Neuro sąsajos - smegenis ir kompiuterį jungiančios technologijos - pamažu tampa įprastomis: jau matėme, kaip žmogus gali naudoti psichinius nurodymus, norėdamas valdyti protezą ar rašyti tekstą kompiuteryje. Ar tai reiškia, kad mokslinės fantastikos rašytojų, kurie rašė apie visavertį minčių skaitymą kompiuteriu ar net apie žmogaus sąmonės perkėlimą į kompiuterį, pažadai greitai taps realybe? Ta pati tema - „išplėstinė asmenybė“- 2019 metais yra skirta mokslinės fantastikos pasakojimų konkursui „Ateities laikas“, kurį organizuoja labdaros fondas „Sistema“. Kartu su konkurso organizatoriais „N + 1“redaktoriai išsiaiškino, ką sugeba šiuolaikinės nervinės sąsajos ir ar tikrai galime sukurti visavertį smegenų ir kompiuterio ryšį. Aleksandras Kaplanas mums padėjo tai padaryti,pirmosios Rusijos sąsajos laboratorijos Lomonosovo Maskvos valstybiniame universitete įkūrėjas.
- „Salik.biz“
Nulaužk kūną
Neilas Harbissonas turi įgimtą achromatopsiją, dėl kurios jis atėmė spalvotą regėjimą. Britas, nusprendęs apgauti gamtą, implantavo specialų fotoaparatą, kuris spalvą paverčia garsine informacija ir perduoda ją į vidinę ausį. Neilas laiko save pirmuoju kiborgu, kurį oficialiai pripažino valstybė.
2012 metais JAV Andrew Schwartzas iš Pitsburgo universiteto demonstravo paralyžiuotą 53 metų pacientę, kuri, naudodama jos smegenyse implantuotus elektrodus, siuntė signalus robotui. Ji išmoko valdyti robotą tiek, kad sugebėjo sau patiekti šokolado batonėlį.
2016 metais toje pačioje laboratorijoje 28 metų pacientas, patyręs sunkią stuburo traumą, ištiesė smegenis kontroliuojamą dirbtinę ranką pas jį aplankiusį Baracką Obamą. Ant rankos esantys jutikliai leido pacientui pajusti 44-ojo JAV prezidento rankos paspaudimą.
Šiuolaikinė biotechnologija suteikia žmonėms galimybę „nulaužti“savo kūno apribojimus, sukurdama simbiozę tarp žmogaus smegenų ir kompiuterio. Atrodo, kad viskas krypsta į tai, kad bioinžinerija netrukus taps kasdienio gyvenimo dalimi.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Kas bus toliau? Filosofas ir futuristas Maksas More'as, transhumanizmo idėjos pasekėjas, nuo praėjusio amžiaus pabaigos plėtė žmogaus perėjimo į naują evoliucijos etapą idėją, be kita ko, naudodamas kompiuterines technologijas. Pastarųjų dviejų amžių literatūroje ir kine panaši futuristinės vaizduotės pjesė slydo.
1984 m. Išleistame Williamo Gibbsono mokslinės fantastikos romane „Neuromancer“buvo sukurti implantai, kurie leidžia jų dėvėtojui prisijungti prie interneto, išplėsti intelekto galimybes ir atnaujinti prisiminimus. Neseniai JAV nufilmuoto kultinio japonų mokslinės fantastikos mangos „Vaiduoklis apvalkale“autorius Masamune Shiro apibūdina ateitį, kurioje bet kuris organas gali būti pakeistas bionika, iki visiško sąmonės perkėlimo į roboto kūną.
Kiek toli gali vykti nervinės sąsajos pasaulyje, kur, viena vertus, nežinojimas padaugina fantazijų, o, kita vertus, fantazijos dažnai virsta apvaizda?
