Neuroszámítógép interfész

A neurocomputer interface (NCI) (más néven közvetlen neurális interfész , agyi interfész , agy-számítógép interfész [1] ) egy olyan rendszer, amelyet [2] az agy és egy elektronikus eszköz (például számítógép ) közötti információcserére hoztak létre . Az egyirányú interfészeken a külső eszközök vagy jeleket fogadhatnak az agyból, vagy jeleket küldhetnek oda (például a szem retináját szimulálják, amikor a látást elektronikus implantátummal állítják helyre). A kétirányú interfészek lehetővé teszik az agy és a külső eszközök számára, hogy mindkét irányban információt cseréljenek. Az agy-számítógép interfész alapja gyakran a biofeedback módszer .

Háttér

Az ember-számítógép szimbiózis lehetőségével még 1960-ban foglalkozott a DARPA ügynökség kutatója , aki úgy vélte, hogy eleinte a kiterjesztett intelligencia felülmúlja a teljesen mesterséges intelligenciát [3] .

A neuro-számítógép interfész alapjainak tanulmányozása IP Pavlov feltételes reflexekről és a kéreg szabályozó szerepéről szóló tanításában gyökerezik. Ezeket az elképzeléseket kidolgozva P. K. Anokhin 1935 óta kimutatta, hogy a visszacsatolási elv döntő szerepet játszik az ember magasabb adaptív reakcióinak és belső környezetének szabályozásában. Vannak N. P. Bekhtereva művei 1968 és 2008 között  . a mentális tevékenység agyi kódjainak megfejtéséről, követői a mai napig folytatták, többek között a neurokibernetika és a szemészeti-eurokibernetika szemszögéből.

A neuro-számítógép interfész kutatása az 1970 -es években kezdődött a Los Angeles-i Kaliforniai Egyetemen ( UCLA ). A kilencvenes évek közepén sok éven át tartó állatokon végzett kísérletek után az első olyan eszközöket ültették be az emberi szervezetbe, amelyek képesek voltak biológiai információkat továbbítani az emberi testből a számítógépbe. Ezen eszközök segítségével sikerült helyreállítani a hallás, látás károsodott funkcióit, valamint az elveszett motoros képességeket. Az NCI sikeres működésének alapja az agykéreg adaptációs képessége (a plaszticitás tulajdonsága), melynek köszönhetően a beültetett eszköz biológiai információforrásként szolgálhat.

Létrehozási kísérletek

2004 - ben a Cleveland Neurosurgiai Központban létrehozták az első mesterséges szilícium chipet – a hippokampusz analógját , amelyet viszont a Dél-Kaliforniai Egyetemen fejlesztettek ki 2003 -ban . A szilícium képes összekapcsolni az élettelen anyagot az élő neuronokkal, a neuronokkal körülvett tranzisztorok pedig jeleket kapnak az idegsejtektől, míg a kondenzátorok jeleket küldenek nekik. A chip minden tranzisztorja felveszi a legkisebb, finom változást az elektromos töltésben, amely akkor következik be, amikor egy neuron "tüzel" a nátriumionok átvitele során.

Az új mikroáramkör 16 ezer biológiai eredetű agyi neurontól képes impulzusokat fogadni, és jeleket küldeni több száz sejtnek. Mivel a chip előállítása során neuronokat izoláltak a környező gliasejtekből, olyan fehérjéket kellett hozzáadni, amelyek az agy neuronjait „megragasztják”, további nátriumcsatornákat is képezve. A nátriumcsatornák számának növelése növeli annak esélyét, hogy az iontranszport elektromos jelekké alakul a chipen.

