Interfață pentru neurocomputer

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 19 iulie 2022; verificarea necesită 1 editare .

O interfață neurocomputer (NCI) (numită și interfață neuronală directă , interfață creier , interfață creier-calculator [1] ) este un sistem creat [2] pentru schimbul de informații între creier și un dispozitiv electronic (de exemplu, un computer ). În interfețele unidirecționale, dispozitivele externe pot fie să primească semnale de la creier, fie să îi trimită semnale (de exemplu, simulând retina ochiuluila restabilirea vederii cu un implant electronic). Interfețele bidirecționale permit creierului și dispozitivelor externe să facă schimb de informații în ambele direcții. Baza interfeței creier-calculator este adesea metoda biofeedback .

Fundal

Posibilitatea simbiozei om-calculator a fost luată în considerare încă din 1960 de un cercetător de la agenția DARPA , care credea că la început, inteligența augmentată va depăși inteligența complet artificială [3] .

Studiul fundamentelor pe care se bazează interfața neuro-computer își are rădăcinile în învățăturile lui IP Pavlov privind reflexele condiționate și rolul reglator al cortexului. Dezvoltând aceste idei, P. K. Anokhin din 1935 a arătat că principiul feedback-ului joacă un rol decisiv în reglarea atât a reacțiilor adaptative superioare ale unei persoane, cât și a mediului său intern. Există lucrări ale lui N. P. Bekhtereva din 1968 până în 2008  . privind descifrarea codurilor cerebrale ale activității mentale, continuată până în zilele noastre de adepții ei, inclusiv din punctul de vedere al neurociberneticii și oftalmoneurociberneticii.

Cercetările asupra interfeței neuro-computer au început în anii 1970 la Universitatea din California, Los Angeles ( UCLA ). După mulți ani de experimente pe animale, la mijlocul anilor 90, în corpul uman au fost implantate primele dispozitive capabile să transmită informații biologice de la corpul uman către un computer. Cu ajutorul acestor dispozitive, a fost posibilă restabilirea funcțiilor deteriorate ale auzului, vederii, precum și a abilităților motorii pierdute. Funcționarea cu succes a NCI se bazează pe capacitatea cortexului cerebral de a se adapta (proprietatea plasticității), datorită căreia dispozitivul implantat poate servi ca sursă de informații biologice.

Încercări de creare

În 2004, primul cip de siliciu artificial a fost creat la Centrul de neurochirurgie Cleveland - un analog al hipocampului , care, la rândul său, a fost dezvoltat la Universitatea din California de Sud în 2003 . Siliciul are capacitatea de a conecta materia neînsuflețită cu neuronii vii, iar tranzistoarele înconjurate de neuroni primesc semnale de la celulele nervoase, în timp ce condensatoarele le trimit semnale. Fiecare tranzistor de pe cip preia cea mai mică schimbare subtilă a sarcinii electrice care are loc atunci când un neuron „declanșează” în procesul de transfer al ionilor de sodiu.

Noul microcircuit este capabil să primească impulsuri de la 16 mii de neuroni cerebrali de origine biologică și să trimită semnale înapoi către câteva sute de celule. Deoarece neuronii au fost izolați de celulele gliale din jur în timpul producerii cipului, a trebuit să fie adăugate proteine ​​care „lipesc” neuronii din creier, formând și canale suplimentare de sodiu. Creșterea numărului de canale de sodiu crește șansele ca transportul ionic să fie convertit în semnale electrice pe cip.

NCI și neuroprotetice

Neuroprotetica  este un domeniu al neurologiei care se ocupă cu crearea și implantarea de dispozitive artificiale pentru refacerea funcțiilor afectate ale sistemului nervos sau ale organelor senzoriale ( neuroproteze sau neuroimplanturi). Neuroimplantul cohlear cel mai frecvent utilizat , care este folosit de aproximativ 100.000 de persoane din întreaga lume (din 2006). Există și neuroproteze pentru restabilirea vederii, precum implanturile retiniene. Sistemul bionic de vedere Gennaris, datorită unui dispozitiv implantat , ocolește nervii optici deteriorați, permițând transmiterea semnalelor către centrul vizual al creierului.