Galimas skirtumas
Centrinė nervų sistema (CNS) yra sudėtingas ryšių tinklas. Vien smegenyse yra daugiau nei 80 milijardų neuronų, ir tarp jų yra trilijonai jungčių. Kiekvieną milisekundę bet kurios nervinės ląstelės viduje ir išorėje keičiasi teigiamų ir neigiamų jonų pasiskirstymas, nulemdamas, kaip ir kada jis reaguos į naują signalą. Poilsio metu neuronas turi neigiamą potencialą, palyginti su aplinka (vidutiniškai –70 milivoltų), arba „ramybės potencialą“. Kitaip tariant, jis yra poliarizuotas. Jei neuronas gauna elektrinį signalą iš kito neurono, tada, kad jis galėtų būti perduodamas toliau, teigiami jonai turi patekti į nervų ląstelę. Atsiranda depoliarizacija. Kai depoliarizacija pasiekia ribinę vertę (tačiau apytiksliai -55 milivoltų, ši vertė gali skirtis),ląstelė susijaudina ir įleidžia vis daugiau teigiamai įkrautų jonų, sukuriančių teigiamą potencialą arba „veikimo potencialą“.
Veiksmo potencialas.
Toliau veikimo potencialas palei aksoną (ląstelės ryšio kanalas) perduodamas dendritui - kitos ląstelės gavėjo kanalui. Tačiau aksonai ir dendritai nėra tiesiogiai sujungti, o elektrinis impulsas negali tiesiog pereiti iš vienos į kitą. Tarp jų esanti sąlyčio vieta vadinama sinapsėmis. Sinapsės gamina, perduoda ir priima neuromediatorius - cheminius junginius, kurie tiesiogiai „nukreipia“signalą iš vienos ląstelės aksono į kitos dendritą.
Kai impulsas pasiekia aksono galą, jis išleidžia neuromediatorius į sinapsinį plyšį, kertdamas erdvę tarp ląstelių ir prisitvirtindamas prie dendrito galo. Jie verčia dendritą paleisti teigiamai įkrautus jonus, pereiti iš poilsio potencialo į veikimo potencialą ir perduoti signalą į ląstelės kūną.
Neurotransmiterio tipas taip pat lemia, kuris signalas bus siunčiamas toliau. Pavyzdžiui, gliutamatas sukelia šaudymą į neuronus, gama aminosviesto rūgštis (GABA) yra svarbus slopinantis tarpininkas, o acetilcholinas gali padaryti abi, priklausomai nuo situacijos.
Taip neuronas atrodo schematiškai:
Neurono diagrama.
Ir kaip tai atrodo realybėje:
Neuronas po mikroskopu.
Be to, ląstelės recipiento reakcija priklauso nuo gaunamų impulsų skaičiaus ir ritmo, informacijos, gaunamos iš kitų ląstelių, taip pat nuo smegenų srities, iš kurios buvo siunčiamas signalas. Įvairios pagalbinės ląstelės, endokrininė ir imuninė sistemos, išorinė aplinka ir ankstesnė patirtis - visa tai lemia centrinės nervų sistemos būklę šiuo metu ir taip daro įtaką žmogaus elgesiui.
Ir nors, kaip mes suprantame, centrinė nervų sistema nėra „laidų“rinkinys, neuro interfeisų darbas yra pagrįstas būtent nervų sistemos elektriniu aktyvumu.
Teigiamas šuolis
Pagrindinė neuro sąsajos užduotis yra iššifruoti iš smegenų sklindantį elektrinį signalą. Programa turi „šablonų“ar „įvykių“rinkinį, susidedantį iš įvairių signalo charakteristikų: virpesių dažnių, smaigalių (aktyvumo viršūnių), vietų žievėje ir pan. Programa analizuoja gaunamus duomenis ir bando juose aptikti šiuos įvykius.
Išsiųstos komandos dar priklauso nuo gauto rezultato, taip pat nuo visos sistemos funkcionalumo.
Tokio modelio pavyzdys yra P300 (teigiamas 300) iškeltas potencialas, dažnai naudojamas vadinamiesiems rašikliams - teksto rašymo mechanizmams, naudojant smegenų signalus.
Kai žmogus ekrane mato jam reikalingą simbolį, po 300 milisekundžių galima užfiksuoti teigiamą elektrinio potencialo šuolį, registruojant smegenų veiklą. Aptikusi P300, sistema siunčia komandą spausdinti atitinkamą simbolį.