NCI és neuroprotetika

A neuroprotézis  a neurológia olyan területe, amely az idegrendszer vagy az érzékszervek károsodott funkcióinak helyreállítására szolgáló mesterséges eszközök ( neuroprotézisek vagy neuroimplantátumok) létrehozásával és beültetésével foglalkozik. A leggyakrabban használt cochlearis neuroimplantátum , amelyet körülbelül 100 000 ember használ világszerte (2006-tól). Vannak neuroprotézisek is a látás helyreállítására, például retina implantátumok. A Gennaris bionikus látórendszer egy beültetett eszköznek köszönhetően megkerüli a sérült látóidegeket, lehetővé téve a jelek továbbítását az agy látóközpontjába.

A fő különbség a BCI és a neuroprotézis között az alkalmazásuk sajátosságaiban rejlik: a neuroprotézisek leggyakrabban az idegrendszert „kötik össze” egy beültetett eszközzel, míg a BCI az agyat (vagy idegrendszert) egy számítógépes rendszerrel. A gyakorlatban a neuroprotézis az idegrendszer bármely részéhez köthető, például a perifériás idegekhez, míg az NCI a központi idegrendszerrel kölcsönhatásba lépő rendszerek szűkebb osztálya. A neuroprotetika és az NCI kifejezések felcserélhetően használhatók, mivel mindkét megközelítésnek ugyanaz a célja - a látás, a hallás, a motoros képességek, a kommunikációs képesség és más kognitív funkciók helyreállítása. Ezenkívül mindkét megközelítés hasonló kísérleti technikákat alkalmaz, beleértve a műtétet is.

NCI-k állatkísérlete

Számos laboratóriumnak sikerült rögzítenie a majmok és patkányok agykéregéből érkező jeleket, hogy mozgás közben irányítsa az NCI-t. A majmok irányították a kurzort a számítógép képernyőjén, és parancsot adtak a legegyszerűbb műveletek végrehajtására a kezet utánzó robotoknak, mentálisan és mozdulatok nélkül. Más, macskákkal végzett tanulmányok a vizuális jelek megfejtésére összpontosítottak.

Korai munka

Az 1970 -es évekre nyúlik vissza az a kutatás, amelynek eredményeként algoritmusokat dolgoztak ki a mozgások rekonstrukciójára a motoros kéregben lévő, a motoros funkciókat szabályozó neuronok jelei alapján . A Schmidt, Fetz és Baker által vezetett kutatócsoportok az 1970 -es években azt találták, hogy a majmok gyorsan megtanulják szelektíven szabályozni az elsődleges motoros kéreg egyes neuronjainak válaszarányát hurkos pozicionálási műveletek, a büntetés és jutalom tanulási módszerével.

Az 1980 -as években Apostolos Georgopoulos, a Hopkins Egyetem kutatója matematikai összefüggést fedezett fel a rhesusmajmok egyes agykérgi neuronjainak elektromos válaszai és a majmok végtagjaik mozgatásának iránya között (a koszinuszfüggvény alapján ). Azt is megállapította, hogy az agy különböző területein lévő neuronok különböző csoportjai közösen irányítják a motoros parancsokat, de a berendezése által támasztott technikai korlátok miatt egyszerre csak egy területen voltak képesek a gerjesztett neuronok elektromos jeleit regisztrálni.

Az 1990-es évek közepe óta megkezdődött az NCI gyors fejlődése. Több tudóscsoportnak sikerült rögzítenie az agy motoros központjának jeleit neuroncsoportok jeleinek rögzítésével, és ezeket a jeleket külső eszközök vezérlésére is felhasználta. Köztük vannak Richard Andersen, John Donahue, Philip Kennedy, Miguel Nicolelis , Andrew Schwartz által vezetett csoportok.

Exocortex

Az Exocortex ( ógörögül ἔξω [exō]  - kívül, kívül; lat.  cortex  - kéreg) egy külső információfeldolgozó rendszer, amely segít az intelligencia fokozásában [4] , vagy az agykéreg neuroprotéziseként működik [5] . Ha az "exocortex" kifejezést tágan értelmezzük, akkor azt mondhatjuk, hogy funkcióit már az internet , okostelefonok [6] , különféle kütyük látják el, története pedig az írás feltalálásával kezdődött [7] .

