Neurointerfaces - technologie, které spojují mozek a počítač - se postupně stávají rutinou: už jsme viděli, jak člověk může používat mentální příkazy k ovládání protézy nebo psaní textu v počítači. Znamená to, že přísliby spisovatelů sci-fi, kteří psali o plnohodnotném čtení myšlenek pomocí počítače nebo dokonce o přenosu lidského vědomí do počítače, se brzy stanou skutečností? Stejné téma - „Augmented Personality“- v roce 2019 je věnováno soutěži příběhu science fiction „Future Time“, kterou pořádá charitativní nadace Sistema. Spolu s organizátory soutěže zjistili editoři N + 1, co moderní neuronová rozhraní jsou schopná a zda můžeme opravdu vytvořit plnohodnotné spojení mozek-počítač. A Alexander Kaplan nám v tom pomohl,zakladatel první ruské laboratoře rozhraní na Moskevské státní univerzitě v Lomonosově.
Hack na tělo
Neil Harbisson má vrozenou achromatopsii, která ho připravila o barevné vidění. Brit, který se rozhodl oklamat přírodu, implantoval speciální kameru, která převádí barvy na zvukové informace a posílá je do vnitřního ucha. Neil se považuje za prvního kyborg oficiálně uznaného státem.
V roce 2012 ve Spojených státech Andrew Schwartz z University of Pittsburgh demonstroval ochrnutý 53letý pacient, který pomocí elektrod implantovaných do mozku vyslal signály robotovi. Naučila se ovládat robota natolik, že dokázala obsluhovat čokoládu.
V roce 2016 rozšířil v téže laboratoři 28letý pacient s těžkým poraněním páteře umělou ruku ovládanou mozkem na Baracka Obamu, který ho navštívil. Senzory na straně umožnily pacientovi pocítit handshake 44. prezidenta Spojených států.
Moderní biotechnologie umožňuje lidem „praskat“omezení jejich těl a vytvářet symbiózu mezi lidským mozkem a počítačem. Zdá se, že vše směřuje ke skutečnosti, že bioinženýrství se brzy stane součástí každodenního života.
Propagační video:
Co se stane příště? Filozof a futurista Max More, stoupenec myšlenky transhumanismu, od konce minulého století rozvíjí myšlenku přechodu člověka do nové etapy evoluce, mimo jiné pomocí výpočetní techniky. V literatuře a kině posledních dvou století se podobná hra futuristické fantazie sklouzává.
Ve světě sci-fi románu Williama Gibbsona Neuromancer, publikovaného v roce 1984, byly vyvinuty implantáty, které umožňují jejich nositeli připojení k internetu, rozšiřování intelektuálních schopností a prožívání vzpomínek. Masamune Shiro, autor kultovní japonské sci-fi manga „Duch ve skořápce“, nedávno natočené v USA, popisuje budoucnost, ve které může být jakýkoli orgán nahrazen bionikou, až do úplného přenosu vědomí do těla robota.
Jak daleko mohou neuronová rozhraní jít ve světě, kde na jedné straně nevědomost znásobuje fantazie a na druhé straně fantazie se často ukážou jako prozřetelnost?
Potenciální rozdíl
Centrální nervový systém (CNS) je komplexní komunikační síť. Pouze v mozku existuje více než 80 miliard neuronů a existuje mezi nimi biliónů spojení. Každou milisekundu uvnitř a vně jakékoli nervové buňky se mění distribuce pozitivních a negativních iontů, což určuje, jak a kdy bude reagovat na nový signál. V klidu má neuron negativní potenciál vzhledem k prostředí (v průměru -70 milivoltů) nebo „klidový potenciál“. Jinými slovy, je polarizovaná. Pokud neuron přijme elektrický signál od jiného neuronu, pak, aby byl dále přenášen, musí do nervové buňky vstupovat pozitivní ionty. Dochází k depolarizaci. Když depolarizace dosáhne prahové hodnoty (přibližně -55 milivoltů, tato hodnota se však může lišit),buňka je vzrušená a uvolňuje stále více pozitivně nabité ionty, což vytváří pozitivní potenciál, nebo „akční potenciál“.