Principala diferență dintre BCI și neuroprotetice constă în specificul aplicării lor: neuroprotezele „conectează” cel mai adesea sistemul nervos la un dispozitiv implantat, în timp ce BCI conectează de obicei creierul (sau sistemul nervos) la un sistem computerizat. În practică, o neuroproteză poate fi conectată la orice parte a sistemului nervos, de exemplu, la nervii periferici, în timp ce NCI este o clasă mai restrânsă de sisteme care interacționează cu sistemul nervos central. Termenii de neuroproteză și NCI pot fi folosiți în mod interschimbabil, deoarece ambele abordări au același scop - restabilirea vederii, auzului, abilităților motorii, capacitatea de a comunica și alte funcții cognitive. În plus, ambele abordări folosesc tehnici experimentale similare, inclusiv intervenția chirurgicală.

Testarea NCI-urilor pe animale

Mai multe laboratoare au reușit să înregistreze semnale din cortexul cerebral al maimuțelor și șobolanilor pentru a controla NCI în timpul mișcării. Maimuțele controlau cursorul de pe ecranul computerului și dădeau comenzi pentru a efectua cele mai simple acțiuni roboților care imitau o mână, mental și fără nicio mișcare. Alte studii care au implicat pisici s-au concentrat pe descifrarea indiciilor vizuale.

Lucrări timpurii

Cercetările care au dus la dezvoltarea algoritmilor pentru reconstrucția mișcărilor din semnalele neuronilor din cortexul motor care controlează funcțiile motorii datează din anii 1970 . Echipele de cercetare conduse de Schmidt, Fetz și Baker în anii 1970 au descoperit că maimuțele ar putea învăța rapid să controleze selectiv rata de răspuns a neuronilor individuali din cortexul motor primar folosind operațiuni de poziționare în buclă, o metodă de învățare a pedepsei și recompenselor.

În anii 1980 , Apostolos Georgopoulos de la Universitatea Hopkins a descoperit o relație matematică între răspunsurile electrice ale neuronilor corticali individuali la maimuțele rhesus și direcția în care maimuțele își mișcau membrele (pe baza funcției cosinus ). El a descoperit, de asemenea, că diferite grupuri de neuroni din diferite zone ale creierului controlau în comun comenzile motorii, dar au fost capabile să înregistreze doar semnale electrice de la neuronii excitați într-o zonă la un moment dat, din cauza limitărilor tehnice impuse de echipamentul său.

De la mijlocul anilor 1990, a început dezvoltarea rapidă a NCI. Mai multe grupuri de oameni de știință au reușit să capteze semnalele centrului motor al creierului folosind înregistrări ale semnalelor de la grupuri de neuroni și, de asemenea, să folosească aceste semnale pentru a controla dispozitivele externe. Printre aceștia se numără grupuri conduse de Richard Andersen, John Donahue, Philip Kennedy, Miguel Nicolelis , Andrew Schwartz.

Exocortex

Exocortexul ( greaca veche ἔξω [exō]  - exterior, exterior; lat.  cortex  - cortex) este un sistem extern de procesare a informațiilor care va ajuta la îmbunătățirea inteligenței [4] sau acționează ca o neuroproteză pentru cortexul cerebral [5] . Dacă termenul „exocortex” este înțeles în sens larg, atunci putem spune că funcțiile sale sunt deja îndeplinite de internet , smartphone -uri [6] , diverse gadget-uri și că istoria sa a început odată cu inventarea scrisului [7] .

Posibilitatea simbiozei om-calculator a fost luată în considerare încă din 1960 de un cercetător de la agenția DARPA , care credea că la început, inteligența augmentată va depăși inteligența complet artificială [3] .

Dezvoltarea bioingineriei poate duce la apariția exocortexului : interfața creier-calculator, dispozitive pentru restabilirea funcțiilor nervilor și receptorilor; neurostiinta : procesoare neuromorfe ; neuroștiință computațională : software care emulează procesele mentale .

Persoanele cu astfel de dispozitive implantate pot fi numiți cyborgi [8] sau postumani . Modulatorii de dispoziție bazați pe principiile stimulării electrice [9] se pregătesc să intre pe piață , dar în absența feedback-ului, aceștia pot fi considerați doar dispozitive pentru terapia TES .

