Нейрокомп'ютерний інтерфейс: принцип роботи, сфери застосування, плюси і мінуси

Поступово в наше життя входить багато нового. Розвиток техніки не стоїть на місці, і завтра може бути можливо те, про що вчора ми не наважувалися мріяти. Нейрокомп`ютерний інтерфейс (НКІ) робить реальною зв`язок людського мозку з технікою, їх часткову взаємодію.

Що таке НКІ?

НКІ-це система обміну інформацією між мозком людини і електронним пристроєм. Обмін може бути двостороннім, коли електричні імпульси надходять від пристрою в мозок і назад, або одностороннім, коли інформацію отримує тільки один об`єкт. Більш простою мовою, НКІ являє собою те, що називається " управління силою думки». Дуже важливе відкриття, яке вже зараз широко використовується в багатьох сферах життя.

Як працює НКІ?

Нейрони мозку передають один одному інформацію за допомогою електричних імпульсів. Це дуже складна і заплутана мережа, яку вчені поки не можуть проаналізувати до кінця. Але за допомогою НКІ стало можливим зчитувати частину інформації імпульсів мозку і передавати її на електронні пристрої. Вони, в свою черга, можуть перетворювати імпульси в дію.

Історія вивчення НКІ

Примітно, що основою для розвитку НК-інтерфейсу стали праці російського вченого і. Е. Павлова про умовні рефлекси. Також важливу роль у вивченні НКІ зіграла його ж робота по темі регулюючої ролі кори головного мозку. Дослідження Та. Е. Павлова проходили на початку двадцятого століття в Інституті експериментальної медицини у Санкт-Петербурзі. Пізніше ідеї Павлова в напрямку НК-інтерфейсу розвинули радянський фізіолог П. До. Анохін і радянський і російський нейрофізіолог Н. Е. Бехтерева. Глобальні дослідження НКІ почалися тільки в 1970-х роках в США. Експерименти проводили на мавпах, щурах та інших тваринах. В ході досліджень вчені, що працюють з піддослідними мавпами, з`ясували, що за рухи їх кінцівок відповідають певні зони мозку. З моменту цього відкриття подальша доля НКІ була вирішена.

Електроенцефалографія (ЕЕГ)

Електроенцефалографія являє собою спосіб зчитування електронних імпульсів мозку за допомогою неінвазивного прикріплення електродів до голови людини. Неінвазивний метод-це такий метод, при якому електроди кріпляться на голову людини або тварини, без безпосереднього введення в кору мозку. Метод ЕЕГ з`явився порівняно давно і вніс великий внесок у розвиток нейрокомп`ютерного інтерфейсу. Метод ЕЕГ використовується донині, тому що він недорогий і дієвий.

Етапи НКІ

Інформація, що надходить з людського мозку, обробляється електронним пристроєм у чотири етапи:

1. Отримання сигналу.
2. Попереднє оброблення.
3. Інтерпретація та класифікація даних.
4. Виведення даних.

Перший етап

При першому етапі електроди або вводяться безпосередньо в кору головного мозку (інвазивний метод), або кріпляться на поверхню голови (неінвазивний метод). Починається процес зчитування інформації клітин головного мозку. Електроди збирають дані окремих систем нейронів, що відповідають за різні дії.

Попереднє оброблення

На другому етапі інтерфейсу "мозок-комп`ютер" відбувається попередня обробка отриманих сигналів. Пристрій витягує характеристики сигналів, щоб спростити складний склад даних, відсіяти зайву інформацію і шум, що заважають чітко виділити сигнали мозку.

Третій етап

На третьому етапі НК-інтерфейсу інформація інтерпретується з електричних імпульсів в цифровий код. Він позначає дію, сигнал до якого дав мозок. Потім отримані коди класифікуються.

Виведення даних

Виведення інформації відбувається на четвертому етапі. Оцифровані дані виводяться на з`єднане з мозком пристрій, який виконує подумки задану команду.

Нейропротезирование

Одна з головних сфер впровадження мозкового інтерфейсу – медицина. Нейронні протези покликані відновити зв`язок між мозком людини і дією його органів, замінити пошкоджені хворобою або травмою органи з подальшим відновленням функцій здоровий тіло. Особливо добре НКІ може допомогти людям з паралічем або втратою кінцівок. У використанні нейронних протезів використовується принцип роботи нейрокомп`ютерного інтерфейсу. Якщо говорити дуже спрощено, людині встановлюють протези рук або ніг, електронні імплантати від яких ведуть до області мозку, що відповідає за рух даної кінцівки. Нейропротезування пройшло багато тестування, але складність його масового використання полягає в тому, що НКІ не може повністю прочитати сигнали мозку, а управління протезами в звичайному житті поза лабораторією викликає складності. Кілька років тому в Росії хотіли налагодити виробництво нейропротезів, але до сих пір це не здійснено.

Слухові протези

Якщо протези кінцівок ще не з`явилися на масовому ринку, то кохлеарний імплантат (протез, що допомагає відновити слух) використовують досить давно. Щоб його отримати, пацієнт повинен мати виражену ступінь сенсоневральної приглухуватості (тобто такої втрати слуху, при якій порушена здатність слухового апарату приймати і аналізувати звуки). До допомоги відновлення слуху за допомогою кохлеарного імплантату вдаються тоді, коли звичайний слуховий апарат не дає очікуваних результатів. Імплантат імплантується в апарат вуха і прилеглу до нього частину голови в результаті хірургічної операції. Як і будь-який інший нейрокомп`ютерний інтерфейс, кохлеарний імплантат повинен повністю підійти власнику. Щоб навчитися ним користуватися і почати сприймати імплантат як нове вухо, пацієнту потрібно пройти довгий курс реабілітації.