Akční potenciál.
Dále je akční potenciál podél axonu (komunikační kanál buňky) přenášen na dendrit - přijímací kanál další buňky. Axon a dendrit však nejsou přímo spojeny a elektrický impuls nemůže jednoduše přecházet z jednoho na druhý. Místo kontaktu mezi nimi se nazývá synapse. Synapsy produkují, přenášejí a přijímají neurotransmitery - chemické sloučeniny, které přímo „předávají“signál z axonu jedné buňky do dendritu druhé.
Když impuls dosáhne konce axonu, uvolní neurotransmitery do synaptické štěrbiny, překročí prostor mezi buňkami a připojí se na konec dendritu. Přinutí dendrit, aby pustil kladně nabité ionty, přesunul se z klidového potenciálu do akčního potenciálu a vyslal signál do buněčného těla.
Typ neurotransmiteru také určuje, který signál bude odeslán dále. Například glutamát vede k vypalování neuronů, kyselina gama-aminomáselná (GABA) je důležitým inhibičním mediátorem a acetylcholin může v závislosti na situaci dělat obojí.
Takto neuron vypadá schematicky:
Neuronův diagram.
A takto to ve skutečnosti vypadá:
Neuron pod mikroskopem.
Odpověď přijímající buňky navíc závisí na počtu a rytmu přicházejících impulsů, informací přicházejících z jiných buněk, jakož i na oblasti mozku, ze které byl signál vyslán. Různé pomocné buňky, endokrinní a imunitní systém, vnější prostředí a předchozí zkušenosti - to vše určuje momentálně stav centrálního nervového systému, a tím ovlivňuje lidské chování.
A ačkoli, jak tomu rozumíme, centrální nervový systém není soubor „drátů“, práce neurointerfaces je založena přesně na elektrické aktivitě nervového systému.
Pozitivní skok
Hlavním úkolem neurointerface je dekódovat elektrický signál přicházející z mozku. Program má sadu „šablon“nebo „událostí“, které se skládají z různých charakteristik signálu: kmitočty vibrací, hroty (vrcholy aktivity), místa na kůře atd. Program analyzuje příchozí data a pokouší se tyto události v nich detekovat.
Příkazy odeslané dále závisí na dosaženém výsledku a na funkčnosti systému jako celku.
Příkladem takového vzoru je evokovaný potenciál P300 (pozitivní 300), často používaný pro tzv. Kouzla - mechanismy pro psaní textu pomocí mozkových signálů.
Když člověk na obrazovce uvidí symbol, který potřebuje, po 300 milisekundách může být při zaznamenávání mozkové činnosti detekován pozitivní skok v elektrickém potenciálu. Po detekci P300 systém pošle příkaz k tisku odpovídajícího znaku.
V tomto případě algoritmus nemůže detekovat potenciál z jedné doby kvůli hladině šumu signálu náhodnou elektrickou aktivitou. Proto musí být symbol prezentován několikrát a získaná data musí být zprůměrována.
Kromě jednostupňové změny potenciálu může neurointerface hledat změny v rytmické (tj. Oscilační) aktivitě mozku způsobené určitou událostí. Když dostatečně velká skupina neuronů vstoupí do synchronního rytmu fluktuací aktivity, lze to detekovat na signálním spektrogramu ve formě ERS (synchronizace související s událostmi). Pokud naopak dojde k desynchronizaci kmitů, spektrogram obsahuje ERD (desynchronizace související s událostmi).
Ve chvíli, kdy člověk vytvoří nebo jednoduše představí pohyb ruky, je ERD pozorována v motorické kůře opačné hemisféry při kmitočtu kmitání asi 10–20 hertzů.
Tuto a další šablony lze programu přiřadit ručně, ale často se vytvářejí v průběhu práce s každým konkrétním jednotlivcem. Náš mozek, stejně jako rysy jeho činnosti, je individuální a vyžaduje přizpůsobení systému.