Tokiu atveju algoritmas negali aptikti potencialo iš signalo triukšmo lygio vienkartiniu atsitiktiniu elektriniu aktyvumu. Todėl simbolis turi būti pateiktas keletą kartų, o gauti duomenys turi būti suvidurkinti.
Be vieno žingsnio potencialo pokyčio, neuro sąsajoje galima ieškoti smegenų ritminės (t. Y. Osciliacinės) veiklos pokyčių, kuriuos sukelia tam tikras įvykis. Kai pakankamai didelė neuronų grupė patenka į sinchroninį veiklos svyravimo ritmą, tai galima aptikti signalo spektrogramoje ERS forma (su įvykiais susijusi sinchronizacija). Jei, atvirkščiai, vyksta svyravimų desinchronizacija, tada spektrogramoje yra ERD (įvykių susijusi desinchronizacija).
Tuo metu, kai žmogus daro ar tiesiog įsivaizduoja rankos judesį, ERD stebimas priešingo pusrutulio motorinėje žievėje esant maždaug 10–20 Hz virpesių dažniui.
Šį ir kitus šablonus programai galima priskirti rankiniu būdu, tačiau dažnai jie kuriami dirbant su kiekvienu konkrečiu asmeniu. Mūsų smegenys, kaip ir jos veiklos ypatybės, yra individualios ir joms reikia pritaikyti sistemą.
Įrašymo elektrodai
Dauguma neurointerpūrų aktyvumui registruoti naudoja elektroencefalografiją (EEG), ty neinvazinį neurovaizdo metodą dėl santykinio paprastumo ir saugumo. Elektrodai, pritvirtinti prie galvos paviršiaus, užregistruoja elektrinio lauko pasikeitimą, kurį sukelia dendritų potencialo pasikeitimas po to, kai veikimo potencialas „kirto“sinapsę.
Tuo metu, kai į dendritą prasiskverbia teigiami jonai, jį supančioje aplinkoje susidaro neigiamas potencialas. Kitame neurono gale jonai, turintys tą patį krūvį, pradeda palikti ląstelę, sukurdami teigiamą potencialą lauke, o neuroną supanti erdvė virsta dipoliu. Iš dipolio sklindantis elektrinis laukas fiksuojamas elektrodo pagalba.
Deja, metodas turi keletą apribojimų. Kaukolė, oda ir kiti sluoksniai, atskiriantys nervų ląsteles nuo elektrodų, nors jie ir yra laidininkai, nėra tokie geri, kad neiškreiptų informacijos apie signalą.
Elektrodai geba užregistruoti tik bendrą daugelio kaimyninių neuronų aktyvumą. Pagrindinis matavimo rezultato indėlis yra neuronai, esantys viršutiniuose žievės sluoksniuose, kurių procesai yra statmeni jo paviršiui, nes būtent jie sukuria dipolį, kurio elektrinį lauką jutiklis gali geriausiai užfiksuoti.
Visa tai lemia informacijos praradimą iš gilių struktūrų ir sumažėjusį tikslumą, todėl sistema priversta dirbti su neišsamiais duomenimis.
Invaziniai elektrodai, implantuojami į smegenų paviršių arba tiesiai į juos, leidžia pasiekti daug didesnį tikslumą.
Jei norima funkcija yra susijusi su paviršiniais smegenų sluoksniais (pavyzdžiui, motorine ar sensorine veikla), tada implantavimas apsiriboja trepanavimu ir elektrodų pritvirtinimu prie žievės paviršiaus. Jutikliai nuskaito bendrą daugelio ląstelių elektrinį aktyvumą, tačiau šis signalas nėra toks iškraipytas kaip EEG.
Jei svarbu aktyvumas, esantis giliau, tada elektrodai įterpiami į žievę. Netgi galima užregistruoti atskirų neuronų aktyvumą naudojant specialius mikroelektrodus. Deja, invazinė technika kelia potencialų pavojų žmonėms ir medicinos praktikoje naudojama tik kraštutiniais atvejais.
