3-сеть передвигала виртуальную руку в центр сферической мишени только в том случае, когда хотя бы двое из трех участников синхронизировали между собой электрические сигналы моторной коры. Если сигналы не были синхронизированы, рука не двигалась с места. Однако если активность моторной коры была синхронизирована, компьютер генерировал постоянный трехмерный кинематический сигнал, который продвигал руку к цели. И все это должно было происходить при условии, что ни один из трех участников эксперимента не знал о существовании двух других. Для проверки правильности мыслительной работы каждого участника им посылали зрительные сигналы обратной связи, выражавшиеся в перемещении по экрану компьютера в двумерном пространстве виртуальной руки, контролируемой мозгом каждого из них. Наконец, по результатам каждого опыта, если виртуальная рука дотрагивалась до цели быстрее, чем за предопределенный отрезок времени, каждый участник получал награду в виде очень вкусного фруктового сока.
Используя эти простые правила, мы начали основательно тренировать наших трех участников. Они легко преуспели в выполнении индивидуальной работы по контролю перемещений руки в двух измерениях, однако в подавляющем большинстве опытов, хотя они правильно выполняли индивидуальную работу, они совсем не синхронизировались, так что виртуальная рука не совершала нужных перемещений в трехмерном пространстве. И поэтому никто никакого сока не получал. Это было нехорошо — как для участников, так и для нас. Но даже во время этих первых тренировок изредка двое или даже трое участников все же достигали прекрасной синхронизации нейронов моторной коры, так что рука перемещалась и достигала цели.
После трех недель наблюдений за этим динамичным ментальным танцем в погоне за неуловимой временной синхронизацией мозга трех участников мы начали замечать некоторый прогресс. По мере тренировок количество экспериментов, в которых наблюдались краткие периоды синхронизации активности мозга двух или даже трех участников, начало медленно, но верно расти. И каждый раз все три участника испытывали краткое, но сильное чувство победы.
Через три недели после проведения первого эксперимента с B3-сетью мы собрались в лаборатории с каким-то особенным предчувствием. На одиннадцатом испытании, когда все три участника решили наконец действительно выложиться по полной, поначалу все выглядело как обычно (проще говоря, ничего не выходило). И вдруг — успех: все в лаборатории услышали долгожданный металлический звук: согласованное ритмичное биение трех соленоидных клапанов, по одному на комнату, означавшее успех, выразившийся в одновременной выдаче награды всем трем участникам. По мере того как вспышки синхронности соленоидов учащались и становились практически непрерывными, все присутствующие поняли, что происходит нечто грандиозное: моторная кора участников нашей тройной мозговой сети обучилась синхронизироваться и работать в прекрасной временно́й гармонии. Действительно, к концу того дня почти 80 % попыток трех участников были синхронными. Мозги, находившиеся в разных головах и не имевшие между собой никакой физической связи, теперь составляли единую распределенную органическую вычислительную единицу и использовали ее возможности в качестве цифрового компьютера, смешивая электрические сигналы всего лишь 775 нейронов для расчета моторной программы, способной продвигать к цели виртуальную руку.
Если первая демонстрация интерфейса «мозг-машина» в нашей лаборатории двадцатью годами ранее вызвала интерес и послужила началом серьезных современных исследований в области интерфейса «мозг-машина», к чему же могла привести первая демонстрация синхронизации электрической активности мозга нескольких индивидуумов для решения общей двигательной задачи? Мы тогда не могли себе и представить. Больше всего мы тогда жаждали скорее погрузиться в терабайты накопленных за три недели данных и посмотреть, что же происходило в то время, пока три участника обучались мысленно кооперироваться для совершения согласованного действия. Однако к моменту окончания этого анализа разнообразные поведенческие и нейрофизиологические данные пролили свет на то, что происходило за те одиннадцать дней, на протяжении которых функционировала наша B3-сеть. Во-первых, мы подтвердили, что в целом эффективность работы B3-сети выросла с 20 (день 1) до 78 % (день 11). Как было предсказано с самого начала, максимальная эффективность достигалась тогда, когда все три участника включались в работу полностью и правильно синхронизировали активность коры (рис. 7.2). Проанализировав одновременные записи активности коры мозга трех участников, задействованных в B3-сети (а также некоторые данные, полученные в системе из двух мозгов в B2-сети), мы обнаружили, что успешность эксперимента в значительной степени коррелировала с высокой степенью синхронизации активности коры трех участников: иными словами, группы нейронов коры в одном мозге начинали производить электрические импульсы в тот же момент, что и кластеры нейронов коры в двух других мозгах.