Az ember-számítógép szimbiózis lehetőségével még 1960-ban foglalkozott a DARPA ügynökség kutatója , aki úgy vélte, hogy eleinte a kiterjesztett intelligencia felülmúlja a teljesen mesterséges intelligenciát [3] .

A biomérnökség fejlődése az exocortex megjelenéséhez vezethet : az agy-számítógép interfész, az idegek és a receptorok funkcióit helyreállító eszközök; idegtudomány : neuromorf processzorok ; számítógépes idegtudomány : mentális folyamatokat emuláló szoftver .

Az ilyen eszközöket beültetett embereket kiborgoknak [8] vagy poszthumánoknak nevezhetjük . Az elektromos stimuláció [9] elvein alapuló hangulatmodulátorok piacra készülnek , de visszacsatolás hiányában csak a TES terápia eszközeinek tekinthetők .

Egy másik személy agya használható exocortexként [10] . Finn kutatók úgy vélik, hogy az exokortex nemcsak az emberi tudat számítógépre való letöltésére adhat lehetőséget , hanem több emberi szervezet tudatának egyesítésére is [11] .

Kutatási eredmények

Az első NCI-t Phillip Kennedy és munkatársai alkották meg majmok agykéregébe ültetett elektródák segítségével. 1999-ben Yang Deng, a Kaliforniai Egyetem kutatói megfejtették a macska látórendszerében lévő neuronok jeleit, és az adatok segítségével reprodukálták a kísérleti állatok által észlelt képeket. Ezekben a kísérletekben a talamuszba ültetett elektródákat alkalmaztak ( a középagy szerkezete , amely minden érzékszervből szenzoros jeleket továbbít a kéregbe). Segítségükkel 177 sejtet vizsgáltak meg a talamusz oldalsó geniculate testében , és dekódolták a retinából érkező jeleket. A macskáknak nyolc rövidfilmet mutattak be, amelyek során rögzítették a neuronális aktivitást. A kutatók matematikai szűrők segítségével megfejtették a jeleket, hogy olyan képeket reprodukáljanak, amelyeket a macskák láttak, és képesek voltak felismerhető jeleneteket és mozgó tárgyakat reprodukálni. Embereknél hasonló eredményeket értek el japán kutatók.

Az NCI-szabályozás hatékonyságának javítása érdekében Miguel Nicolesis az elektromos aktivitás egyidejű regisztrálását javasolta több, az agy távoli területeire beültetett elektródával. Az első, patkányokon végzett vizsgálatokat, amelyeket Nicolelis és munkatársai végeztek az 1990-es években, hasonló kísérletek követték majmokon. Ennek eredményeként létrejött egy NCI, melynek segítségével a majmok idegsejtjeinek jeleit dekódolták, és a robot mozgását irányították. A majmok bizonyultak ideális alanynak az ilyen jellegű munkákhoz, mivel jól fejlett motoros és manipulációs készségekkel, és ennek megfelelően fejlett agyi struktúrákkal rendelkeznek, amelyek felelősek a motoros funkciók végrehajtásáért. 2000-re Nicolelis csoportja létrehozott egy NCI-t, amely szimulálta a majmok mellső végtagjainak mozgását a joystick manipulálása vagy a táplálék befogása során. Ez a rendszer valós időben működött, és a robot mozgásának távvezérlésére szolgált internetkapcsolaton keresztül. Ugyanakkor a majomnak nem volt lehetősége látni saját végtagjai mozgását, és nem kapott más információt a visszajelzéshez.

Később Nicolesis csoportja a rhesusmajmokkal végzett kísérletek eredményeit felhasználva olyan robotmozgás-algoritmust alkotott, amely utánozza az emberi kéz mozgását. A robot mozgásának szabályozására a majmok dekódolás utáni idegi aktivitásának rögzítésével nyert információkat használtuk fel. A majmokat arra tanították, hogy a számítógép képernyőjén lévő tárgyakra mutassanak egy joystick segítségével. A kezelőmajmok végtagjainak mozgását a robot mozdulatai reprodukálták.

