Один известный академик как-то заметил: чтобы правильно поставить научную задачу, всего-то надо — талантливые ученые, современные приборы и немного везения. Все это имеется в НИИ нейрокибернетики ЮФУ. Туда я и отправляюсь в поиске новых открытий…

Ради чистоты эксперимента

Первое, что слышу в лаборатории сенсорных и моторных систем:

— Разве вас не предупредили, чтобы ресницы не красили?

— Даже не намекнули, — отвечаю.

Мечта об участии в эксперименте рушится, как карточный домик. Но при чем здесь накрашенные ресницы? Оказывается, все дело в установке для записи движений глаз. С ее помощью ученым удается решать множество задач. Одна из них — изучение процесса зрительного восприятия. Для чего это нужно? Об этом — впереди. В установке, помимо высокоскоростной камеры, отслеживающей движение глаз, расположены матрицы с инфракрасными лампочками, светящими на глаза испытуемого, — звучит коряво, но так здесь называют участников эксперимента. Так вот, в свете лампочек зрачок кажется очень ярким и как самый яркий кружок обнаруживается компьютерной программой, которая распознает его позицию на кадре камеры. Накрашенные тушью ресницы в инфракрасном свете становятся ярче зрачка, и камере сложно уловить его движение. Поэтому ради чистоты эксперимента ресницы красить не рекомендуется. Но что делать — любопытство берет верх. И я сажусь за установку.

Вначале нужно «поймать» глазами точку в центре экрана, затем в правом верхнем углу и так далее. Пока я перевожу взгляд туда-сюда, компьютерная программа запоминает положение моих глаз в каждом месторасположении точки. По этим координатам она потом определит, как я осматриваю появившееся на экране изображение. Это уже следующий этап исследования. Моя задача — рассмотреть картинку, а при повторном осмотре — найти в ней измененные фрагменты.

— Что дает такой эксперимент? — спрашиваю аспирантку лаборатории Татьяну Колтунову.

— Мы изучаем, каким образом идет зрительный поиск. Кто-то осматривает картинку глухим сканированием, чтобы найти какие-либо фрагменты, кто-то — по смысловым точкам, к примеру, лицо, а кого-то интересуют детали: платье, узоры…

По словам Татьяны, зрительное восприятие аккумулирует в себе врожденные особенности человека, например, подвижность нервных процессов, его темперамент, характер… Само по себе зрительное восприятие — сложный процесс, который происходит в нашей голове, точнее — в мозгу. Каким же образом ученые  «добывают» оттуда информацию для разработок? С этим вопросом я иду в лабораторию микроэлектродных исследований коры головного мозга к кандидату биологических наук Евгении Беловой.

Одним движением головы…

Микроэлектродное исследование нейронов коры мозга ведется с 70-х годов, а вот в сочетании с новой методикой — по глазным движениям — несколько лет. Это стало возможным благодаря современной установке, регистрирующей активность клеток нейронов коры головного мозга. Правда, главный участник испытаний здесь не человек, а… кошка по кличке Маша.

— У животных и человека механизмы различных психических функций одни и те же, — рассказывает Евгения Ивановна. — У Маруси мы исследуем зрительную область головного мозга. Она имеет сложную структуру, и функции нейронов существенно различаются.

Муся, чувствуя важность эксперимента, ведет себя вполне мирно. За установкой она смотрит не на картинку, а на стимулы, о которых говорила Евгения. Это могут быть определенное цветовое пятно, решетки, светящийся круг, полоски… В мозг Маруси вшиты электроды, они фиксируют активность реакции нейронов на зрительные стимулы. Выясняется, что у кошки некоторые нейроны реагируют только на полоски, некоторые — на круг. Для чего необходимы такие исследования?

— На основе нейробиологических данных мы разрабатываем биологические алгоритмы и модели для создания прикладных систем различного направления, — говорит завлабораторией нейроинформатики кандидат биологических наук Любовь Подладчикова.

Сейчас исследователи лаборатории трудятся над системой бесконтактного взаимодействия человека с компьютером. Прежде всего такая система удобна для инвалидов. Управлять различными функциями компьютера можно будет с помощью поворотов, наклонов головы, даже просто взглядом. Например, открывать и закрывать папку с документами, перелистывать их.

— Или, например, играете в компьютерную игру и управляете героем, двигая головой, — говорит аспирант лаборатории Сергей Анищенко.

Прямо «два в одном» — сидишь, управляешь компьютером, двигая головой, переводя с места на место  взгляд, а заодно глаза не напрягаешь и разминаешь шейные позвонки. Удобная и полезная система.