Vis dėlto yra vilčių, kad ateityje technika taps mažiau traumuojanti. Amerikos kompanija „Neuralink“planuoja įgyvendinti idėją saugiai įvesti tūkstančius plonų lanksčių elektrodų, neišgręždama į kaukolę, lazerio spinduliu.
Kelios kitos laboratorijos dirba su biologiškai skaidomais jutikliais, kurie pašalins elektrodus iš smegenų.
Bananas ar apelsinas?
Signalo įrašymas yra tik pirmas žingsnis. Kitas, jūs turite jį "perskaityti", kad nustatytumėte ketinimus. Smegenų veiklą galima iššifruoti dviem būdais: leisti algoritmui iš paties duomenų rinkinio išsirinkti svarbias charakteristikas arba pateikti sistemai ieškomų parametrų aprašą.
Pirmuoju atveju algoritmas, neribojamas paieškos parametrų, klasifikuoja patį „neapdorotą“signalą ir suranda elementus, numatančius ketinimus su didžiausia tikimybe. Jei, pavyzdžiui, subjektas pakaitomis galvoja apie judėjimą savo dešine ir kaire ranka, tada programa sugeba rasti signalo parametrus, kurie maksimaliai atskiria vieną variantą nuo kito.
Šio požiūrio problema yra ta, kad smegenų elektrinį aktyvumą apibūdinantys parametrai yra per daug daugialypiai, o duomenys yra per daug triukšmingi.
Taikant antrąjį dekodavimo algoritmą, reikia iš anksto žinoti, kur ir ko ieškoti. Pavyzdžiui, aukščiau aprašytame „P300“rašiklio pavyzdyje mes žinome, kad kai žmogus mato simbolį, tam tikru būdu keičiasi elektrinis potencialas. Mes mokome sistemą ieškoti šių pokyčių.
Esant tokiai situacijai galimybė iššifruoti asmens ketinimus yra susieta su mūsų žiniomis apie tai, kaip smegenų funkcijos yra užkoduotos nervų veikloje. Kaip tas ar tas ketinimas ar būsena pasireiškia signale? Deja, daugeliu atvejų mes neturime atsakymo į šį klausimą.
Atliekami neurobiologiniai pažinimo funkcijos tyrimai, tačiau nepaisant to, mes galime iššifruoti labai mažą signalų dalį. Smegenys ir sąmonė kol kas mums yra „juodoji dėžutė“.
Aleksandras Kaplanas, neurofiziologas, biologijos mokslų daktaras ir Lomonosovo Maskvos valstybinio universiteto neurofiziologijos ir neurointerijų sąsajų laboratorijos įkūrėjas, gavęs pirmąją Rusijoje stipendiją neuronų sąsajos tarp smegenų ir kompiuterio sukūrimui, sako, kad tyrėjai sugeba automatiškai iššifruoti kai kuriuos žmogaus ketinimus ar jų įsivaizduojamus įvaizdžius, paremtus EEG. …
Tačiau šiuo metu tokių ketinimų ir vaizdų yra tik keliolika. Paprastai tai būsenos, susijusios su atsipalaidavimu ir psichine įtampa arba su kūno dalių judesių vaizdavimu. Ir net jų pripažinimas įvyksta su klaidomis: pavyzdžiui, per EEG nustatyti, kad žmogus ketina suspausti dešinę ranką į kumštį, net geriausiose laboratorijose tai įmanoma ne daugiau kaip 80–85 procentų viso bandymo skaičiaus.
O jei bandysite iš EEG suprasti, ar žmogus įsivaizduoja bananą, ar apelsiną, tada teisingų atsakymų skaičius tik šiek tiek viršys atsitiktinio atspėjimo lygį.
Liūdniausia, kad nepavyko pagerinti neuro sąsajų sistemų patikimumo EEG atpažįstant žmogaus ketinimus ir išplėsti tokių ketinimų sąrašą daugiau nei 15 metų, nepaisant reikšmingų pažangų kuriant algoritmus ir skaičiavimo technologijas, pasiektų per tą patį laiką.