Creierul altei persoane poate fi folosit ca exocortex [10] . Cercetătorii finlandezi cred că exocortexul poate oferi o oportunitate nu numai de a descărca conștiința umană într-un computer, ci și de a combina conștiința mai multor organisme umane [11] .

Realizări în cercetare

Primul NCI a fost creat de Phillip Kennedy și colegii săi folosind electrozi implantați în cortexul cerebral al maimuțelor. În 1999, cercetătorii conduși de Yang Deng de la Universitatea din California au descifrat semnalele de la neuronii din sistemul vizual al pisicii și au folosit datele pentru a reproduce imaginile percepute de animalele experimentale. Aceste experimente au folosit electrozi implantați în talamus (structura mezencefalului care transmite semnale senzoriale din toate simțurile către cortex). Cu ajutorul lor, au fost examinate 177 de celule din corpul geniculat lateral din talamus și au fost decodificate semnalele venite din retină. Pisicilor li s-au prezentat opt ​​scurtmetraje în timpul cărora a fost înregistrată activitatea neuronală. Folosind filtre matematice, cercetătorii au descifrat semnalele pentru a reproduce imaginile pe care le-au văzut pisicile și au putut reproduce scene recunoscute și obiecte în mișcare. Rezultate similare la oameni au fost obținute de cercetători din Japonia.

Pentru a îmbunătăți eficiența controlului NCI, Miguel Nicolesis a sugerat înregistrarea activității electrice simultan folosind mai mulți electrozi implantați în zone îndepărtate ale creierului. Primele studii pe șobolani, care au fost efectuate de Nicolelis și colegii săi în anii 1990, au fost urmate de experimente similare pe maimuțe. Drept urmare, a fost creat un NCI, cu ajutorul căruia au fost decodificate semnalele celulelor nervoase ale maimuțelor și folosite pentru a controla mișcările robotului. Maimuțele s-au dovedit a fi subiecți ideali pentru acest tip de muncă, deoarece au abilități motorii și de manipulare bine dezvoltate și, în consecință, structuri cerebrale foarte dezvoltate responsabile de implementarea funcțiilor motorii. Până în 2000, grupul lui Nicolelis a creat un NCI care simula mișcările membrelor anterioare ale maimuțelor în timpul manipulării joystick-ului sau în timpul captării hranei. Acest sistem a funcționat în timp real și a fost folosit pentru a controla de la distanță mișcările robotului printr-o conexiune la Internet. În același timp, maimuța nu a avut ocazia să vadă mișcările propriilor membre și nu a primit alte informații pentru feedback.

Mai târziu, grupul lui Nicolesis a folosit rezultatele experimentelor cu maimuțe rhesus pentru a crea un algoritm de mișcare a robotului care imită mișcările unei mâini umane. Pentru a controla mișcările robotului, am folosit informațiile obținute prin înregistrarea activității neuronale a maimuțelor după decodare. Maimuțele au fost antrenate să arate obiecte de pe ecranul unui computer prin manipularea unui joystick. Mișcările membrelor maimuțelor operator au fost reproduse de mișcările robotului.

Din 2009, proiectul NeuroG funcționează în Rusia , al cărui scop este acela de a crea algoritmi universali pentru recunoașterea imaginilor vizuale de către oameni. Pe 25 aprilie 2011, proiectul NeuroG a efectuat prima demonstrație din lume a unui experiment privind recunoașterea modelelor imaginare la Muzeul Politehnic din Moscova. [12]

Pe 9 iulie 2015, „ United Instrument-Making Corporation ” din Rusia a început să testeze o interfață neuronală neinvazivă „creier-computer” care permite puterii gândirii să controleze exoprotezele robotizate biologice. În acest moment, interfața neuronală este în curs de testare. După finalizarea acestora, se va lua o decizie privind producția în serie a exoprotezelor robotizate. Potrivit serviciului de presă, producția provizorie în serie de proteze ar fi trebuit să înceapă în 2016 [13] .