Záznamové elektrody
Většina neurointerfaces používá elektroencefalografii (EEG) k zaznamenávání aktivity, tj. Neinvazivní metody neuroimagingu, vzhledem k její relativní jednoduchosti a bezpečnosti. Elektrody připojené k povrchu hlavy zaznamenávají změnu elektrického pole způsobenou změnou potenciálu dendritů poté, co akční potenciál „překročil“synapse.
V okamžiku, kdy pozitivní ionty proniknou do dendritu, se v okolním prostředí vytvoří negativní potenciál. Na druhém konci neuronu začnou ionty se stejným nábojem opouštět buňku a vytvářejí pozitivní potenciál venku a prostor obklopující neuron se mění v dipól. Elektrické pole šířící se z dipólu je zaznamenáno pomocí elektrody.
Tato metoda má bohužel několik omezení. Lebka, kůže a další vrstvy, které oddělují nervové buňky od elektrod, ačkoli jsou vodiči, nejsou dostatečně dobré, aby nezkreslovaly informace o signálu.
Elektrody jsou schopné zaznamenávat pouze celkovou aktivitu mnoha sousedních neuronů. Hlavním přínosem k výsledku měření jsou neurony umístěné v horních vrstvách kůry, jejichž procesy jsou kolmé na její povrch, protože právě oni vytvářejí dipól, elektrické pole, které může senzor nejlépe zachytit.
To vše vede ke ztrátě informací z hlubokých struktur a ke snížení přesnosti, takže systém je nucen pracovat s neúplnými daty.
Invazivní elektrody implantované na povrch nebo přímo do mozku umožňují mnohem větší přesnost.
Pokud je požadovaná funkce spojena s povrchovými vrstvami mozku (například motorická nebo smyslová aktivita), pak je implantace omezena na trepanning a připojení elektrod na povrch kůry. Senzory čtou celkovou elektrickou aktivitu mnoha buněk, ale tento signál není tak zkreslený jako v EEG.
Pokud je aktivita umístěná hlouběji důležitá, pak se elektrody vloží do kůry. Je dokonce možné zaregistrovat aktivitu jednotlivých neuronů pomocí speciálních mikroelektrod. Invazivní technika bohužel představuje pro člověka potenciální nebezpečí a v lékařské praxi se používá pouze v extrémních případech.
Existuje však naděje, že tato technika bude v budoucnu méně traumatická. Americká společnost Neuralink plánuje realizovat myšlenku bezpečného zavedení tisíců tenkých ohebných elektrod bez vrtání do lebky pomocí laserového paprsku.
Několik dalších laboratoří pracuje na biologicky rozložitelných senzorech, které odstraní elektrody z mozku.
Banán nebo pomeranč?
Záznam signálu je pouze prvním krokem. Dále je třeba jej „přečíst“, abyste určili záměry, které za tím stojí. Existují dva možné způsoby, jak dekódovat mozkovou aktivitu: nechat algoritmus vybrat příslušné charakteristiky ze samotného datového souboru nebo dát systému popis parametrů, které je třeba hledat.
V prvním případě algoritmus, který není omezen parametry vyhledávání, klasifikuje samotný „surový“signál a s nejvyšší pravděpodobností najde prvky předpovídající záměry. Pokud například subjekt střídavě přemýšlí o pohybu pravou a levou rukou, pak program dokáže najít parametry signálu, které maximálně odlišují jednu možnost od druhé.
Problém tohoto přístupu spočívá v tom, že parametry popisující elektrickou aktivitu mozku jsou příliš multidimenzionální a data jsou příliš hlučná s různými zvuky.
U druhého dekódovacího algoritmu je nutné předem vědět, kde a co hledat. Například v příkladu výše popsaného pravopisu P300 víme, že elektrický potenciál se určitým způsobem mění, když člověk vidí symbol. Naučíme systém hledat tyto změny.
V takové situaci je schopnost dešifrovat záměry člověka spojena s naší znalostí toho, jak jsou mozkové funkce kódovány v nervové činnosti. Jak se to nebo ten záměr nebo stav projeví v signálu? Bohužel ve většině případů na tuto otázku nemáme odpověď.
Probíhá neurobiologický výzkum kognitivních funkcí, ale přesto můžeme dešifrovat velmi malou část signálů. Mozek a vědomí pro nás zůstávají prozatím „černou skříňkou“.