2009 óta működik Oroszországban a NeuroG projekt , amelynek célja univerzális algoritmusok létrehozása a vizuális képek ember általi felismerésére. 2011. április 25-én a NeuroG projekt lebonyolította a világon elsőként a képzeletbeli mintafelismeréssel kapcsolatos kísérletet a Moszkvai Politechnikai Múzeumban . [12]

2015. július 9-én az orosz " United Instrument-Making Corporation " megkezdte egy nem invazív "agy-számítógép" neurális interfész tesztelését, amely lehetővé teszi a gondolat erejét a biológiai robotizált exoprotézisek irányításához. Jelenleg a neurális interfész tesztelése folyik. Ezek elkészülte után döntenek a robotizált exoprotézisek sorozatgyártásáról. A sajtószolgálat szerint a protézisek kísérleti sorozatgyártását 2016-ban kellett volna elkezdeni [13] .

A kézprotézisek visszacsatolása többféleképpen valósul meg: invazív módszerekkel, beültetett idegi interfészekkel, valamint vibro- vagy mechano-taktilis visszacsatolással [14] . 2019-ben a páciens agyába ültetett intrakortikális szenzorok alapján egy visszacsatolásos dupla protéziskezet teszteltek. [tizenöt]

Lásd még

• Neuronet
• Agy-számítógép interfészek összehasonlítása
• Neuroimaging
• exocortex
• Implantátum bénult végtagokra

Jegyzetek

1. ↑ Az akadémiai kutatók az " agy-számítógép interfész " kifejezést használják, mivel a "neuroszámítógép" kifejezést a számítástechnikai rendszerek sajátos architektúráján alapuló technológiák nagy csoportjához rendelik, J. Wolpaw, J. Donoghue, Birbaumer , 
2. ↑ Kutatók bemutatják a gondolat által irányított kurzort - Idegtudomány - Tudományos hírek . Hozzáférés dátuma: 2011. május 19. Az eredetiből archiválva : 2013. október 4. (határozatlan)
3. ↑ 1 2 Man-Computer Symbiosis archiválva : 2011. május 12., a Wayback Machine JCR Licklider IRE Transactions on Human Factors in Electronics, HFE-1 kötet, 4-11. oldal, 1960. március
4. ↑ Filozófiai tudományok, 1-4. szám;  Higher School., 2008; 103. oldal
5. ↑ Exocortex 2016. november 20-i archív másolat a Wayback Machine -n  - Egy hipotetikus eszköz, amely így vagy úgy kapcsolódik az emberhez, és az agykéreg funkcióihoz hasonló funkciókat lát el: vagyis magasabb idegi aktivitást imitál. Feltételezhetően protézisre vagy az "elme fejlesztésére" használható eszközként
6. ↑ Simola – The Roving Mind: Modern Approach to Cognitive Enhancement&dq=exocortex  The Roving Mind: A Modern Approach to Cognitive Enhancement, ST Press, 2015; ISBN 069240905X , ISBN 9780692409053
7. ↑ Intelligencia korlátozás nélkül: The Future of Uploaded and Machine Minds  szerkesztők Russell Blackford, Damien Broderick, John Wiley & Sons, 2014; ISBN 1118736451 , ISBN 9781118736456
8. ↑ Az emberi faj, 2.0 -s verzió (2006. március 20.). Archiválva az eredetiből 2007. július 27-én. (határozatlan)
9. ↑ MEDTECH BOSTON – A Thync tesztelése: Nyugtató, energetizáló személyes agymodulátor . Letöltve: 2019. június 16. Az eredetiből archiválva : 2015. július 24. (határozatlan)
10. ↑ A KUTATÓ ELLENŐRIZI A KOLLÉGÁK MOZGÁSAIT AZ ELSŐ NONINVAZÍV EMBER-EMBER AGY INTERFÉSZEN (VIDEO) Archiválva : 2016. április 23., a Wayback Machine , a Washingtoni Egyetem kutatóitól származó információk alapján: "Egy kutató képes agyi jelet küldeni az interneten keresztül a egy kutatótárs kézmozdulatai”.
11. ↑ KAJ SOTALA, HARRI VALPOLA - AZ ELMEK ÖSSZEFOGLALÁSA: AGYFELTÖLTÉSHEZ KAPCSOLATOS CSOPORTOS ELMÉLETI FORGATÓKÖNYVEK Archiválva : 2017. október 28., a Wayback Machine , 2012; International Journal of Machine Consciousness
12. ↑ Enikeeva, Alfiya "Orosz tudósok megtanítják a számítógépet gondolatolvasásra" Archív példány 2014. március 10-én a Wayback Machine , Science and Technology of Russia oldalán, letöltve: 2011.7.24.
13. ↑ Az OPK "Rostec" megkezdte a robotprotézisek idegi interfészének tesztelését . Letöltve: 2015. augusztus 26. Az eredetiből archiválva : 2015. szeptember 9.. (határozatlan)
14. ↑ Ulrika, Wijk, Ingela K., Carlsson, Christian, Antfolk, Anders, Björkman, Birgitta, Rosen. Érzékszervi visszacsatolás a kézprotézisekben: A mindennapi használat jövőbeli vizsgálata  //  Frontiers in Neuroscience. - 2020. - T. 14 . — ISSN 1662-453X . - doi : 10.3389/fnins.2020.00663 . Archiválva az eredetiből 2021. június 24-én.
15. ↑ Két protézis kéz "gondolat erejével" egyszerre: visszajelzéssel . Neuronovosti (2019. október 19.). Letöltve: 2021. július 1. Az eredetiből archiválva : 2021. július 9. (Orosz)