Не только видеть, но и слышать

«На составные» ученые «разбирают» функциональные связи нейронов не только зрения, но и слуха. Исследователи института выяснили, что нейроны в слуховой системе постоянно активны. Раньше эта активность истолковывалась как шум. Предполагалось, что нервная система работает, пытаясь отстраниться от него. Даже если шум мешает, она должна его преодолевать. Оказалось, что шум является обязательным компонентом при обработке информации в слуховой системе. Без него она не может точно оценить, где конкретно находится источник звука. Ученым удалось понять, каким образом нейронные сети мозга решают эту задачу. И в этом специалисты НИИ нейрокибернетики — пионеры. Теперь ученые института работают над созданием нейронной сети, которая будет обрабатывать информацию так же, как слуховая система человека. Созданные на ее основе протезы помогут слабослышащим обрести практически нормальный слух. Еще одно применение новой разработки — системы навигационного трафика автомобильного транспорта. Пока такие системы разрабатываются в нескольких странах на основании использования визуального контроля. Если к нему добавить слуховой контроль, тогда автомобиль сможет ориентироваться по движущимся объектам, которые находятся не только рядом с ним, но и по тем, что перемещаются из одного ряда в другой и скрыты в потоке машин. С такой системой наши лихие водители научатся соблюдать дистанцию, не попадут в аварию, а значит, сохранят свою и чужую жизни.

На лице все написано

Кстати, к сохранению жизни в некотором смысле причастно и наше лицо. Что нам помогает отличать одного человека от другого? Правильно — непохожесть. Для специалистов лицо — объект исследования. По нему ведется поиск без вести пропавших, преступников. С «применением» лица разрабатываются системы бесконтактного контроля человека-оператора, осуществляющего движение воздушного, наземного транспорта, работающего на атомной станции.

— Когда случаются катастрофы, мы часто слышим о человеческом факторе, — говорит директор НИИ нейрокибернетики доктор биологических наук, профессор Валерий Кирой. — Бывает, он связан с работой оператора. Возникают вопросы: почему его действия привели к трагедии? Если он неважно себя чувствовал, то кто допустил его к управлению? Обычно допуск оператора к работе решается предсменным тестированием, регистрацией каких-то его характеристик. Протестировали и говорят: «Может работать». А он по каким-то иным причинам управлять тем же самолетом не в состоянии и может совершить ошибку.

— Какой тогда необходим контроль? — спрашиваю Валерия Николаевича.

— Текущий. Который бы предостерег человека от самой возможности проявления ошибки. Такой контроль можно проводить методом  установки электродов на тело человека, но они связывают его действия, вносят неудобства.

Есть еще один способ — видео­мониторинг. Он применяется в железнодорожном транспорте. В кабине машиниста устанавливается датчик, который контролирует состояние его глаз. Если они закрыты, то считается, что машинист дремлет или спит, и датчик дает сигнал. Такой же принцип контроля пытаются использовать и для водителей автотранспорта. Но тот же водитель может вовсе не впадать в дремоту или сон, а просто отвлечься.

— Поэтому нужно контролировать состояние человека в целом, — объясняет Валерий Николаевич. — Как раз ученые нашего института разрабатывают метод идентификации состояния по выражению лица. Такая система позволит оценить, адекватно ли водитель, оператор систем управления реагируют на сложную ситуацию, способен ли он с ней справиться. То есть каково его состояние в реальном режиме времени. 

— А если человеку вдруг стало плохо? — спрашиваю я.

— Тогда подключится автоматическая система управления.

— В чем суть вашей разработки?

— Она направлена на определение состояния человека по мимике. Человек работает, а видеомонитор сканирует лицо, сличает мимику по значимым точкам и дает полную информацию о состоянии человека в конкретный момент:  рассеян  он  или  сосредоточен, спит или бодрствует… 

Все существующие системы контроля работают только в черно-белом режиме. Сейчас стали разрабатываться полутоновые изображения, но тоже как вариация серого. А ведь каждый из нас — некая цветовая гамма. Что уж говорить о представителях европейской, монголоидной, азиатской рас — они совершенно разные. Для новой системы контроля человека-оператора ученым НИИ нейрокибернетики наконец удалось создать алгоритм, который работает как на черного, так и на европейца, азиата…

Вспомнив фразу академика об условиях для правильной постановки научных задач, спросила Валерия Николаевича о везении в работе. В ответ он только улыбнулся. В самом деле, стоит ли говорить об очевидном.