Рис. 7.2. Разные конфигурации мозгосетей обезьян. A: Организация мозгосети обезьян для решения общей двигательной задачи. Обезьян размещали в разных комнатах. Каждая находилась перед экраном компьютера с изображением виртуальной руки. Поведенческая задача заключалась в том, чтобы с помощью трехмерных перемещений виртуальной руки добраться до виртуальной цели на экране. Трехмерные перемещения виртуальной руки достигались благодаря сочетанию одновременной кортикальной электрической активности в мозге нескольких обезьян, объединенных в мозгосеть. B: Пример общей двигательной задачи, в которой вклад каждой из двух обезьян в перемещение виртуальной руки (X, Y) составлял 50 %. Под диаграммой показана кортикальная локализация имплантированных микроэлектродов. C: Распределенная задача, в которой одна обезьяна контролировала X-координату движения виртуальной руки, а другая — Y-координату. D: Подробная схема задачи с мозгосетью с участием трех обезьян. Каждая обезьяна решала двумерную задачу, а все три вместе контролировали трехмерное перемещение виртуальной руки. Ramakrishnan A. et al. Computing Arm Movements with a Monkey Brainet. Scientific Reports 5, July 2015: 10767.
Наше внимание привлекли и некоторые другие результаты. Например, когда один из участников эксперимента снижал эффективность работы и на время выходил из игры, двое оставшихся вполне компенсировали временную потерю мощности мозгосети. Они просто повышали частоту возбуждения нейронов собственной моторной коры, увеличивали уровень синхронизации и доставляли виртуальную руку к цели, как и требовалось, без участия третьего члена мозгосети. Поскольку решивший передохнуть лентяй не получал сок, его участие в игре не вознаграждалось, что стимулировало его как можно скорее вернуться к работе.
После многолетнего ожидания начала экспериментальной работы я едва удерживался от того, чтобы не кинуться к моим участникам с поздравлениями: в конце концов, мы только что впервые успешно продемонстрировали в действии разработанный в лаборатории сетевой интерфейс «мозг-машина». К сожалению, ничего, кроме невнятного мычания и повизгиваний, из наших участников извлечь было невозможно. Не потому, что они скромничали, вовсе нет, а по той причине, что были отделены от нас 25 миллионами лет эволюции и их мозг функционировал на другой волне. Видите ли, Манго, Шерри и Офелия — три великолепные макаки-резусы. Их мозг никак не мог синхронизироваться в ответ на человеческую речь и жест «дай пять»!
После первых успехов в экспериментах с мозгосетями у нас не было пути назад. В следующем варианте в рамках того же подхода мы назвали наших обезьян просто Пассажиром и Наблюдателем. В лабораторном помещении размером 10×10 футов, которое служило площадкой для их мысленных игр, они быстро выучили свои роли: Пассажир использовал электрическую активность своего мозга для передвижения адаптированного электронного инвалидного кресла (или ехал на нем, управляя компьютером, контролирующим кресло), чтобы добраться до вожделенного винограда, а Наблюдатель сидел в своем кресле и следил за этим своеобразным упражнением по вождению, выполнявшимся у него перед глазами. Хотя роль Наблюдателя может показаться незначительной ролью для лентяя, она предполагала ощутимый бонус: если Пассажир добирался до винограда до истечения отпущенного времени, Наблюдатель также вознаграждался небольшой порцией его любимого фруктового сока. Важно отметить, что на протяжении двадцати лет мы имели возможность проводить в нашей лаборатории этот эксперимент благодаря тому, что Гари Лехью, которого прозвали волшебником, переделал пару старых инвалидных кресел с электроприводом таким образом, чтобы ими можно было управлять и перемещать их за счет одной лишь электрической активности мозга.
Процесс обучения занял несколько дней, но в конце концов пара Пассажир/Наблюдатель все же начала справляться с заданием с высокой степенью успеха: вне зависимости от исходного положения инвалидного кресла Пассажир забирал виноград практически при каждой попытке. Таким образом, в каждом опыте после отмашки мозг Пассажира устанавливал новое местонахождение подающего виноград автомата в помещении и его пространственное расположение относительно инвалидного кресла, которым он управлял. Это позволяло мозгу Пассажира найти наилучшую траекторию, чтобы добраться до лакомства. После быстрых мысленных расчетов мозг Пассажира создавал двигательную программу, необходимую для перемещения инвалидного кресла к цели. Через несколько сотен миллисекунд Пассажир уже ехал вперед, удобно устроившись на сиденье инвалидного кресла.
Пока эти двое обучались разыгрывать такое довольно необычное совместное действо, талантливый молодой сотрудник и инженер из моей лаборатории По-Хе Ценг из Тайваня был занят тем, что записывал электрические всплески, одновременно возникавшие в сотнях нейронов во многих участках коры мозга Пассажира и Наблюдателя. Впервые за более чем пятидесятилетнюю историю интракортикальной нейрофизиологии приматов была проведена широкомасштабная регистрация электрических нейронных сигналов, одновременно посылаемых мозгом двух взаимодействующих макак-резусов. Еще более замечательным было то, что сигналы мозга обеих обезьян поступали через 128-канальный беспроводной интерфейс, способный принимать и передавать потенциалы действия, посланные кортикальными нейронам