Майбутнє НКІ

Останнім часом можна всюди почути і прочитати про штучний інтелект. Це означає, що мрія багатьох людей збувається-скоро наш мозок увійде в симбіоз з технікою. Безсумнівно, це буде нова ера розвитку людства. Новий рівень знань і можливостей. Завдяки інтерфейсу мозок-комп`ютер, у багатьох областях науки з`явиться велика кількість нових і важливих відкриттів. Крім використання в медичних цілях, НКІ вже може з`єднувати Користувача з пристроями віртуальної реальності. Такими, як віртуальна комп`ютерна миша, клавіатура, герої в іграх віртуальної реальності і т. д.

Управління без рук

Головним завданням нейрокомп`ютерного інтерфейсу є пошук можливості управління технікою без допомоги м`язів. Відкриття в цій області дадуть людям з паралічем кінцівок більше можливостей в пересуванні, управлінні транспортом і гаджетами. Вже зараз НКІ без проблем об`єднує мозок людини і комп`ютерний штучний інтелект. Це стало можливо завдяки глибокому вивчення принципів роботи людського мозку. Саме на їх основі складаються програми, на яких працюють НКІ і штучний інтелект.

НКІ в робототехніці

Так як вчені з`ясували, що за рух м`язів відповідальні певні зони мозку, у них відразу виникла думка про те, що людський мозок може управляти не тільки своїм тілом, але і контролювати людиноподібну машину. Зараз створюється багато різних роботизованих машин. В тому числі і гуманоїдів. Робототехніки прагнуть в своїх людиноподібних роботах повторити поведінку живих людей. Але поки програмування і штучний інтелект справляються з цим завданням трохи гірше, ніж НКІ. За допомогою НК-інтерфейсу можна управляти роботизованими кінцівками на відстані. Наприклад, в таких місцях, куди доступ людини Неможливий. Або на роботах, які вимагають ювелірної точності.

НКИ при паралічах

Безсумнівно, найбільш затребуваним є нейрокомп`ютерний інтерфейс в медицині. Управління протезами рук, ніг, контроль інвалідного візка за допомогою думки, управління інформацією в смартфонах, комп`ютерах без рук і т. д. Якщо ці нововведення стануть повсюдними, підвищиться рівень життя людей, в даний час обмежених в можливостях пересування. Мозок відразу буде передавати команди в пристрої, минаючи тіло, що допоможе людині з інвалідністю краще адаптуватися в середовищі. Але при спробах нейропротезування фахівці стикаються з деякими проблемами, яким не можуть знайти рішення по сьогоднішній день.

Плюси і мінуси нейрокомп`ютерного інтерфейсу

Незважаючи на те що плюсів у використання НК-інтерфейсу багато, мінуси в його застосуванні теж є. Плюсом у розвитку НКІ в медицині є той факт, що головний мозок людини (особливо його кора) дуже добре адаптується до змін, завдяки чому можливості НК-інтерфейсу практично безмежні. Питання стоїть тільки за розвитком і відкриттям нових технологій. Але тут виникають деякі проблеми.

Несумісність тканин організму з пристроями

По-перше, якщо вводити імплантати інвазивним способом (всередину тканин) , дуже складно домогтися їх повної сумісності з тканинами пацієнта. Ті матеріали і волокна, які повинні повністю вживитися в органічну тканину, тільки створюються.

Недосконалість техніки в порівнянні з мозком

По-друге, електроди все ж влаштовані набагато простіше, ніж нейрони мозку. Вони поки не здатні передавати і приймати всю ту інформацію, з якою нервові клітини мозку справляються з легкістю. Тому рух кінцівок здорової людини відбувається набагато швидше і точніше, ніж рух нейропротезів, а здорове вухо сприймає звуки чіткіше і правильніше, ніж вухо з кохлеарним імплантатом. Якщо наш мозок знає, яку інформацію відсівати, а яку вважати за головну, то в пристроях зі штучним інтелектом це роблять написані людиною алгоритми. Поки вони не можуть повторити складні алгоритми людського мозку.

Велика кількість змінних, які потребують контролю

Деякі наукові інститути планують в недалекому майбутньому створити не окремий нейропротез ноги або руки, а цілий екзоскелет для людей з церебральним паралічем. При такій формі протеза екзоскелет повинен отримувати інформацію не тільки з головного мозку, але і зі спинного. З таким пристроєм, підключеним до всіх важливих нервових закінчень тіла, людину можна буде назвати справжнім кіборгом. Носіння екзоскелета дозволить повністю паралізованій людині відновити здатність рухатися. Але проблема в тому, що реалізація руху-не все, що потрібно від НКІ. Екзоскелет повинен враховувати також рівновагу, координацію рухів, орієнтацію в просторі. Поки завдання одночасно здійснити всі ці команди важкоздійснювана.

Страх людей перед Новим

Неінвазивний метод установки імплантатів ефективний в лабораторних умовах, але в звичайному житті цей спосіб навряд чи зможе виправдати покладені на нього надії. Контакт при такому з`єднанні слабкий, використовують його в основному для зчитування сигналів. Тому в медицині і в нейропротезуванні, як правило, користуються хірургічним методом введення електродів в організм. Але мало хто погодиться об`єднувати своє тіло і невідому техніку. Чули про термінаторів і кіборгів з голлівудських фільмів, люди бояться прогресу і нововведень, тим більше коли вони стосуються людини безпосередньо.