«Если сигнал слишком красивый — это артефакт»: интервью с инженером нейроинтерфейсов

Нейрогарнитуру легко представить магией: надел обруч — и компьютер читает твои мысли. На деле за каждым таким устройством стоит упрямая инженерная возня с миллионными долями вольта, паяльником и километрами кода. Мне захотелось увидеть кухню изнутри.

Я нашла Артёма Гладышева — инженера-разработчика нейроинтерфейсов. Восемь лет он проектирует ЭЭГ-гарнитуры: сначала в университетской лаборатории, потом в двух стартапах, один из которых закрылся, а второй — жив. Артём отвечает за всё сразу: где расположить электроды, как вычистить сигнал от шума и как научить программу отличать одно состояние мозга от другого. Мы встретились у него на «верстаке» — так он называет стол, заваленный платами и обручами в разной степени разобранности.

«Предупреждаю: я зануда и люблю, когда всё честно, — сказал он. — Так что если ждёте историй про чтение мыслей, разочарую в первые пять минут». Отлично, как раз то, что нужно.

С чего начинается гарнитура

— Вот вы садитесь проектировать новое устройство. С чего реально начинается работа?

С вопроса «что мы вообще хотим услышать». Это главное, что люди не понимают. Мозг генерирует много разной активности, и от того, что именно вы хотите поймать, зависит вообще всё: сколько электродов, где их ставить, какая частота оцифровки. Гарнитура для отслеживания расслабления и гарнитура для управления курсором — это разные приборы, хотя снаружи оба обручи.

Дальше — компромиссы. Инженерия вообще про компромиссы, а нейроинтерфейс — концентрат компромиссов. Хотите больше электродов и точнее картину? Устройство станет дороже, тяжелее, дольше надеваться и быстрее сядет батарея. Хотите, чтобы человек надел за пять секунд и забыл? Готовьтесь пожертвовать качеством сигнала. Моя работа — найти точку, где прибор ещё полезный, но уже удобный. Идеала не бывает, бывает разумный баланс.

Сухие электроды против гелевых: вечная война

— Первое, что видит человек, — это контакты на голове. Почему их так по-разному делают?

О, это моя любимая боль. Электрод должен снять микровольтовый сигнал с кожи, а между ним и мозгом — кожа, волосы, кость. Всё это мешает. Классическое решение из клиник — гелевые электроды. Наносишь специальный проводящий гель, он заполняет зазор, раздвигает волосы, и контакт получается отличный. Сигнал чистый, любо-дорого.

Проблема очевидна любому, кто это пробовал. Гель холодный, липкий, его надо наносить в каждую точку, потом смывать, волосы после этого — отдельная песня. Для клиники, где ЭЭГ снимают полчаса под присмотром, нормально. Для человека, который хочет надеть гарнитуру утром дома, — катастрофа. Никто не будет мазать голову гелем каждый день.

Поэтому появились сухие электроды — без геля, просто прижимаются к коже. Обычно это металлические или проводящие пластиковые «пальчики», которые протискиваются сквозь волосы. Удобство огромное: надел и пошёл. Но за удобство платишь качеством. Сухой контакт шумнее, чувствительнее к движению, хуже держится на густых волосах. Вот прямо сейчас на верстаке половина устройств — это попытки сделать сухой электрод, который был бы почти как гелевый. Святой Грааль отрасли.

«Гелевый электрод — как проводной интернет: скучно, но работает идеально. Сухой — как мобильный: свобода, но лови сигнал где можешь»

Артём Гладышев, инженер-разработчик нейроинтерфейсов

— И кто побеждает?

Пока — компромисс. В хороших бытовых устройствах ставят подпружиненные сухие электроды и очень стараются с материалами контакта. А недостаток чистоты сигнала добирают уже потом, в обработке — алгоритмами. Железо и софт всегда работают в паре: где не дотянул электрод, там выручает математика. Но математика не всесильна, о чём мечтатели тоже забывают.

Главный враг — шум

— Вы всё время говорите «шум». Что это и почему это так серьёзно?

Шум — это всё, что не является полезным сигналом мозга, но лезет в запись. И его в разы больше, чем самого сигнала. Помните: активность мозга — это микровольты. А вокруг — целый оркестр помех, каждая из которых громче.

Самая наглая помеха — электросеть. Провода в стенах, зарядки, лампы — всё излучает наводку на частоте 50 герц, и она в сотни раз сильнее мозгового сигнала. С ней борются специальным фильтром, который вырезает именно эту частоту. Дальше — сам человек. Моргнул — на записи огромный всплеск, потому что мышцы глаза дают сигнал в разы мощнее коры. Сжал челюсть — запись превращается в кашу. Почесал голову — вообще катастрофа.

