Neurointerfaces - technológie, ktoré spájajú mozog a počítač - sa postupne stávajú rutinou: už sme videli, ako človek môže pomocou mentálnych príkazov ovládať protézu alebo písať text na počítači. Znamená to, že sľuby spisovateľov sci-fi, ktorí písali o plnohodnotnom čítaní myšlienok pomocou počítača alebo dokonca o prenose ľudského vedomia do počítača, sa čoskoro stanú skutočnosťou? Rovnaká téma - „Augmentovaná osobnosť“- je v roku 2019 venovaná súťaži príbehov sci-fi „Budúcnosť“, ktorú organizuje charitatívna nadácia Sistema. Spolu s organizátormi súťaže redaktori N + 1 zistili, čo sú moderné neurónové rozhrania schopné a či skutočne dokážeme vytvoriť plnohodnotné spojenie mozog-počítač. A Alexander Kaplan nám v tom pomohol,zakladateľ prvého ruského laboratória rozhrania na Moskovskej štátnej univerzite v Lomonosove.
Rozdrvte telo
Neil Harbisson má vrodenú achromatopsiu, ktorá ho pripravila o farebné videnie. Brit, ktorý sa rozhodol oklamať prírodu, implantoval špeciálny fotoaparát, ktorý prevádza farby na zvukové informácie a posiela ich do vnútorného ucha. Neil sa považuje za prvého kyborg oficiálne uznaného štátom.
V roku 2012 v Spojených štátoch Andrew Schwartz z University of Pittsburgh demonštroval ochrnutého 53-ročného pacienta, ktorý pomocou elektród implantovaných do mozgu vyslal signály robotovi. Naučila sa ovládať robota natoľko, že si mohla slúžiť ako čokoláda.
V roku 2016 v rovnakom laboratóriu 28-ročný pacient so závažným poškodením miechy natiahol ruku s umelým ovládaním mozgu na Baracka Obamu, ktorý ho navštívil. Senzory na ruke umožnili pacientovi pocítiť podanie ruky 44. prezidentom Spojených štátov.
Moderná biotechnológia umožňuje ľuďom „prelomiť“obmedzenia ich tela a vytvoriť symbiózu medzi ľudským mozgom a počítačom. Zdá sa, že všetko smeruje k tomu, že bioinžinierstvo sa čoskoro stane súčasťou každodenného života.
Propagačné video:
Čo sa stane ďalej? Filozof a futurista Max More, nasledovník myšlienky transhumanizmu, od konca minulého storočia rozvíja myšlienku prechodu človeka do novej etapy evolúcie, okrem iného pomocou počítačovej technológie. V literatúre a kinematografii za posledné dve storočia sa podobná hra futuristickej fantázie skĺzla.
Vo svete románu sci-fi Williama Gibbsona Neuromancera, ktorý vyšiel v roku 1984, boli vyvinuté implantáty, ktoré umožňujú nositeľovi pripojiť sa k internetu, rozšíriť intelektuálne schopnosti a prežiť spomienky. Masamune Shiro, autor kultovej japonskej sci-fi mangy "Duch v škrupine", ktorý bol nedávno natočený v USA, opisuje budúcnosť, v ktorej môže byť akýkoľvek orgán nahradený bionikou, až do úplného prenosu vedomia do tela robota.
Ako ďaleko môžu neurónové rozhrania ísť vo svete, kde na jednej strane neznalosť znásobuje fantázie a na druhej strane fantázie sa často ukazujú ako prozreteľnosť?
Potenciálny rozdiel
Centrálny nervový systém (CNS) je komplexná komunikačná sieť. Len v mozgu je viac ako 80 miliárd neurónov a existuje medzi nimi bilión spojení. Každú milisekundu vnútri a mimo akejkoľvek nervovej bunky sa mení distribúcia pozitívnych a negatívnych iónov, čo určuje, ako a kedy bude reagovať na nový signál. V pokoji má neurón negatívny potenciál v porovnaní s prostredím (v priemere -70 milivoltov) alebo „pokojový potenciál“. Inými slovami, je polarizovaná. Ak neurón prijíma elektrický signál od iného neurónu, potom, aby sa mohol ďalej prenášať, musia do nervovej bunky vstúpiť pozitívne ióny. Dochádza k depolarizácii. Keď depolarizácia dosiahne prahovú hodnotu (približne -55 milivoltov, táto hodnota sa však môže líšiť),bunka je vzrušená a uvoľňuje stále viac kladne nabité ióny, čo vytvára pozitívny potenciál alebo „akčný potenciál“.
