О том, что кремниевый онколог IBM Watson диагностирует рак лёгких и назначает лечение точнее, чем «белковые» медики, мы уже писали («Дети Ватсона«). То есть искусственный интеллект уже выполняет высококвалифицированную работу лучше, чем высокооплачиваемый медик. А оплата действительно высока: в США онколог в 2011 году имел среднюю зарплату в $295 000 в год. Но анестезиологи в США оплачиваемы ещё выше: их среднее жалованье в 2011 году составило $309 000. И вот теперь компьютер готов принять на себя ряд функций анестезиолога, причём в самых сложных случаях…

Есть такое состояние организма — кома. Старые бумажные справочники определяли его как «бессознательное состояние с глубоким торможением функций коры и подкорковых структур головного мозга, проявляющимся расстройством рефлекторной деятельности, кровообращения и дыхания». Состояние очень опасное, поскольку при нём нарушается функционирование коры головного мозга, того «железа», функционирование которого и делает нас нами. Но вот это самое состояние медики используют в качестве лечебного средства в случае серьёзных повреждений головного мозга.

Если говорить не-по медицински (врачи, будем надеяться, выскажутся в комментариях), а по-инженерному, дело обстоит так. Мозг, как и многие другие органы, способен к самовосстановлению. Однако мозг — машина не только информационная, но и тепловая, потребляющая примерно четверть энергии организма. А при интенсивной умственной работе — скажем, при заучивании текстов — энергозатраты ещё больше. Так и медики, помогая мозгу самому восстанавливать себя, переводят его в режим минимального энергопотребления, больше ресурсов оставляя саморемонту.

Это делается введением организма в искусственную кому (Medically-induced coma), обычно с помощью барбитуратов. Ну, точно так же, как и любой инженер, которому предстоит ремонтировать систему «на ходу» (такое бывает, скажем, у энергетиков, у рефрижераторщиков) постарается вывести её на минимальные режимы. А системы — и инженерные, и биологические — подчинены в материальном мире одним и тем же законам. Не зря же великая книга Винера называется «Кибернетика, или Управление и связь в животном и машине». Ну а мелкие дозы ядов медики традиционно использовали в качестве лекарств.

Так что искусственная кома рассматривается как один из видов наркоза. Наркоза самого глубокого, даже говорят об «экстремальном наркозе». Ведь выключается самое важное — кора головного мозга, которую организм при естественном ходе событий до последнего пытается поддержать в рабочем состоянии, отдавая ей последние ресурсы. И медикаментозная кома — в отличие от сравнительно краткосрочного наркоза при операциях — поддерживается очень долго: дни, а то и недели — стандартный срок… Анестезиолог же и при нескольких часах серьёзной операции выкладывается до предела, не хуже хирурга…

И вот сейчас идёт интенсивная подготовка к тому, чтобы передать компьютеру заметную часть работы анестезиолога при введении в медикаментозную кому и поддержании её. Об этом рассказано в статье из журнала PLoS Computational Biology «Человеко-машинный интерфейс для управления медикаментозной комой», A Brain-Machine Interface for Control of Medically-Induced Coma, написанной группой учёных под руководством Эмери Брауна (Emery N. Brown), исследователя-нейролога из Массачусетского технологического института и одновременно нейрохирурга из Massachusetts General Hospital.

Структурная схема компьютерного управления искусственной комой
Структурная схема компьютерного управления искусственной комой.

Для управления процессом искусственной комы, введения в неё, поддержания на заданной глубине и в течение должного времени, а потом и безопасного выведения из неё применён базовый принцип автоматического управления и кибернетики — обратная связь. Управление подачей медикаментов, Infusion Rate, осуществляется на основании EEG Signal — данных о состоянии головного мозга, получаемых от электроэнцефалографа (прибора, позволяющего фиксировать ЭДС долей и областей мозга от единиц до десятков микровольт, частотой от единиц до десятков герц).

Электроэнцефалографы очень стары, восходят к приборам на катодных лампах с фиксацией результатов шлейфными осциллографами. Но — для обратной связи были выбраны именно они, а не более современные томографы. Дело в том, что энцефалографы показывают ритмы мозга — а каждый, кому довелось выполнить некоторое число лабораторных по теории автоматического регулирования, знает, насколько важны для любой системы её колебания — и собственные, и вынужденные. Ведь ещё в 3-м издании БСЭ сказано: «Запись ЭЭГ во время операции помогает следить за состоянием больного и строго регулировать глубину наркоза». И ещё, там же: «Точный автоматический анализ ЭЭГ при помощи ЭВМ открывает новые перспективные возможности перед Э[лектроэнцефалографией]».

Электроэнцефалограмма исходная, фильтрованная и широтно-модулированная с помощью порогового элемента
Электроэнцефалограмма исходная, фильтрованная и широтно-модулированная с помощью порогового элемента.

Сигнал ЭЭГ фильтруется обычными методами с последующей оцифровкой, а затем байесовской стохастической фильтрацией. Теорема, выведенная преподобным Томасом Байесом в середине восемнадцатого века, очень важна для описания вероятностных процессов. Она позволяет определить вероятность случайного события при условии, что произошло другое, статистически связанное с ним событие. Её, скажем, используют фильтры спама, знающие, что если со случайного адреса пришло нигерийское «письмо счастья», то вероятность получения с него же чего-либо полезного рушится к нулю…

Так вот, байесовская оценка функционирования головного мозга, полученная на основе обработки оцифрованных электроэнцефалограмм, сравнивается с целевой функцией желаемого состояния головного мозга. Будь то при вводе в кому, при поддержании её и при выводе из этого крайне рискованного состояния. Разница оценки с ЭЭГ и заданной функции как раз и служит основанием для включения насоса (или насосов), подающего лекарства, варьирующего их состав. Повторим ещё раз: ритмы мозга используются потому, что их анализ позволяет очень много узнать о состоянии мозга. Ну, давайте вспомним, как в самых разных отраслях используется Фурье-анализ.

Рекурсивная байесовская фильтрация
Рекурсивная байесовская фильтрация.

И вот к такой работе компьютерный анестезиолог приспособлен лучше, чем человек. Дело в том, что у нас в мозгу нет ни фильтра для ЭЭГ, ни вычислителя рекурсивных байесовских функций. То есть для расшифровки энцефалограммы человеку нужен либо дополнительный инструмент (тоже компьютерный), либо накопленный долгими годами практики опыт. Ну а в программное обеспечение эти знания закладываются изначально. И потом — человек устаёт, при этом растёт вероятность ошибок. Вспомним зарплату анестезиолога, с которой мы начали. И вспомним продолжительности искусственной комы. Лечение недешёвое получается, для многих недоступное.

Делить анестезиолога между пациентами? Так каждому достанется меньше внимания… И возрастёт вероятность ошибок… Так что технология, работоспособность которой продемонстрирована на крысах, может оказаться в высшей степени полезной. Правда, по мнению Марка Ньюмана (Mark F. Newman), заведующего отделением анестезиологии Университета Дьюка, к петле регулирования ЭЭГ необходимо добавить контуры, следящие за работой сердца и почек. И тогда работу анестезиолога сможет исполнять сестра реанимационного отделения, а лечение медикаментозной комой станет более безопасным и эффективным.