения и улучшать обучаемость здоровых людей.
История Энн
В 30 лет жизнь Энн перевернулась в одно мгновение. Молодая мать двоих детей — 13-месячной дочери и 8-летнего пасынка, перенесла редкий инсульт ствола головного мозга — области, отвечающей за базовые функции: дыхание, сердцебиение и движение мышц. Врачи до сих пор не могут объяснить причину случившегося. Результат — полный паралич. Энн не могла даже дышать без аппарата, а ее тело превратилось в «ловушку», оставив сознание полностью ясным.
После инсульта Энн столкнулась с состоянием, которое врачи называют синдромом запертого человека. В отличие от более распространенного варианта, при котором пациенты могут моргать или двигать глазами, в ее случае паралич затронул даже лицевые мышцы. «Я будто исчезла в собственном теле», — позже напишет она.
Первые пять лет Энн засыпала со страхом не проснуться. Но упорная реабилитация принесла первые победы: спустя годы физиотерапии она научилась улыбаться, плакать и слегка поворачивать голову. Этого хватило, чтобы начать общаться с миром через специальный датчик, закрепленный на голове. Устройство считывает микродвижения и позволяет печатать текст на экране со скоростью 2−3 слова в минуту. «Это мучительно медленно, но для меня это свобода», — признается Энн.
От клавиатуры к аватару
Сегодня Энн — ключевой участник проекта Калифорнийского университета в Сан-Франциско и Калифорнийского университета в Беркли. Ученые создают интерфейс «мозг-компьютер», который преобразует нейронные сигналы в речь и мимику цифрового аватара. Технология основана на имплантах, регистрирующих активность речевых центров мозга, и алгоритмах ИИ, декодирующих мысли в слова.
История Энн — живое доказательство того, как далеко продвинулась нейротехнология. Почти два десятилетия спустя — в рамках нового научного эксперимента — Энн снова «заговорила», используя силу собственных мыслей. Случаи полного синдрома запертого человека редки, но технологии, которые тестируют на Энн, могут помочь миллионам. По данным ВОЗ, ежегодно 17 миллионов человек переносят инсульт, и многие остаются с тяжелыми нарушениями речи.
Ключевым элементом стал нейроимплант — прямоугольная тонкая пластина, по толщине напоминающая лист бумаги, но наполненная 253 микроскопическими электродами. Его аккуратно разместили на поверхности мозга в зоне, отвечающей за речь. Эти датчики способны улавливать электрическую активность тысяч нейронов одновременно, превращая мозговую активность в поток данных.
Команда ученых пошла еще дальше — они не просто преобразовали сигналы в речь, но сделали синтетический голос максимально похожим на голос Энн до болезни. Для этого использовали редкие записи с ее свадебного видео, на которых она говорила. На основе этих аудиофайлов искусственный интеллект обучился воспроизводить ее тембр и интонации, а позже и мимику.
Во время эксперимента Энн «мысленно проговаривала» фразы, глядя на экран, где появлялись предложения. Хотя она не произносила слов вслух, нейроимплант улавливал изменения в активности мозга за полсекунды до начала фразы — и обновлял данные каждые 80 миллисекунд. Это дало возможность переводить ее внутреннюю речь в текст и голос почти в реальном времени.
Результаты оказались впечатляющими: Энн «говорила» со скоростью от 47 до 90 слов в минуту. Для сравнения, в живом разговоре человек произносит около 160 слов в минуту — но даже такой темп оказался значительным прогрессом. Ранее она использовала устройство, которое требовало более 20 секунд на формулировку одного предложения.
Мозг-компьютер
Устройство, созданное учеными, работает по принципу интерфейса «мозг — компьютер», ИМК. Оно считывает мозговую активность и в реальном времени переводит ее в речь с помощью искусственного интеллекта и синтезированного голоса. В отличие от предыдущих разработок, которые озвучивали готовые предложения с задержкой, прототип нового устройства озвучивает слова уже через 3 секунды после того, как человек начал о них думать. Такой результат стал возможен благодаря алгоритмам ИИ, способным не просто распознавать отдельные сигналы мозга, но и интерпретировать их в сложные фразы, максимально приближенные к живому диалогу.
«Старые ИМК — это как чат в мессенджере, — объясняет Кристиан Херфф, нейробиолог из Университета Маастрихта. — Ты сначала «печатаешь» фразу в голове, потом устройство ее воспроизводит. Получается медленно и неестественно. А теперь представьте, что вы разговариваете вживую».
Пока технология лучше всего распознает именно «внутреннюю речь» — ту, которую мы проговариваем мысленно, не шевеля губами. Для полной естественности еще есть куда стремиться. Как объясняет Кристиан Херфф, если задержка в ответе превышает 50 миллисекунд, она начинает ощущаться как пауза в разговоре, сбивая восприятие.
Нейрохирург Эдвард Чанг из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, один из авторов проекта, убежден: это только начало. С более точными датчиками и более мощными алгоритмами обработки сигналов система станет быстрее, точнее и сможет распознавать более длинные, сложные фразы. По сути она эволюционирует вместе с пользователем — и однажды может полностью заменить голос тем, кто его потерял.
От электрических волн к управлению роботами
Все началось в 1924 году, когда немецкий психиатр Ганс Бергер прикрепил электроды к голове подростка с травмой черепа после операции. Так родилась электроэнцефалография, или ЭЭГ — метод записи «мозговых волн». Бергер обнаружил ритмичные электрические колебания, которые позже назвали альфа- и бета-ритмами.