Akčný potenciál.
Ďalej je akčný potenciál pozdĺž axónu (bunkový komunikačný kanál) prenášaný na dendrit - prijímací kanál nasledujúcej bunky. Axón a dendrit však nie sú priamo spojené a elektrický impulz nemôže jednoducho prejsť z jedného na druhý. Miesto kontaktu medzi nimi sa nazýva synapse. Synapsie produkujú, prenášajú a prijímajú neurotransmitery - chemické zlúčeniny, ktoré priamo „zasielajú“signál z axónu jednej bunky na dendrit druhej.
Keď impulz dosiahne koniec axónu, uvoľňuje neurotransmitery do synaptickej štrbiny, prechádza priestorom medzi bunkami a prichytáva sa na koniec dendritu. Nútia dendrit, aby pustil pozitívne nabité ióny, presunul sa z pokojového potenciálu do akčného potenciálu a prenášal signál do tela bunky.
Typ neurotransmitera tiež určuje, ktorý signál sa bude ďalej odosielať. Napríklad glutamát vedie k vypaľovaniu neurónov, kyselina gama-aminomaslová (GABA) je dôležitým inhibičným mediátorom a acetylcholín môže robiť obidve v závislosti od situácie.
Takto neurón vyzerá schematicky:
Neuronov diagram.
A takto to vyzerá v skutočnosti:
Neuron pod mikroskopom.
Odpoveď prijímajúcej bunky navyše závisí od počtu a rytmu prichádzajúcich impulzov, informácií pochádzajúcich z iných buniek, ako aj od oblasti mozgu, z ktorej bol signál vyslaný. Rôzne pomocné bunky, endokrinný a imunitný systém, vonkajšie prostredie a predchádzajúce skúsenosti - to všetko určuje v súčasnosti stav centrálneho nervového systému, a tým ovplyvňuje ľudské správanie.
Aj keď, ako to chápeme, centrálny nervový systém nie je súborom „drôtov“, práca neurointerfaces je založená presne na elektrickej aktivite nervového systému.
Pozitívny skok
Hlavnou úlohou neurointerface je dekódovať elektrický signál prichádzajúci z mozgu. Program má sadu „šablón“alebo „udalostí“pozostávajúcich z rôznych charakteristík signálu: frekvencie vibrácií, hroty (vrcholy aktivity), miesta v kôre a podobne. Program analyzuje prichádzajúce údaje a pokúša sa v nich tieto udalosti zistiť.
Príkazy zasielané ďalej závisia od získaného výsledku, ako aj od funkčnosti systému ako celku.
Príkladom takéhoto vzoru je evokovaný potenciál P300 (pozitívny 300), často používaný pre takzvané pravopisné znaky - mechanizmy na písanie textu pomocou mozgových signálov.
Keď človek vidí na obrazovke symbol, ktorý potrebuje, po 300 milisekundách je možné zaznamenať pozitívny skok v elektrickom potenciáli pri zaznamenávaní mozgovej aktivity. Po zistení P300 systém pošle príkaz na vytlačenie zodpovedajúceho znaku.
V tomto prípade algoritmus nemôže detegovať potenciál z dôvodu šumu signálu náhodnou elektrickou aktivitou. Preto musí byť symbol uvedený viackrát a získané údaje musia byť spriemerované.
Okrem jednokrokovej zmeny potenciálu môže neurointerface hľadať zmeny v rytmickej (t. J. Oscilačnej) aktivite mozgu spôsobenej určitou udalosťou. Keď dostatočne veľká skupina neurónov vstúpi do synchrónneho rytmu fluktuácií aktivity, môže sa to zistiť na spektrograme signálu vo forme ERS (synchronizácia súvisiaca s udalosťami). Ak naopak dôjde k desynchronizácii oscilácií, potom spektrogram obsahuje ERD (desynchronizácia súvisiaca s udalosťami).
Vo chvíli, keď človek robí alebo si len predstavuje pohyb ruky, je ERD pozorovaná v motorickej kôre opačnej hemisféry pri frekvencii kmitania asi 10 - 20 hertzov.
Táto a ďalšie šablóny môžu byť programu priradené manuálne, ale často sa vytvárajú v procese práce s každým konkrétnym jednotlivcom. Náš mozog, rovnako ako črty jeho činnosti, je individuálny a vyžaduje si prispôsobenie systému.
