Cybernetics Wiki
Advertisement
Файл:InterfaceNeuronaleDirecte-fr.svg

Пример управления с помощью однонаправленного нейро-компьютерный интерфейса

Нейро-компьютерный интерфейс (называемый также прямой нейронный интерфейс или мозговой интерфейс) — физический интерфейс приёма или передачи сигналов между живыми нейронами биологического организма (например, мозгом животного) с одной стороны, и электронным устройством (например, компьютером) с другой стороны. В однонаправленных интерфейсах, устройства могут либо принимать сигналы от мозга, либо посылать ему сигналы (например, имитируя сетчатку глаза при восстановлении зрения электронным имплантантом). Двунаправленные интерфейсы позволяют мозгу и внешним устройствам обмениваться информацией в обоих направлениях.

Исследование нейро-компьютерного интерфейса начались в 1970-х годах, но до середины 1990-х годов не существовало работающей экспериментальной модели имплантанта в теле человека. После многолетних экспериментов с животными созданы работающие в организме человека имплантанты, созданные, чтобы восстановить поврежденные слуховые, зрительные и двигательные функции. Главной нитью исследований является использование удивительной пластичности коры головного мозга, которая успешно адаптируется к НКИ, рассматривая искусственные имплантанты как биологические части себя. Использую последние достижения в области технологий и новейшие знания, исследователи – первопроходцы могут теперь сделать попытку создать НКИ, которые преумножают возможности человека, а не просто восстанавливают утраченные. Раньше подобное было предметом научной фантастики.

Попытки создания[]

В нейрохирургическом центре в Кливленде в 2004 году был создан первый искусственный силиконовый чип – аналог гиппокампа, который в свою очередь был разработан в университете Южной Калифорнии в 2003 году. Силикон обладает возможность соединять неживую материю с живыми нейронами, а окруженные нейронами транзисторы получают сигналы от нервных клеток, одновременно конденсаторы отсылают к ним сигналы. Каждый транзистор на чипе улавливает малейшее, едва заметное изменение электрического заряда, которое происходит при «выстреле» нейрона в процессе передачи заряженных ионов натрия. Новая микросхема способна получать импульсы от 16 000 мозговых нейронов биологического происхождения и посылать обратно сигналы к нескольким сотням клеток. Так как при производстве чипа нейроны были выделены из окружающих их глиальных клеток, то пришлось добавить протеины, которые «склеивают» нейроны в мозге, также образуя дополнительные натриевые каналы. Увеличение числа натриевых каналов повышает шансы на то, что транспорт ионов преобразуется в электрические сигналы в чипе. Эта технология является первым шагом к будущему симбиозу мозга и компьютера. Необходимо и далее идти по пути усложнения подобных чипов, так как только создание подобных чипов способно будет в будущем помочь узнать всё о мозге.

НКИ и нейропротезирование[]

Нейропротезитрование – область неврологии, занимающаяся невральными протезами, созданными с помощью искусственных устройств, для восстановления нарушенных функций нервной системы или сенсорных органов. Наиболее частоиспользуемым нейроимплантатом является кохлеарный имплантат, которым пользутся около 100 000 человек по всему миру (по данным на 2006 год).Существуют также нейропротезы для восстановления зрения, например, имплантаты сетчатки. Разница между НКИ и нейропротезами заключается восновном в способах их использования: нецропротезы чаще всего «подключают» нервную систему к устройству, в то время как НКИ обычно соединяет мозг (или нервную систему) с компьютерной системой. На практике нейропротез может быть подсоединен к любой части нервной системы, например, к периферическим нервам, а НКИ представляет собой более узкий класс систем, которые взаимодействуют с центральной нервной системой. Эти термины иногда используются как взаимозаменяемые, и не без причины. Нейропротезы и НКИ нацелены на решение одних и тех же задач, таких как, например, восстановление зрения, слуха, двигательной способности, способности общаться, и даже когнитивные функции. Оба используют аналогичные экспериментальные методы и хирургические техники.

РАБОТЫ...[]

Нескольким лабораториям удалось записать сигналы от коры головного мозга обезьяны и крысы для управления НКИ при движении. Обезьяны управляли курсором на экране компьютера и давали команды на выполнения простейших действий роботам, имитирующим руку, мысленно и без каких-либо движений. Другие ислледования с участием кошек были посвящены расшифровке визуальных сигналов.