Feedback-ul în protezele de mână este implementat în diferite moduri: metode invazive, interfețe neuronale implantate, precum și feedback vibro- sau mecano-tactil [14] . În 2019, a fost testată o mână protetică dublă cu feedback pe baza senzorilor intracorticali implantați în creierul pacientului. [cincisprezece]

Vezi și

Note

  1. ↑ Cercetătorii academicieni folosesc termenul „ interfață creier-calculator ”, deoarece termenul „neurocomputer” este atribuit unei clase mari de tehnologii bazate pe o arhitectură specifică a sistemelor de calcul, J. Wolpaw, J. Donoghue, Birbaumer , 
  2. ↑ Cercetătorii demonstrează un cursor controlat de gândire - Neuroscience - Science News . Data accesului: 19 mai 2011. Arhivat din original pe 4 octombrie 2013.
  3. ↑ 1 2 Man-Computer Symbiosis Arhivat 12 mai 2011 la Wayback Machine JCR Licklider IRE Transactions on Human Factors in Electronics, volumul HFE-1, paginile 4-11, martie 1960
  4. ↑ Științe Filosofice, Numele 1-4;  Liceu., 2008; pagina 103
  5. ↑ Exocortex Arhiva copie din 20 noiembrie 2016 pe Wayback Machine  - Un dispozitiv ipotetic care este conectat într-un fel sau altul la o persoană și îndeplinește funcții similare cu cele ale cortexului cerebral: adică imită activitatea nervoasă superioară. Se presupune că poate fi folosit pentru protezare sau ca mijloc de „îmbunătățire a minții”
  6. ↑ Simola - The Roving Mind: A Modern Approach to Cognitive Enhancement&dq=exocortex  The Roving Mind: A Modern Approach to Cognitive Enhancement, ST Press, 2015; ISBN 069240905X , ISBN 9780692409053
  7. ↑ Intelligence Unbound: The Future of Uploaded and Machine Minds  Editors Russell Blackford, Damien Broderick, John Wiley & Sons, 2014; ISBN 1118736451 , ISBN 9781118736456
  8. ↑ Rasa umană, Versiunea 2.0 (20 martie 2006). Arhivat din original pe 27 iulie 2007.
  9. ↑ MEDTECH BOSTON - Testing Thync: Un modulator personal al creierului calmant și energizant . Preluat la 16 iunie 2019. Arhivat din original la 24 iulie 2015.
  10. ↑ CERCETĂTORUL CONTROLĂ MOȚIILE COLEGUI PRIN PRIMA INTERFĂȚĂ NEINVAZIVĂ DE LA OM LA CREIERUL UMAN (VIDEO) Arhivat 23 aprilie 2016 la Wayback Machine cu informații de la cercetătorii de la Universitatea din Washington: „un cercetător capabil să trimită un semnal cerebral prin Internet pentru a controla mișcări ale mâinii unui coleg de cercetare”.
  11. ↑ KAJ SOTALA, HARRI VALPOLA - COALESCING MINDS: BAIN UPLOADING-RELATED GROUP MIND SCENARIS Arhivat 28 octombrie 2017 la Wayback Machine , 2012; Jurnalul Internațional al Conștiinței Mașinilor
  12. ↑ Enikeeva, Alfiya „Oamenii de știință ruși vor învăța un computer să citească mințile” Copie de arhivă din 10 martie 2014 pe Wayback Machine , Știința și Tehnologia Rusiei , preluat 2011-7-24.
  13. ↑ OPK „Rostec” a început să testeze interfața neuronală a protezelor robotizate . Preluat la 26 august 2015. Arhivat din original la 9 septembrie 2015.
  14. ↑ Ulrika, Wijk, Ingela K., Carlsson, Christian, Antfolk, Anders, Björkman, Birgitta, Rosen. Feedback senzorial în protezele de mână: un studiu prospectiv al utilizării zilnice  //  Frontiers in Neuroscience. - 2020. - Or. 14 . — ISSN 1662-453X . - doi : 10.3389/fnins.2020.00663 . Arhivat din original pe 24 iunie 2021.
  15. ↑ Două mâini protetice „prin puterea gândirii” în același timp: cu feedback . Neuronovosti (19 octombrie 2019). Preluat la 1 iulie 2021. Arhivat din original la 9 iulie 2021.

Literatură

Lectură recomandată

Link -uri