Záznamové elektródy
Väčšina neurointerfaces používa elektroencefalografiu (EEG) na zaznamenanie aktivity, to je neinvazívna metóda neuroimagingu, kvôli jej relatívnej jednoduchosti a bezpečnosti. Elektródy pripojené k povrchu hlavy zaznamenávajú zmenu elektrického poľa spôsobenú zmenou potenciálu dendritov po tom, ako akčný potenciál „prekročil“synapsiu.
V momente, keď kladné ióny preniknú do dendritu, sa v okolitom prostredí vytvorí negatívny potenciál. Na druhom konci neurónu ióny s rovnakým nábojom začínajú opúšťať bunku, pričom vonku vytvárajú pozitívny potenciál a priestor obklopujúci neurón sa mení na dipól. Elektrické pole šíriace sa z dipólu je zaznamenávané elektródou.
Nanešťastie má táto metóda niekoľko obmedzení. Lebka, koža a ďalšie vrstvy, ktoré oddeľujú nervové bunky od elektród, hoci sú vodičmi, nie sú také dobré, aby nenarušili informácie o signáli.
Elektródy sú schopné zaznamenať iba celkovú aktivitu mnohých susedných neurónov. Hlavný príspevok k výsledku merania pochádzajú z neurónov nachádzajúcich sa v horných vrstvách kôry, ktorých procesy sú kolmé na jeho povrch, pretože práve oni vytvárajú dipól, elektrické pole, ktoré môže snímač najlepšie zachytiť.
To všetko vedie k strate informácií z hlbokých štruktúr a zníženiu presnosti, takže systém je nútený pracovať s neúplnými údajmi.
Invazívne elektródy implantované na povrch alebo priamo do mozgu umožňujú oveľa väčšiu presnosť.
Ak je požadovaná funkcia spojená s povrchovými vrstvami mozgu (napríklad motorická alebo senzorická aktivita), potom je implantácia obmedzená na trepanning a pripojenie elektród na povrch kôry. Senzory čítajú celkovú elektrickú aktivitu mnohých buniek, ale tento signál nie je taký skreslený ako v EEG.
Ak je dôležitá aktivita umiestnená hlbšie, elektródy sa vložia do kortexu. Je dokonca možné registrovať aktivitu jednotlivých neurónov pomocou špeciálnych mikroelektród. Invazívna technika, žiaľ, predstavuje potenciálne nebezpečenstvo pre ľudí a používa sa v lekárskej praxi iba v extrémnych prípadoch.
Existuje však nádej, že táto technika sa v budúcnosti stane menej traumatickou. Americká spoločnosť Neuralink plánuje implementovať myšlienku bezpečného zavedenia tisícok tenkých flexibilných elektród bez vŕtania do lebky pomocou laserového lúča.
Niekoľko ďalších laboratórií pracuje na biodegradovateľných senzoroch, ktoré odstránia elektródy z mozgu.
Banán alebo pomaranč?
Nahrávanie signálu je iba prvým krokom. Ďalej musíte „prečítať“, aby ste určili zámery, ktoré sú za tým. Existujú dva možné spôsoby, ako dekódovať činnosť mozgu: nechať algoritmus vybrať príslušné charakteristiky zo samotného súboru údajov alebo dať systému opis parametrov, ktoré treba vyhľadať.
V prvom prípade algoritmus, ktorý nie je obmedzený parametrami vyhľadávania, klasifikuje samotný „surový“signál a s najväčšou pravdepodobnosťou nájde prvky predpovedajúce zámery. Ak napríklad subjekt striedavo premýšľa o pohybe pravou a ľavou rukou, potom program dokáže nájsť parametre signálu, ktoré maximálne odlišujú jednu z možností.
Problémom tohto prístupu je to, že parametre opisujúce elektrickú aktivitu mozgu sú príliš multidimenzionálne a údaje sú príliš hlučné s rôznymi hlukmi.
Pri druhom dekódovacom algoritme je potrebné vopred vedieť, kde a čo treba hľadať. Napríklad v príklade vyššie opísaného pravopisu P300 vieme, že keď človek vidí symbol, elektrický potenciál sa určitým spôsobom zmení. Naučíme systém hľadať tieto zmeny.
V takejto situácii je schopnosť dešifrovať úmysly človeka spojená s našou znalosťou toho, ako sú mozgové funkcie kódované v nervovej aktivite. Ako sa to alebo ten zámer alebo stav prejavuje v signáli? Bohužiaľ, vo väčšine prípadov nemáme odpoveď na túto otázku.
Neurobiologický výskum kognitívnych funkcií prebieha, ale napriek tomu môžeme dešifrovať veľmi malú časť signálov. Mozog a vedomie pre nás zostávajú zatiaľ „čiernou skrinkou“.