Irodalom

• Anokhin PK A centrum és a periféria problémája az idegrendszer modern fiziológiájában // A centrum és a periféria problémája a magasabb idegi aktivitásban. Gorkij, 1935, p. 9-70.
• Anokhin P.K., Shumilina A.I., Anokhina A.P. és munkatársai Funkcionális rendszer, mint az idegi folyamatok integrációjának alapja az embriogenezisben. A Szovjetunió V. Élettani Kongresszusának anyaga. 1937, 148-156.
• Bekhtereva NP Az emberi mentális tevékenység neurofiziológiai vonatkozásai. M .: Medicine, 1971, - 120 p., Oxford Univ. Press (USA), 1978.
• Bekhtereva N. P. A mentális tevékenység agyi kódjai / Bekhtereva N. P., Budzen P. V., Gogolitsyn Yu. L. - L .: Nauka, 1977. - 165 p.
• Bekhtereva N. P., Nagornova Zh. V. Az EEG koherenciájának dinamikája a non-verbális (figuratív) kreativitás feladatainak végrehajtása során // Human Physiology, 2007, 33. évf., 5. szám, p. 5-11.
• Ivanitsky A. M. A tudat és az agy // A tudomány világában, 2005, 11. sz., p. 3-11.
• Ivanitsky A. M., Naumov R. A., Roik A. O. Hogyan határozzuk meg, mit csinál az agy elektromos potenciáljai alapján? Stabil EEG-minták kognitív feladatok végrehajtása során // A mesterséges intelligencia kérdései, 2008, 1. sz. 93-102.
• Ivanitsky G. A. Nikolaev A. R., Ivanitsky A. M. Mesterséges neurális hálózatok használata a mentális műveletek típusának EEG-felismerésére // Aerospace and Ecological Medicine, 1997, 31. v., p. 23-28.
• Petrunin Yu. Yu., Ryazanov MA, Saveliev AV A mesterséges intelligencia filozófiája az idegtudomány fogalmaiban. (Tudományos monográfia), M.: MAKS Press, 2010, ISBN 978-5-317-03251-7 .
• Savelyev A. V. A funkcionális rendszerek elméletének ontológiai kiterjesztése // Journal of Problems of the Evolution of Open Systems, Kazahstan, Almaty, 2005, No. 1(7), p. 86-94.
• Savelieva-Novosyolova N.A., Savelyev A.V. Az ophthalmoneurocybernetika alapelvei // A „Mesterséges intelligencia” gyűjteményben. Intelligens rendszerek”, Donyeck-Taganrog-Minszk, 2009, p. 117-120.
• Shemyakina N.V., Danko S.G., Nagornova Zh.V., Starchenko M.G., Bekhtereva N.P. Az EEG dinamikus összetevőinek dinamikája és koherenciája a sztereotípia leküzdésének verbális kreatív feladatának megoldásában // Human Physiology, 2007, 33. kötet, no. 5. o. 14-21.