Alexander Kaplan, neurofyziolog, doktor biologických věd a zakladatel Laboratoře neurofyziologie a Neurointerfaces na Moskevské státní univerzitě v Lomonosově, který obdržel první grant v Rusku na vývoj neurointerface pro komunikaci mezi mozkem a počítačem, říká, že vědci jsou schopni automaticky dešifrovat některé lidské záměry nebo obrazy, které si představují na základě EEG …
V tuto chvíli však existuje více než tucet takových záměrů a obrazů. Zpravidla se jedná o stavy spojené s relaxací a mentálním napětím nebo se znázorněním pohybů částí těla. A dokonce k jejich rozpoznání dochází s chybami: například tím, že EEG stanoví, že osoba má v úmyslu zatáhnout pravou ruku do pěst, i v nejlepších laboratořích, je možné ne více než 80–85 procent z celkového počtu pokusů.
A pokud se pokusíte pochopit z EEG, zda si člověk představí banán nebo pomeranč, pak počet správných odpovědí jen mírně přesáhne úroveň náhodného hádání.
Nejsmutnější věcí je, že nebylo možné zlepšit spolehlivost neurointerface systémů při rozpoznávání lidských záměrů pomocí EEG a rozšířit seznam takových záměrů o více než 15 let, a to i přes významné pokroky ve vývoji algoritmů a výpočetní techniky dosažené ve stejnou dobu.
EEG zjevně odráží pouze malou část duševní činnosti člověka. Proto by se k neurointerface systémům mělo přistupovat s mírným očekáváním a jasně naznačit oblasti jejich skutečné aplikace.
Ztraceno v překladu
Proč nemůžeme vytvořit systém, který dokáže to, co mozek dokáže snadno udělat? Stručně řečeno, způsob práce mozku je příliš složitý pro naše analytické a výpočetní schopnosti.
Nejprve neznáme „jazyk“, ve kterém nervový systém komunikuje. Kromě impulsové řady se vyznačuje mnoha proměnnými: vlastnosti cest a buněk samotných, chemické reakce, ke kterým dochází v době přenosu informací, práce sousedních neuronových sítí a dalších tělesných systémů.
Kromě skutečnosti, že „gramatika“tohoto „jazyka“je sama o sobě složitá, může se lišit v různých párech nervových buněk. Situaci zhoršuje skutečnost, že pravidla komunikace, jakož i funkce buněk a vztahy mezi nimi, jsou velmi dynamická a neustále se mění pod vlivem nových událostí a podmínek. To exponenciálně zvyšuje množství informací, které je třeba vzít v úvahu.
Data, která plně popisují mozkovou aktivitu, jednoduše utopí jakýkoli algoritmus, který se zaváže jej analyzovat. Dekódování záměrů, vzpomínek, pohybů je proto prakticky nerozpustným úkolem.
Druhou překážkou je, že nevíme mnoho o samotných mozkových funkcích, které se snažíme odhalit. Co je to paměť nebo vizuální obraz, z čeho jsou vyrobeny? Neurofyziologie a psychologie se snaží na tyto otázky odpovídat již dlouhou dobu, ale ve výzkumu je zatím jen malý pokrok.
Nejjednodušší funkce, jako jsou motorické a smyslové funkce, mají v tomto smyslu výhodu, protože jsou lépe pochopeny. Proto aktuálně dostupná nervová rozhraní s nimi interagují hlavně.
Jsou schopni rozpoznat dotykové pocity, imaginární pohyb končetiny, reakci na vizuální stimulaci a jednoduché reakce na environmentální události, jako je reakce na chybu nebo nesoulad mezi očekávaným stimulem a skutečným. Vyšší nervová aktivita pro nás však dnes zůstává velkým tajemstvím.
Obousměrná komunikace
Až dosud jsme diskutovali pouze o situaci jednosměrného čtení informací bez zpětného vlivu. Dnes však již existuje technologie pro přenos signálů z počítače do mozku - CBI (rozhraní počítač-mozek). To dělá komunikační kanál neurointerface obousměrně.