Alexander Kaplan, neurofyziológ, doktor biologických vied a zakladateľ Laboratória neurofyziológie a Neurointerfaces na Moskovskej štátnej univerzite v Lomonosove, ktorý získal prvý grant v Rusku na rozvoj neurointerface pre komunikáciu medzi mozgom a počítačom, hovorí, že vedci sú schopní automaticky rozlúštiť niektoré ľudské úmysly alebo obrazy, ktoré si predstavil, na základe znakov EEG. …
V súčasnosti však nie je viac ako tucet takýchto zámerov a obrazov. Ide spravidla o stavy spojené s relaxáciou a mentálnym napätím alebo so znázornením pohybov častí tela. A dokonca aj k ich rozpoznávaniu dochádza s chybami: napríklad, pomocou EEG dokázať, že osoba má v úmysle zatočiť pravú ruku do pästi, dokonca aj v najlepších laboratóriách je možné, že to nebude viac ako 80 - 85 percent z celkového počtu pokusov.
A ak sa pokúsite pochopiť z EEG, či si niekto predstaví banán alebo pomaranč, počet správnych odpovedí len mierne prekročí úroveň náhodného hádania.
Najsmutnejšie je, že nebolo možné zlepšiť spoľahlivosť systémov neurointerface pri rozpoznávaní ľudských zámerov pomocou EEG a rozšíriť zoznam takýchto zámerov o viac ako 15 rokov, a to aj napriek výraznému pokroku vo vývoji algoritmov a výpočtovej techniky, ktoré sa dosiahli súčasne.
EEG zjavne odráža iba malú časť duševnej činnosti človeka. Preto by sa k systémom neurointerface mali pristupovať s miernymi očakávaniami a mali by sa jasne načrtnúť oblasti ich skutočného použitia.
Stratené v preklade
Prečo nemôžeme vytvoriť systém, ktorý dokáže to, čo mozog dokáže ľahko? Stručne povedané, spôsob, akým mozog funguje, je príliš zložitý pre naše analytické a výpočtové schopnosti.
Po prvé, nepoznáme „jazyk“, v ktorom nervový systém komunikuje. Okrem série impulzov sa vyznačuje mnohými premennými: vlastnosti dráh a buniek samotných, chemické reakcie vyskytujúce sa v čase prenosu informácií, práca susedných neurónových sietí a iných telových systémov.
Okrem toho, že „gramatika“tohto „jazyka“je sama o sebe zložitá, môže sa líšiť v rôznych pároch nervových buniek. Situáciu zhoršuje skutočnosť, že pravidlá komunikácie, ako aj funkcie buniek a vzťahy medzi nimi sa veľmi dynamicky menia a neustále sa menia pod vplyvom nových udalostí a podmienok. Toto exponenciálne zvyšuje množstvo informácií, ktoré je potrebné zohľadniť.
Dáta, ktoré plne opisujú mozgovú aktivitu, jednoducho utopia akýkoľvek algoritmus, ktorý sa zaviaže túto analýzu analyzovať. Dekódovanie zámerov, spomienok, pohybov je preto prakticky neriešiteľnou úlohou.
Druhou prekážkou je, že nevieme veľa o samotných mozgových funkciách, ktoré sa snažíme zistiť. Čo je to pamäť alebo vizuálny obraz, z čoho sú vyrobené? Neurofyziológia a psychológia sa na tieto otázky pokúšajú odpovedať už dlhší čas, ale vo výskume je zatiaľ len malý pokrok.
Najjednoduchšie funkcie, ako sú motorické a zmyslové funkcie, majú v tomto zmysle výhodu, pretože sú lepšie pochopené. Preto aktuálne dostupné neurónové rozhrania interagujú hlavne s nimi.
Dokážu rozpoznať dotykové pocity, imaginárny pohyb končatiny, reakciu na vizuálnu stimuláciu a jednoduché reakcie na environmentálne udalosti, ako je reakcia na chybu alebo nesúlad medzi očakávaným stimulom a skutočným. Vyššia nervová aktivita pre nás však dnes zostáva veľkým tajomstvom.
Obojsmerná komunikácia
Až doteraz sme diskutovali iba o situácii jednosmerného čítania informácií bez spätného vplyvu. Dnes však už existuje technológia na prenos signálov z počítača do mozgu - CBI (rozhranie počítač-mozog). Robí komunikačný kanál neurointerface obojsmerne.