Matyt, EEG atspindi tik nedidelę žmogaus psichinės veiklos dalį. Todėl į neuro sąsajų sistemas reikia žiūrėti su nežymiais lūkesčiais ir aiškiai apibrėžti jų realiojo taikymo sritis.
Pasiklydo vertime
Kodėl negalime sukurti sistemos, kuri daro tai, ką lengvai gali atlikti smegenys? Trumpai tariant, tai, kaip veikia smegenys, yra per daug sudėtinga mūsų analitinėms ir skaičiavimo galimybėms.
Pirma, mes nežinome „kalbos“, kuria bendrauja nervų sistema. Be impulsų sekų, jai būdingi daugybė kintamųjų: kelių ir pačių ląstelių ypatybės, informacijos perdavimo metu vykstančios cheminės reakcijos, kaimyninių nervinių tinklų ir kitų kūno sistemų darbas.
Be to, kad šios „kalbos“gramatika savaime yra sudėtinga, ji gali skirtis skirtingose nervų ląstelių porose. Padėtį apsunkina tai, kad bendravimo taisyklės, taip pat ląstelių funkcijos ir santykiai tarp jų yra labai dinamiškos ir nuolat keičiasi veikiant naujiems įvykiams ir sąlygoms. Tai eksponentiškai padidina informacijos, į kurią reikia atsižvelgti, kiekį.
Duomenys, visiškai apibūdinantys smegenų veiklą, tiesiog nugriaus algoritmą, kuris įsipareigoja ją išanalizuoti. Todėl ketinimų, prisiminimų, judesių iššifravimas yra praktiškai neišsprendžiama užduotis.
Antra kliūtis yra ta, kad mes nelabai žinome apie pačias smegenų funkcijas, kurias bandome aptikti. Kas yra atmintis ar vaizdinis vaizdas, iš ko jie sudaryti? Neurofiziologija ir psichologija ilgą laiką bandė atsakyti į šiuos klausimus, tačiau kol kas tyrimų pažanga nedidelė.
Paprasčiausios funkcijos, tokios kaip motorinė ir sensorinė funkcijos, turi pranašumą šia prasme, nes jos geriau suprantamos. Todėl šiuo metu turimos nervinės sąsajos daugiausia sąveikauja su jomis.
Jie geba atpažinti lytėjimo pojūčius, įsivaizduojamą galūnių judesį, reagavimą į regos stimuliavimą ir paprastas reakcijas į aplinkos įvykius, tokius kaip atsakas į klaidą ar laukto dirgiklio ir tikrojo neatitikimą. Tačiau didesnis nervų aktyvumas šiandien išlieka didele paslaptimi.
Abipusis ryšys
Iki šiol mes aptarėme tik informacijos vienpusio skaitymo situaciją be jokios atgalinės įtakos. Tačiau šiandien jau yra sukurta signalų perdavimo iš kompiuterio į smegenis technologija - CBI (kompiuterio ir smegenų sąsaja). Tai neuro sąsajos komunikacijos kanalą padaro dvipusį.
Informacija (pavyzdžiui, garso, lytėjimo pojūčiai ir netgi duomenys apie smegenų funkcionavimą) patenka į kompiuterį, analizuojama ir, stimuliuojant centrinės ar periferinės nervų sistemos ląsteles, perduodama į smegenis. Visa tai gali įvykti visiškai apeinant natūralius suvokimo organus ir sėkmingai naudojama jiems pakeisti.
Pasak Aleksandro Kaplano, šiuo metu nebėra teorinių apribojimų aprūpinti žmogų dirbtiniais jutimo „organais“, sujungtais tiesiogiai su smegenų struktūromis. Negana to, jie aktyviai įtraukiami į kasdienį žmogaus gyvenimą, pavyzdžiui, norint pakeisti sutrikusius gamtos jutimo organus.
Žmonėms, turintiems klausos negalią, jau tiekiami vadinamieji kochleariniai implantai: mikroschemos, sujungiančios mikrofoną su klausos receptoriais. Pradėti tinklainės implantų bandymai atkuriant regėjimą.