Informace (například zvuk, hmatové vjemy a dokonce i údaje o fungování mozku) vstupují do počítače, jsou analyzovány a prostřednictvím stimulace buněk centrálního nebo periferního nervového systému jsou přenášeny do mozku. To vše se může stát zcela obejít přirozené orgány vnímání a úspěšně se používá k jejich nahrazení.
Podle Alexandra Kaplana v současné době neexistují žádná teoretická omezení pro vybavení umělých senzorických „orgánů“napojených přímo na mozkové struktury. Kromě toho se aktivně zavádí do každodenního života člověka, například jako náhrada narušených přirozených smyslových orgánů.
Pro lidi se sluchovým postižením jsou již k dispozici takzvané kochleární implantáty: mikročipy, které kombinují mikrofon s receptory sluchu. Začalo se testování sítnicových implantátů pro obnovení zraku.
Podle Kaplana neexistují žádná technická omezení pro připojení dalších senzorů k mozku, které reagují na ultrazvuk, změny radioaktivity, rychlosti nebo tlaku.
Problém je v tom, že tyto technologie musí být zcela založeny na našich znalostech toho, jak mozek funguje. Které, jak jsme již zjistili, jsou poměrně omezené.
Jediným způsobem, jak se tomuto problému obejít, je podle Kaplana vytvořit zásadně nový komunikační kanál s vlastním komunikačním jazykem a naučit nejen počítač, ale i mozek rozpoznávat nové signály.
Takový vývoj již začal. Například v laboratoři aplikované fyziky na Johns Hopkins University před několika lety testovali bionickou ruku schopnou přenášet taktilní informace do mozku.
Při dotyku senzorů umělé ruky stimulují elektrody dráhy periferního nervového systému, které pak přenášejí signál do senzorických oblastí mozku. Člověk se učí rozpoznávat příchozí signály jako různé typy dotyku. Namísto pokusu o reprodukci taktilního systému signálů, který je pro člověka přirozený, se vytvoří nový komunikační kanál a komunikační jazyk.
Tato cesta vývoje je však omezena počtem nových kanálů, které můžeme vytvořit, a jak informativní budou pro mozek, říká Alexander Kaplan.
Budoucí čas
Kaplan věří, že v současné době neexistuje žádný nový způsob, jak rozvíjet technologie neurointerface. Podle něj byla objevena samotná možnost rozhraní pro komunikaci mezi mozkem a počítačem v 70. letech minulého století a principy mozku, na nichž je založen dnešní vývoj, byly popsány asi před třiceti lety a od té doby se nové myšlenky prakticky neobjevily.
Například nyní široce využívaný potenciál modelu P300 byl objeven v 60. letech 20. století, motorické snímky - v 80. a 90. letech a negativní negativita - v 70. letech).
Vědci kdysi zastávali naděje, že budou schopni navázat užší informační kontakt mezi technologií mozku a procesoru, ale dnes se ukázalo, že se nenaplnili.
Kaplan však říká, že je jasné, že neurointerfaces mohou být implementovány pro lékařské použití. Podle vědců nyní vývoj neurointerfaces jde do největší míry zavedením technologie do klinické sféry.
Vědci kdysi zastávali naděje, že budou schopni navázat užší informační kontakt mezi technologií mozku a procesoru, ale dnes se ukázalo, že se nenaplnili.
Kaplan však říká, že je jasné, že neurointerfaces mohou být implementovány pro lékařské použití. Podle vědců nyní vývoj neurointerfaces jde do největší míry zavedením technologie do klinické sféry.
Avšak díky výzkumu mozku a technologickému pokroku jsou dnešní neurointerfaces schopna toho, co se kdysi zdálo neproveditelné. Nevíme s jistotou, co se stane za 30, 50 nebo 100 let. Historik vědy Thomas Kuhn předložil myšlenku, že vývoj vědy je cyklus: období stagnace jsou nahrazena paradigmatickými posuny a následnými vědeckými revolucemi. Je docela možné, že v budoucnu budeme mít revoluci, která vytáhne mozek z černé skříňky. A ona přijde z nej neočekávanější strany.
Maria Ermolova