Світлові візерунки, здатні розвіяти сутінки розуму

Спочатку давайте поговоримо про лазери. По суті (прошу вашого терпіння), лазер – це монохроматичне когерентне електромагнітне випромінювання. Говорячи науковою мовою, це промінь світла дуже певного кольору, який поляризований певним чином (і якщо ви подивіться на нього через поляризаційні окуляри, вам доведеться повернути голову під потрібним кутом, щоб його побачити).

Однією з головних переваг цих характеристик є те, що лазерний промінь дуже сфокусований і не так сильно втрачає енергію на відстані, як нелазерні промені. Це надзвичайно корисно в різних областях: від лазерної корекції зору і волоконно-оптичного зв'язку до промислового виробництва. Але є одна невелика проблема.

Підписуйтеcь на наш Telegram-канал Lenta.UA - ЄДИНІ незалежні новини про події в Україні та світі

Допустимо, ви хочете використовувати лазер як свого роду вдосконалений радар, скануючи певну поверхню і збираючи відбитий промінь за допомогою точної електроніки. Враховуючи надзвичайно коротку довжину хвилі лазерного променя, будь-яка поверхня, що відбиває, здаватиметься шорсткою і викличе відображення променя під кутом. Це змушує його інтерферувати із самим собою, подібно до того, як хвилі від каменю, кинутого в озеро, інтерферують самі з собою при відображенні від причалу. Інтерференція може бути конструктивною (тобто відображене світло яскравіше вихідного променя) або деструктивною (тобто відображення тьмяніше вихідного променя). У будь-якому випадку, результуюче зображення виходить не таким точним, як хотілося б. Це явище відоме як «спекл-візерунок».

Це створює проблеми навіть якщо поверхня, що відображає, повністю статична. Але що, коли вона вібрує? Спекл-візерунки теж стають динамічними — свого роду танцююча світлова пляма. І раптово ця проблема знаходить цікаві застосування. Припустимо, наприклад, що лазерний промінь відбивається від вікна, за яким у кімнаті йде розмова. Звукові хвилі змушують вікно вібрувати, і ці вібрації відображаються в світлових плямах, якими і є спекл-візерунки. Не гіпотетичне, а цілком реальне застосування. Дуже схожа система використовувалася КДБ ще у 1947 році для шпигунства за посольствами західних країн у Москві.

Перенесемося в наші дні, і спекл-візерунки починають відкривати зовсім нову область досліджень, пов'язану з візуалізацією мозку. Ця проривна робота ведеться у лабораторії фотоніки під керівництвом професора Зеєва Залевського в Університеті Бар-Ілан. Ми поговорили з Наталією Сегал, докторанткою, яка очолює цю роботу.

Давайте на хвилину перейдемо на дослідження мозку. Один із основних методів, які вчені використовують для вивчення людського мозку, називається фМРТ, або «функціональна магнітно-резонансна томографія». Цей метод використовує передові досягнення фізики виявлення найдрібніших змін у кровотоці всередині мозку. Знаючи, що певна область мозку отримує більше крові в конкретний момент, вчені можуть визначити, що саме цей стимул - чи то зображення, звук чи навіть когнітивний процес - активує цю область. Таким чином, поступово створюється карта мозку. У чому проблема цього підходу? Апарати МРТ дуже дорогі, викликають клаустрофобію та не підходять для багатьох видів досліджень.

На допомогу приходять спекл-візерунки. Коли кров приливає до певної ділянки кори головного мозку — частини мозку, розташованої безпосередньо під черепом, цей потік викликає найдрібніші вібрації черепа. Ці вібрації з амплітудою тисячні частки міліметра невидимі для людського ока. Але направте лазерний промінь на череп, зафіксуйте відбите світло високошвидкісною камерою, і ви отримаєте спекл-візерунки, які людське око все ще не може інтерпретувати (тільки бачить рух плям світла). І тут і знадобляться досвід і знання Наталії в галузі машинного навчання.

Відео - воно і є відео. Використовуючи методи, розроблені останніми роками для аналізу відео, а також розробивши кілька власних технік аналізу, Наталія Сігал може визначити, які відео зі спекл-візерунки відповідають тим чи іншим ситуаціям, що обробляються мозком. Наприклад, в одному з ранніх експериментів випробуваним програвали записи або розбірливої мови, або мови незнайомою їм мовою. Модель машинного навчання, натренована на цих відео, навчилася відрізняти одні від інших. Лазер був направлений на область черепа, за якою знаходиться зона Верніке - область кори головного мозку, яка відповідає за розпізнавання мови. Це цікаво та дивно, але які реальні застосування цієї технології бачать дослідники?

У пізнішому експерименті зробили протилежне. Замість того, щоб фокусуватися на розпізнаванні мови, була спроба пролити світло на генерацію мови. Випробувані думали про певне слово (промовляючи його про себе) — «так» чи «ні» — і модель навчилася відрізняти одне від одного. І це підводить нас до однієї з найбільш захоплюючих областей досліджень нашого часу – «інтерфейсу „мозок-комп'ютер“», або скорочено ІМК. Це здатність людини взаємодіяти з комп'ютерами — силою думки. Наші читачі, можливо, чули про компанію Ілона Маска під назвою Neuralink – одного з піонерів у цій галузі. Більшість підходів до ІМК включають інвазивні процедури — по суті імплантацію електродів під череп людини, прикріплених безпосередньо до мозку. Але не у випадку зі спекл-візерунками, які можна зчитувати її тільки неінвазивно, а й взагалі безконтактно (на відстані), та ще й дешево.

Звичайно, доведеться пройти ще чималий шлях, перш ніж технологія досягне зрілості і дозволить людині вільно і повноцінно спілкуватися зі світом. Але коли це станеться, можливості, що відкриваються, вразять уяву: від надання повністю паралізованим людям можливості розмовляти зі своїми родичами до забезпечення дослідників мозку доступним і зручним способом розкрити таємниці розуму. Найближчими роками Наталія Сігал та її команда планують розвивати вже створену основу, і ми продовжимо стежити за її захоплюючими дослідженнями.

Fig. Setup that worked for language comprehension

Fig. Lightweight глибокий neural network використовувався для поліпшення рішення. Підтримуючи BCI освіту трудиться більше розширеної архітектури - статі віднесені до комунікаційного публікування.

Fig. Speckle patterns examples

Читайте також: Розшифровка думки: тиха революція світла

Читайте також: Китай атакував лазером німецький літак