Исследовательские работы[]

Исследования, в результате которых были разработаны алгоритмы для реконструкции движений из сигналов нейронов моторной зоны коры головного мозга, которые контролируют двигательные функции, датируются 1970-ми годами. Исследовательские группы, возглавлявшиеся Шмидтом, Фетзом и Бейкером в 1970-х установили, что обезьяны могут быстро обучаться избирательно контролировать скорость реакции отдельных нейронов в первичной двигательной коре головного мозга используя замкнутое позиционирование операций, обучающий метод наказания и наград. В 1980-х Апостолос Георгопоулос из Университета Хопкинса обнаружил математическую зависимость между электрическими ответами отдельных нейронов коры головного мозга у макак резус и направлением, в котором макаки двигали свои конечности (на основе функции косинуса). Он также обнаружил, что разные группы нейронов в различных областях головного мозга совместно контролировали двигательные команды, но были способны регистрировать электрические сигналы от возбужденных нейронов только в одной области одновременно из-за технических ограничений, налагаемых его оборудованием. С середины 1990-х годов началось быстрое развитие НКИ. Нескольким группам ученых удалось зафиксировать сигналы двигательного центра мозга используя записи сигналов от групп нейронов, а также использовать эти сигналы для управления внешними устройствами. Среди них можно нахвать группы, возглавлявшиеся Ричардом Андерсеном, Джоном Донахью, Филиппом Кеннеди, Мигелем Николесисом, Эндрю Шварцо

Филлип Кеннеди[]

Филлип Кеннеди и его коллеги создали первый НКИ путем имплантации нейротрофических электродов в кору головного мозга обезьяны. Записи зрительной активности кота, сделаны Яном Дэном и его исследовательской группой, сделанные с помощью НКИ, имплантированного в латеральное коленчатое тело. В 1999 году исследователи под руководством Яна Дэна из Университета Калифорнии расшифровали сигналы нейронов для воспроизведения картинок, которые видели кошки. Команда использовала набор электродов, вживленных в таламус ( который контролирует все входящие сенсорные сигналы) остроглазой кошки. Исследователи обнаружили 177 клеток мозга в латеральном коленчатом теле в таламусе, которые расшифровывают приходящие от сетчатки сигналы. Кошкам демонстрировали восемь коротких фильмов и в это время записывались сигналы их нейронов. Используя математические фильтры, исследователи расшифровали сигналы для воспроизведения образов, которые видели кошки и были способны воспроизвести узнаваемые сцены и двигающиеся объекты. Схожие результаты были получены у людей исследователями из Японии. Мигель Николесис был видным сторонником использования нескольких электродов, разбросанных на большей области головного мозга для получения нервных импульсов для управления НКИ. Такие нейронные группы , как утверждается, уменьшают дисперсию выходного сигнала отдельных электродов, которая может сделать затруднительным управление НКИ. После проведения первоначальных исследований на крысах в течение 1990-х годов, Nicolelis и его коллеги разработали НКИ который декодировал активность мозга обезьян и использовал это устройство для управления обезьяной движениями оружия робота. Обезьяны имеют развитые двигательные функции и хорошие манипуляционные навыки, что делает их идеальными испытуемыми для такого рода работы. К 2000 году группа успешно создает НКИ который воспроизводит движения обезьяны в то время как обезьяна действует джойстиком или тянется за едой. НКИ работает в режиме реального времени и может контролировать робота дистанционно через Интернет. Но обезьяна не могла видеть движущиеся руки и не получила какой-либо обратной связи. Схема с BCI разработанная Мигель Николесисом и коллегами, для использования на резус макаках

Позднее опыт Николесиса в использовании резус обезьян был использован при достижения понимания движений робота, моделирующего движения человеческой руки. Обезьяны были обучены указать на объекты на экране компьютера, манипулируя джойстиком, хотя соответствующие движений робота руки были скрыты. А новый "беспроводной" подход использует ионные каналы, такие, как Channelrhodopsin для контроля за деятельностью генетически определенных подмножеств нейронов в живом организме. В контексте простого обучения освещения трансфекции клеток Соматосенсорной коры влияет на процесс принятия решений свободно движущихся мышей.

См.также[]

  • импланты
  • киборг
  • Mindball
  • Neural Impulse Actuator
Advertisement