Поэтому artefacts — так мы называем эти помехи от мышц и движения — это главная головная боль. Полезный сигнал буквально тонет в них. Часть боремся железом: экранируем провода, ставим электрод сравнения, придумываем конструкцию, которая плотно и стабильно сидит. Часть — софтом: алгоритмы учатся узнавать «в лицо» моргание или пульс и вычитать их. Но идеально вычистить нельзя. Всегда остаётся что-то, и с этим приходится жить.

Машинное обучение: как программа понимает сигнал

— Допустим, сигнал поймали и вычистили. Как из волн получается «человек сосредоточен» или «расслаблен»?

Тут начинается машинное обучение, и тут же начинаются главные преувеличения. Работает это так. Мы берём очищенный сигнал и раскладываем его на частоты — сколько в нём альфа-ритма, сколько беты и так далее. Получаются числа-признаки. Дальше алгоритм смотрит на комбинацию этих чисел и относит её к одному из заранее заданных состояний.

Но чтобы он это умел, его надо обучить. Мы сажаем много людей, просим их, например, расслабиться или наоборот сосредоточиться, записываем сигнал и подписываем: «вот это расслабление, вот это концентрация». Алгоритм ищет закономерности. Ключевое слово — «заранее заданные». Программа не понимает мысль. Она различает статистические образцы, которым её научили. Это как собака, которая знает команды «сидеть» и «лежать»: она не читает ваши намерения, она выучила связь между сигналом и реакцией.

— То есть чем больше состояний, тем сложнее?

Резко сложнее. Два состояния различить — задача решаемая. Пять — уже борьба. А теперь представьте «прочитать любую мысль» — это не пять состояний, это бесконечность, причём у каждого человека мозг устроен чуть по-своему. Модель, обученная на мне, на вас будет ошибаться, потому что ваша «концентрация» звучит иначе, чем моя. Приходится либо калибровать под каждого, либо мириться с тем, что точность средненькая. Поэтому надёжные бытовые интерфейсы работают с малым числом чётких, непохожих состояний.

Почему «чтение мыслей» пока фантастика

— Раз уж заговорили. Когда мы сможем печатать силой мысли?

Давайте разделим. Есть лабораторные и медицинские интерфейсы, где электроды вживляют прямо в мозг — инвазивные. Они уже позволяют парализованным людям управлять курсором и даже складывать слова. Это потрясающе и реально. Но это операция на мозге, десятки специалистов, огромные деньги, и работает это для конкретных, узких задач.

А то, что носят на голове снаружи, — неинвазивные гарнитуры вроде тех, что на моём столе, — принципиально ограничены. Мы снимаем сигнал через кость и кожу, которые всё размазывают. Это как слушать разговор в соседней квартире через стену: общее настроение уловишь, отдельные слова — нет. Через череп невозможно разглядеть работу отдельных нейронов, а мысль живёт именно там. Физика против нас.

Поэтому честная формула такая: неинвазивная гарнитура может уверенно различать несколько состояний и намерений — расслаблен или напряжён, «да» или «нет», представил движение левой рукой или правой. Это уже много и уже полезно. Но «прочитать, о чём вы думаете» — нет. Не потому что мы ленивые, а потому что сигнала для этого физически нет на поверхности головы. Любой, кто обещает иное к следующему году, либо не понимает физику, либо продаёт.

Курьёзы из тестирования

— И на десерт. Самое смешное, что случалось на испытаниях?

О, тестирование — это цирк. Классика жанра: устройство «читает мысли», а на самом деле ловит моргания. Один наш ранний прототип якобы управлялся «силой концентрации»: смотришь на кнопку, думаешь — и она нажимается. Все в восторге. Пока не выяснилось, что срабатывало оно на напряжение челюсти. Люди неосознанно стискивали зубы от старания, а мышечный сигнал огромный. Мы гордо демонстрировали «мысленное управление», которым на деле была гримаса.

Ещё был чудесный случай, когда прибор в одной комнате работал идеально, а в другой сходил с ума. Полдня искали причину. Оказалось — в «плохой» комнате стоял старый холодильник, который давал такую наводку на сеть, что наши фильтры захлёбывались. Мозг человека тут был вообще ни при чём, мы ловили холодильник.

И мой любимый. Тестировали гарнитуру на добровольцах и увидели у одного идеально ритмичный, красивый сигнал — прямо учебник. Обрадовались: вот он, эталонный испытуемый. А потом поняли, что это не мозг. Человек ритмично покачивал ногой под музыку в наушниках, и электрод исправно записывал эту тряску. С тех пор у нас правило: если сигнал слишком красивый, скорее всего, это артефакт. Настоящий мозг всегда немного грязный и живой.