Нейрокомп'ютерний інтерфейс

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

Нейро-комп'ютерний інтерфейс (НКІ) (нейронний інтерфейс, мозковий інтерфейс) — система, створена для обміну інформацією між мозком і електронним пристроєм (наприклад, комп'ютером). У односпрямованих інтерфейсах зовнішні пристрої можуть або приймати сигнали від мозку, або посилати йому сигнали (наприклад, імітуючи сітківку ока при відновленні зору електронним імплантантом). Двонаправлені інтерфейси дозволяють мозку і зовнішнім пристроям обмінюватися інформацією в обох напрямках. В основі нейро-комп'ютерного інтерфейсу часто використовується метод біологічного зворотного зв'язку.

Історія[ред.ред. код]

Вивчення підстав, на яких базується нейро-комп'ютерний інтерфейс, сягає корінням у вчення І. П. Павлова про умовні рефлекси і регулюючої ролі кори мозку. Цей науковий напрям виник на самому початку XX століття в Інституті експериментальної медицини (Санкт-Петербург). Розвиваючи ці ідеї, П. К. Анохін з 1935 року показав, що принципу зворотного зв'язку належить вирішальна роль в регулюванні як вищих пристосувальних реакцій людини, так і його внутрішнього середовища. У результаті була розроблена теорія функціональних систем, потенціал використання якої в нейро-комп'ютерних інтерфейсах далеко не вичерпаний. Великий внесок внесли роботи Н. П. Бехтеревої з 1968 по 2008 рр. по розшифровці мозкових кодів психічної діяльності, що продовжуються до теперішнього часу її послідовниками, в тому числі, з позицій нейрокібернетики і офтальмонейрокібернетики. Дослідження нейро-комп'ютерного інтерфейсу почалися в 1970-х роках в Каліфорнійському університеті в Лос-Анджелесі (UCLA). Після багаторічних експериментів на тваринах у середині дев'яностих років в організм людини були імплантовані перші пристрої, здатні передавати біологічну інформацію від тіла до комп'ютера. За допомогою цих пристроїв вдалося відновити пошкоджені функції слуху, зору, а також втрачені рухові навички. В основі успішної роботи НКІ лежить здатність кори великих півкуль до адаптації (властивість пластичності), завдяки якому імплантований пристрій може слугувати джерелом біологічної інформації.

Спроби створення[ред.ред. код]

У нейрохірургічному центрі в Клівленді в 2004 був створений перший штучний кремнієвий чіп-аналог, який, в свою чергу, був розроблений в університеті Південної Каліфорнії в 2003. Кремній володіє можливістю з'єднувати неживу матерію з живими нейронами, а оточені нейронами транзистори отримують сигнали від нервових клітин, одночасно конденсатори відсилають до них сигнали. Кожен транзистор на чипі вловлює найменшу, ледве помітну зміну електричного заряду, яка відбувається при «пострілі» нейрона в процесі передачі іонів натрію. Нова мікросхема здатна отримувати імпульси від 16 тисяч мозкових нейронів біологічного походження і посилати назад сигнали до кількох сотень клітин. Враховуючи те, що при виробництві чипу нейрони були виділені з оточуючих їх гліальних клітин, то довелося додати білки, які «склеюють» нейрони в мозку, утворюючи додаткові натрієві канали. Збільшення числа натрієвих каналів підвищує шанси на те, що транспорт іонів перетвориться в електричні сигнали в чипі.

НКІ і нейропротезування[ред.ред. код]

Нейропротезування — область неврології, що займається створенням і імплантацією штучних пристроїв для відновлення порушених функцій нервової системи або сенсорних органів (нейропротезів чи нейроімплантів). Найбільше використовується кохлеарний нейроімплант. Існує також нейропротез для відновлення зору, наприклад, імплантати сітківки. Основна відмінність НКІ від нейропротезування полягає в особливостях їх застосування: нейропротез найчастіше «підключають» до нервової системи, в той час як НКІ зазвичай з'єднує мозок (або нервову систему) з комп'ютерною системою. На практиці нейропротез може бути приєднаний до будь-якої частини нервової системи, наприклад, до периферійних нервів, в той час як НКІ являє собою більш вузький клас систем, що взаємодіють з центральною нервовою системою. Терміни нейропротезування і НКІ можуть бути взаємозамінними, оскільки обидва підходи переслідують одну мету — відновлення зору, слуху, рухових здібностей, здатності спілкуватися та інших когнітивних функцій. Крім того, в обох підходах використовуються аналогічні експериментальні методи, включаючи хірургічне втручання.

Випробування НКІ на тварин[ред.ред. код]

Кільком лабораторіям вдалося записати сигнали від кори головного мозку мавпи та щура для управління НКІ під час руху. Мавпи керували курсором на екрані комп'ютера і давали команди на виконання найпростіших дій роботам, що імітували руку, подумки і без будь-яких рухів. Інші дослідження за участю кішок були присвячені розшифровці візуальних сигналів.