В середине XX века ученые, чтобы изучать эпилепсию, стали размещать электроды прямо на поверхности мозга, и этот метод до сих пор помогает находить очаги припадков. Это напоминает карту мозга, где эпилептический шторм виден как вспышки молний.
Следующий прорыв случился благодаря экспериментам на животных. Обезьян с имплантированными в мозг электродами учили управлять манипуляторами силой мысли. Так появились первые ИМК. Принцип прост — мозг генерирует сигнал, электроды его считывают, и алгоритм превращает его в действие.
Первым человеком, получившим инвазивный ИМК, был Мэтт Нэгл, парализованный после ножевого ранения. Он управлял роборукой, играл в «Тетрис» и включал TV. «Это как научиться шевелить новой частью тела», — позже говорил Нэгл. Его добровольное участие в экспериментах позволило открыть новую эру нейропротезирования.
В 2017 году мир увидел «нейропиксели» — электроды тоньше волоса с тысячей датчиков. Они регистрируют активность отдельных нейронов, и в 2024 году их впервые применили для изучения речи: две группы ученых опубликовали данные о том, как мозг кодирует гласные звуки.
Как ИМК ломает стереотипы о мозге
Благодаря исследованиям на основе ИМК удалось узнать, что мозг активирует одни и те же зоны при реальной, шепотной и воображаемой речи. Это открытие — ключ к помощи тем, кто потерял речь из-за инсульта или паралича. На примере Энн, даже при полном параличе человек может мысленно формировать слова, и ИМК успешно может их расшифровать.
До недавнего времени ученые считали, что после травм мозг активно «перестраивается» — что участки, управлявшие парализованной рукой, берут на себя новые функции. Эксперименты на грызунах подтверждали эту идею: после повреждения спинного мозга нейроны «переключались» на контроль работающих мышц.
Но технологии ИМК усложнили понимание процессов восстановления мозга. В Питтсбургском университете нейроинженер Дженнифер Коллинджер столкнулась с феноменом: мужчина с травмой спинного мозга, частично сохранивший движение руки, мысленно шевелил парализованными пальцами — и датчики фиксировали активность в «зоне кисти» моторной коры. Казалось, мозг десятилетиями хранил «карту» неработающих пальцев, как архив забытых файлов.
Этот случай ставит под вопрос теорию массовой перестройки нейросетей. Возможно, пластичность мозга не так радикальна, и некоторые «карты» остаются нетронутыми, даже если тело их больше не использует.
Эти данные дают надежду парализованным. Если мозг сохраняет «инструкции» для движений, их можно декодировать через ИМК — например, управлять экзоскелетом.
Как это поможет здоровым людям?
Современные нейроимпланты полезны не только для генерации речи при тяжелых травмах. Все чаще они становятся участниками своеобразного диалога с мозгом, который в ответ начинает меняться и адаптироваться. Этот эффект стал одним из ключевых результатов исследований в области ИМК. В центре внимания — то, как сам мозг учится общаться с машиной.
В одной из работ нейроинженера Хосе Миллана было показано: когда человек регулярно использует ИМК, его мозг начинает менять стратегию управления вниманием, чтобы «помогать» устройству точнее расшифровывать команды. Возникает замкнутый цикл — устройство учится понимать мозг, а мозг — подстраиваться под устройство. Этот биотехнический тандем делает технологию более эффективной, и с каждым сеансом взаимодействие становится точнее. Большинство ИМК-экспериментов по-прежнему сосредоточены на технической стороне — на точности, скорости, алгоритмах. А вот что происходит в самом мозге в этот момент — все еще предстоит изучить.
Сильвия Марчезотти из Женевского университета решила восполнить этот пробел. Ее команда проследила, как мозг реагирует на регулярное использование ИМК, которое переводит мысли в речь. В эксперименте приняли участие 15 добровольцев — у всех здоровый мозг, и все они обучались управлению ИМК без хирургического вмешательства, то есть использовались неинвазивные методы вроде ЭЭГ.
По мере тренировок у участников усиливалась активность в определенных частотах мозговых волн — тех, что обычно задействуются при реальной речи. Сигналы становились более направленными и стабильными. Это может говорить о том, что мозг находит более изящные и экономные способы «играть» на интерфейсе. Он тратит меньше энергии и делает привычные вещи лучше. Однако подобные выводы основаны на ограниченном числе испытуемых и требуют подтверждения на более широкой выборке.
Ученые надеются, что лучшее понимание того, как мозг реагирует на имплант, поможет сделать такие устройства не просто более точными, но и более надежными. Например, если нейроимплант ошибается и путает, что именно «сказал» человек — это может быть связано с индивидуальными особенностями активации зон мозга.
Такой эффект продемонстрировала группа под руководством нейрохирурга Мэттью Рэмси. Пяти пациентам, перенесшим нейрохирургическую операцию по поводу эпилепсии, они имплантировали ИМК в область мозга, связанную с речью. Выяснилось, что мозговые сигналы при произнесении фраз почти не отличались от сигналов при их прослушивании. Это означает, что декодер может ошибочно принять услышанную речь за внутреннюю — что чревато сбоями.
Сейчас такие исследования остаются штучными — и, как ни странно, в них задействовано больше ученых, чем реальных пользователей ИМК. Это объясняется как техническими, так и этическими ограничениями: каждый имплант требует сложной нейрохирургической операции, и ни один этап нельзя проводить «на всякий случай». Тем не менее развитие ИМК невозможно без баланса между фундаментальной наукой и клинической практикой. Неэтично просто изучать мозг ради абстрактных знаний, но и сосредотачиваться только на железе — не выход. Истинный прогресс рождается на стыке.