Anot Kaplano, nėra jokių techninių apribojimų prijungti prie smegenų kitus jutiklius, kurie reaguoja į ultragarsą, radioaktyvumo, greičio ar slėgio pokyčius.
Problema ta, kad šios technologijos turi būti visiškai pagrįstos mūsų žiniomis apie smegenų darbą. Kurios, kaip jau sužinojome, yra gana ribotos.
Vienintelis būdas išspręsti šią problemą, pasak Kaplano, yra sukurti iš esmės naują komunikacijos kanalą, turintį savo bendravimo kalbą, ir išmokyti ne tik kompiuterį, bet ir smegenis atpažinti naujus signalus.
Tokie pokyčiai jau prasidėjo. Pavyzdžiui, Johnsono Hopkinso universiteto taikomosios fizikos laboratorijoje prieš keletą metų jie išbandė bioninę ranką, galinčią perduoti lytėjimo informaciją smegenims.
Palietę dirbtinės rankos jutiklius, elektrodai stimuliuoja periferinės nervų sistemos kelius, kurie vėliau perduoda signalą į jutimo smegenų sritis. Žmogus išmoksta atpažinti gaunamus signalus kaip skirtingus prisilietimo tipus. Taigi, užuot bandę atkartoti taktilinę signalų sistemą, kuri yra natūralu žmonėms, sukuriamas naujas bendravimo kanalas ir kalba.
Tačiau šį vystymosi kelią riboja naujų kanalų, kuriuos galime sukurti, skaičius ir tai, kiek jie bus informatyvūs smegenims, sako Aleksandras Kaplanas.
Ateitis įtempta
Kaplanas mano, kad šiuo metu nėra naujo būdo plėtoti neuro sąsajų technologijas. Anot jo, pati sąsajos tarp smegenų ir kompiuterio galimybė buvo rasta praėjusio amžiaus aštuntajame dešimtmetyje, o smegenų principai, kuriais grindžiami šiandienos pokyčiai, buvo aprašyti prieš trisdešimt metų, ir nuo tada naujos idėjos praktiškai neatsirado.
Pvz., Dabar plačiai naudojamas P300 potencialas buvo atrastas septintajame dešimtmetyje, motoriniai vaizdai - devintajame – devintajame dešimtmečiuose, o nesutapimas neigiamumo - aštuntajame dešimtmetyje).
Kartą mokslininkai tikėjosi, kad jiems pavyks užmegzti glaudesnį informacinį kontaktą tarp smegenų ir procesoriaus technologijų, tačiau šiandien tapo aišku, kad jie nepasiteisino.
Tačiau, pasak Kaplano, tapo aišku, kad neuro sąsajos gali būti įdiegtos medicinos reikmėms. Anot mokslininko, dabar neurointerpso plėtra daugiausia vyksta diegiant technologijas į klinikinę sferą.
Kartą mokslininkai tikėjosi, kad jiems pavyks užmegzti glaudesnį informacinį kontaktą tarp smegenų ir procesoriaus technologijų, tačiau šiandien tapo aišku, kad jie nepasiteisino.
Tačiau, pasak Kaplano, tapo aišku, kad neuro sąsajos gali būti įdiegtos medicinos reikmėms. Anot mokslininko, dabar neurointerpso plėtra daugiausia vyksta diegiant technologijas į klinikinę sferą.
Tačiau dėl smegenų tyrimų ir technologijos pažangos šiuolaikinės neuro sąsajos yra pajėgios to, kas kažkada atrodė neįmanoma. Mes tiksliai nežinome, kas nutiks po 30, 50 ar 100 metų. Mokslo istorikas Tomas Kuhnas iškėlė mintį, kad mokslo raida yra ciklas: sąstingio laikotarpius keičia paradigminiai poslinkiai ir po jų sekamos mokslo revoliucijos. Visiškai įmanoma, kad ateityje įvyks revoliucija, kuri ištrauks smegenis iš juodosios dėžės. Ir ji ateis iš netikėčiausios pusės.
Marija Ermolova