Informácie (napríklad zvuk, hmatové vnemy a dokonca aj údaje o fungovaní mozgu) vstupujú do počítača, analyzujú sa a prostredníctvom stimulácie buniek centrálneho alebo periférneho nervového systému sa prenášajú do mozgu. To všetko sa môže vyskytnúť úplne obchádzaním prírodných orgánov vnímania a úspešne sa používa na ich nahradenie.
Podľa Alexandra Kaplana v súčasnosti už neexistujú žiadne teoretické obmedzenia týkajúce sa vybavenia človeka umelými senzorickými „orgánmi“priamo spojenými s mozgovými štruktúrami. Okrem toho sa aktívne zavádzajú do každodenného života človeka, napríklad ako náhrada narušených prírodných zmyslových orgánov.
Pre ľudí s poruchami sluchu sú už k dispozícii takzvané kochleárne implantáty: mikročipy, ktoré kombinujú mikrofón s sluchovými receptormi. Začalo sa testovanie sietnicových implantátov na obnovenie zraku.
Podľa Kaplana neexistujú žiadne technické obmedzenia na pripojenie akýchkoľvek iných senzorov k mozgu, ktoré reagujú na ultrazvuk, zmeny rádioaktivity, rýchlosti alebo tlaku.
Problém je v tom, že tieto technológie musia byť úplne založené na našich vedomostiach o tom, ako mozog funguje. Ktoré, ako sme už zistili, sú dosť obmedzené.
Jediným spôsobom, ako sa vyhnúť tomuto problému, je podľa Kaplana vytvoriť zásadne nový komunikačný kanál s vlastným komunikačným jazykom a naučiť nielen počítač, ale aj mozog rozpoznávať nové signály.
Takýto vývoj už začal. Napríklad v laboratóriu aplikovanej fyziky na Johns Hopkins University pred niekoľkými rokmi testovali bionickú ruku schopnú prenášať taktilné informácie do mozgu.
Pri dotyku senzorov umelej ruky stimulujú elektródy dráhy periférneho nervového systému, ktoré potom prenášajú signál do senzorických oblastí mozgu. Človek sa učí rozpoznávať prichádzajúce signály ako rôzne typy dotyku. Namiesto pokusu o reprodukciu taktilného systému signálov, ktorý je pre človeka prirodzený, sa vytvorí nový komunikačný kanál a komunikačný jazyk.
Táto cesta vývoja je však obmedzená počtom nových kanálov, ktoré môžeme vytvoriť, a informačnosťou pre mozog, hovorí Alexander Kaplan.
Budúci čas
Kaplan verí, že v súčasnosti neexistuje nový spôsob, ako rozvíjať technológie neurointerface. Podľa neho samotná možnosť rozhrania pre komunikáciu medzi mozgom a počítačom bola objavená v 70. rokoch minulého storočia a princípy mozgu, na ktorých sú založené dnešné trendy, boli opísané asi pred tridsiatimi rokmi a odvtedy sa nové myšlienky prakticky neobjavili.
Teda dnes používaný potenciál P300 bol objavený v 60. rokoch, motorové snímky v 80. a 90. rokoch a negatívna zhoda v 70. rokoch).
Vedci kedysi držali nádej, že budú schopní nadviazať užší informačný kontakt medzi technológiou mozgu a procesora, ale dnes sa ukázalo, že sa nenaplnili.
Kaplan však tvrdí, že je zrejmé, že neurointerfaces môžu byť implementované na lekárske účely. Podľa vedcov teraz vývoj neurointerfaces ide v najväčšej miere zavedením technológie do klinickej sféry.
Vedci kedysi držali nádej, že budú schopní nadviazať užší informačný kontakt medzi technológiou mozgu a procesora, ale dnes sa ukázalo, že sa nenaplnili.
Kaplan však tvrdí, že je zrejmé, že neurointerfaces môžu byť implementované na lekárske účely. Podľa vedcov teraz vývoj neurointerfaces ide v najväčšej miere zavedením technológie do klinickej sféry.
Avšak vďaka výskumu mozgu a technologickému pokroku sú dnešné neurointerfaces schopné toho, čo sa kedysi zdalo nerealizovateľné. Nevieme s istotou, čo sa stane za 30, 50 alebo 100 rokov. Historik vedy Thomas Kuhn predložil myšlienku, že vývoj vedy je cyklus: obdobia stagnácie sú nahradené paradigmatickými posunmi a nasledujúcimi vedeckými revolúciami. Je celkom možné, že v budúcnosti budeme mať revolúciu, ktorá vytiahne mozog z čiernej skrinky. A ona príde z najneočakávanejšej strany.
Maria Ermolova