• Bechtereva NP, Gretchin VB A mentális tevékenység élettani alapjai. Intern. Rev. Neurobiol. Academic Press, NY-London, 1968, 11. kötet, 239-246.
• Miyawaki Y. , Decoding the Mind's Eye – Visual Image Reconstruction from Human Brain Activity with a Combination of Multiscale Local Image Decoders , Neuron (Elsevier, Cell Press) 60 (5) (2008. december 10.): 915-929,
• Santhanam G., Ryu SI, Yu BM, Afshar A. és Shenoy KV , A nagy teljesítményű agy-számítógép interfész , Nature Letters, 442. kötet (2006. július 13.), 195-198.
• Savelyev AV Neurotechnogenesis – egy szocio-technológiai stratégia és a jövő technológiai filozófiája  // The XXII World Congress of Philosophy, Szöul, Korea. - 2008. - 48. sz. szakasz . - S. 1057 .  (nem elérhető link)
• Vidal J. , Toward Direct Brain-Computer Communication , Annual Review of Biophysics and Bioengineering, LJ Mullins, Edit., Annual Reviews, Inc., Palo Alto, Vol. 2, 1973, pp. 157-180.
• Vidal J. , Real-Time Detection of Brain Events in EEG , in IEEE Proceedings, May 1977, 65-5:633-641.
• Wolpaw JR, McFarland DJ, Neat GW, Forneris CA , EEG-alapú agy-számítógép interfész kurzorvezérléshez. Elektroencephalográfia és klinikai neurofiziológia. 78. kötet (3), 1991. március, 252-259.
• Wolpaw JR, Birbaumer N., Heetderks WJ, McFarland DJ, Peckham PH, Schalk G., Donchin E., Quatrano LA, Robinson CJ és Vaughan TM , Brain-Computer Interface Technology: A Review of the First International Meeting , IEEE TRANSACTIONS A REHABILITÁCIÓS MÉRNÖKSÉGRŐL, KÖT. 8, NEM. 2, 2000. JÚNIUS, 164-173.

Javasolt olvasmány

• Karpov M. Agy-számítógép interfészek . Vaszilij Kljucharev pszichológus előadása arról, hogy a neurotechnológiák hogyan homályosítják el a határokat egy személy és a környezet között . Lenta.ru (2015. április 4.) . Hozzáférés időpontja: 2015. szeptember 14. (határozatlan)

Linkek

• Lomonoszov Moszkvai Állami Egyetem Neurofiziológiai és Neuro-Számítógépes Interfészek Laboratóriuma, Biológiai Kar M. V. Lomonoszov
• agyi interfészek
• Gépelés neuro-számítógép interfésszel (videó)
• Neuro-számítógép interfész
• Akaratom szerint... Berlini neuro-számítógép interfész
• Egy kiborg születése
• Agy-számítógép interfész: adatvédelmi problémák és egyéb problémák / TECHSLANG, frissítve 2020. június 26-án