Ранні роботи[ред.ред. код]

Дослідження, в результаті яких були розроблені алгоритми для реконструкції рухів із сигналів нейронів моторної зони кори головного мозку, які контролюють рухові функції, датуються 1970-ми роками. Дослідницькі групи, що очолювалися Шмідтом, Фетзом і Бейкером в 1970-х встановили, що мавпи можуть швидко навчатися вибірково контролювати швидкість реакції, використовуючи замкнене позицінування операцій, навчальний метод покарання і нагород.

В 1980Апостолос Георгопоулос з Університету Хопкінса виявив математичну залежність між електричними відповідями окремих нейронів кори головного мозку макаки і напрямком, в якому тварини рухали свої кінцівки. Він також виявив, що різні групи нейронів у різних областях головного мозку спільно контролювали рухові команди, але були здатні реєструвати електричні сигнали від збуджених нейронів тільки в одній області одночасно. Причиною того є технічно обмежене обладнання дослідника.

З середини 1990-х років почався швидкий розвиток НКІ. Кільком групам вчених вдалося зафіксувати сигнали рухового центру мозку, використовуючи записи сигналів від груп нейронів, а також використовувати ці сигнали для управління зовнішніми пристроями. Серед них можна назвати групи, що очолювалися Річардом Андерсеном, Джоном Донахью, Філіпом Кеннеді, Мігелем Ніколеліс, Ендрю Шварцом.

Досягнення дослідної роботи[ред.ред. код]

Перший в історії НКІ був створений Филлипом Кеннеді і його колегами з використанням електродів, імплантованих в кору головного мозку мавп. У 1999 році дослідники під керівництвом Яна Дена з Університету Каліфорнії розшифрували сигнали нейронів зорової системи кішки і використовували ці дані для відтворення зображень, що сприймалися піддослідними тваринами. У цих експериментах були використані електроди, вживлені в таламус (структура середнього мозку. З їх допомогою було досліджено 177 клітин в латеральном колінчастому тілі в таламусі і розшифровані сигнали, що приходять від сітківки. Кішкам демонстрували вісім коротких фільмів, протягом яких проводили запис активності нейронів. Використовуючи математичні фільтри, дослідники розшифрували сигнали для відтворення образів, які бачили кішки і були здатні відтворити впізнавані сцени і об'єкти, що рухаються. Схожі результати на людині були отримані дослідниками з Японії.

Для підвищення ефективності управління НКІ Мігель Ніколесіс запропонував реєструвати електричну активність одночасно за допомогою декількох електродів, імплантованих в віддалені області головного мозку. Під час перших досліджень на щурах, які в дев'яностих роках проводили Ніколеліс і його колеги, почалися аналогічні експерименти на мавпах. В результаті був створений НКІ, за допомогою якого сигнали нервових клітин мавп були розшифровані і використані для управління рухами робота. Саме мавпи виявилися ідеальними піддослідними для такого роду робіт, оскільки у них добре розвинені рухові і маніпуляційні навички, і, відповідно, високо розвинені структури головного мозку, що відповідають за реалізацію моторних функцій. До 2000 року група Ніколеліс створила НКІ, який відтворював рухи передніх кінцівок мавп під час маніпуляцій джойстиком або під час захоплення їжі. Дана система працювала в режимі реального часу і була використана для дистанційного керування рухами робота за допомогою інтернет-зв'язку. При цьому мавпа не мала можливості побачити руху власних кінцівок і не отримувала будь-якої іншої інформації для зворотного зв'язку.

Пізніше група Ніколесіса використовувала результати експериментів з макаками для створення алгоритму руху робота, що імітує рухи руки людини. Для управління рухами робота використовували інформацію, отриману при записі нейронної активності мавп після декодування. Мавпи були навчені вказувати на об'єкти на екрані комп'ютера, маніпулюючи джойстиком. Рухи кінцівок мавп-операторів були відтворені рухами робота.

У масовій культурі[ред.ред. код]

  • У мультсеріалі Еховзвід за допомогою нейрокомп'ютерного інтерфейсу здійснюється управління бойовими екзоскелетами під назвою Ехолети.
  • У фільмі Тихоокеанський рубіж за допомогою нейрокомп'ютерних інтерфейсів команда з двох чоловік управляє гігантськими роботами для боротьби з прибульцями з іншого виміру. Відмінною особливістю НКІ в цьому фільмі є необхідність двох осіб для управління однією машиною. При цьому навантаження на мозок рівномірно розподіляється між двома пілотами.

Див. також[ред.ред. код]

Посилання[ред.ред. код]