Нейрокомпьютерной інтерфейс

Приклад управління за допомогою однонаправленої нейро-комп'ютерного інтерфейсу

Нейро-комп'ютерний інтерфейс (МКІ) (званий також прямий нейронний інтерфейс або мозковий інтерфейс) - система, створена [1] для обміну інформацією між мозком і електронним пристроєм (наприклад, комп'ютером). У односпрямованих інтерфейсах зовнішні пристрої можуть або приймати сигнали від мозку, або посилати йому сигнали (наприклад, імітуючи сітківку очі при відновленні зору електронним імплантатом). Двонаправлені інтерфейси дозволяють мозку і зовнішнім пристроям обмінюватися інформацією в обох напрямках. В основі нейро-комп'ютерного інтерфейсу, часто використовується метод біологічного зворотного зв'язку.

Зауваження: більш правильним серед дослідників і розробників (J. Wolpaw, J. Donoghue, Birbaumer, Nicolelis, А. Каплан (МДУ), А. Фролов, Г. Іваницький (ІВНДіНФ)) вважається термін "інтерфейс мозок-комп'ютер" (Brain- Computer Interface), так як термін "нейрокомпьютерной" закріплений за великим класом технологій, заснованих на специфічній архітектурі обчислювальних систем.

Вивчення підстав, на яких базується нейро-комп'ютерний інтерфейс, йде корінням в учення І. П. Павлова про умовні рефлекси і регулюючої ролі кори. Цей науковий напрям виникло на самому початку 20-го століття в Інституті експериментальної медицини (Санкт-Петербург). Розвиваючи ці ідеї, П. К. Анохін з 1935 р. показав, що принципом зворотного зв'язку належить вирішальна роль у регулюванні як вищих пристосувальних реакцій людини, так і його внутрішнього середовища. У результаті була розроблена теорія функціональних систем, потенціал використання якої в нейро-комп'ютерних інтерфейсах далеко не вичерпаний. Великий внесок внесли роботи Н. П. Бехтерева з 1968 по 2008 рр.. по розшифровці мозкових кодів психічної діяльності, що продовжуються до теперішнього часу її послідовниками, в тому числі, з позицій нейрокібернетики і офтальмонейрокібернетікі. Дослідження нейро-комп'ютерного інтерфейсу почалися в 1970-х роках в Університеті Лос-Анжелеса штат Каліфорнія ( UCLA). Після багаторічних експериментів на тваринах в середині дев'яностих років в організм людини були імплантовані перші пристрої, здатні передавати біологічну інформацію від тіла людини до комп'ютера. За допомогою цих пристроїв вдалося відновити пошкоджені функції слуху, зору, а також втрачені рухові навички. В основі успішної роботи МКІ лежить здатність кори великих півкуль до адаптації (властивість пластичності), завдяки якому імплантований пристрій може служити джерелом біологічної інформації.


1. Спроби створення

У нейрохірургічному центрі в Клівленді в 2004 році був створений перший штучний кремнієвий чіп - аналог гіпокампу, який в свою чергу був розроблений в університеті Південної Каліфорнії в 2003 році. Кремній володіє можливістю з'єднувати неживу матерію з живими нейронами, а оточені нейронами транзистори отримують сигнали від нервових клітин, одночасно конденсатори відсилають до них сигнали. Кожен транзистор на чіпі уловлює найменші, ледве помітна зміна електричного заряду, яке відбувається при "пострілі" нейрона в процесі передачі іонів натрію.

Нова мікросхема здатна одержувати імпульси від 16 тисяч мозкових нейронів біологічного походження і посилати назад сигнали до декількох сотень клітин. Так як при виробництві чіпа нейрони були виділені з оточуючих їх гліальних клітин, то довелося додати білки, які "склеюють" нейрони в мозку, також утворюючи додаткові натрієві канали. Збільшення числа натрієвих каналів підвищує шанси на те, що транспорт іонів перетворюється в електричні сигнали в чіпі.


2. МКІ і нейропротезірованіе

Нейропротезірованіе - область неврології, що займається створенням і імплантацією штучних пристроїв для відновлення порушених функцій нервової системи або сенсорних органів (нейропротезов або нейроімплантов). Найбільш часто використовується кохлеарний нейроімплантат, яким користується близько 100 000 чоловік по всьому світу (за даними на 2006 рік). Існують також нейропротези для відновлення зору, наприклад, імплантати сітківки.

Основна відмінність МКІ від нейропротезірованія полягає в особливостях їх застосування: нейропротези найчастіше "підключають" нервову систему до імплантували пристрою, в той час як МКІ зазвичай з'єднує мозок (чи нервову систему) з комп'ютерною системою. На практиці нейропротез може бути приєднаний до будь-якої частини нервової системи, наприклад, до периферичних нервах, в той час як МКІ являє собою більш вузький клас систем, що взаємодіють із центральною нервовою системою. Терміни нейропротезірованіе і МКІ можуть бути взаємозамінними, оскільки обидва підходи переслідують одну мету - відновлення зору, слуху, рухових здібностей, здатності спілкуватися та інших когнітивних функцій. Крім того, в обох підходах використовуються аналогічні експериментальні методи, включаючи хірургічне втручання.


3. Випробування МКІ на тварин

Кільком лабораторіям вдалося записати сигнали від кори головного мозку мавпи та щури для управління МКІ при русі. Мавпи управляли курсором на екрані комп'ютера і давали команди на виконання найпростіших дій роботам, що імітує руку, подумки і без будь-яких рухів. Інші дослідження за участю кішок були присвячені розшифровці візуальних сигналів.

4. Ранні роботи

Дослідження, в результаті яких були розроблені алгоритми для реконструкції рухів із сигналів нейронів моторної зони кори головного мозку, які контролюють рухові функції, датуються 1970-ми роками. Дослідницькі групи, що очолювалися Шмідтом, Фетзом і Бейкером в 1970-х встановили, що мавпи можуть швидко навчатися вибірково контролювати швидкість реакції окремих нейронів в первинній рухової корі головного мозку використовуючи замкнутий позиціонування операцій, навчальний метод покарання і нагород.

У 1980-х Апостолос Георгопоулос з Університету Хопкінса виявив математичну залежність між електричними відповідями окремих нейронів кори головного мозку у макак резус і напрямком, в якому макаки рухали свої кінцівки (на основі функції косинуса). Він також виявив, що різні групи нейронів в різних областях головного мозку спільно контролювали рухові команди, але були здатні реєструвати електричні сигнали від збуджених нейронів тільки в одній області одночасно через технічні обмеження, що накладаються його обладнанням.

З середини 1990-х років почався швидкий розвиток МКІ. Декільком групам вчених вдалося зафіксувати сигнали рухового центру мозку використовуючи записи сигналів від груп нейронів, а також використовувати ці сигнали для управління зовнішніми пристроями. Серед них можна назвати групи, що очолювалися Річардом Андерсеном, Джоном Донахью, Філіпом Кеннеді, Мігелем Ніколелісом, Ендрю Шварц.


5. Досягнення дослідницької роботи

Перший в історії МКІ був створений Филлипом Кеннеді і його колегами з використанням електродів, імплантованих в кору головного мозку мавп. У 1999 році дослідники під керівництвом Яна Дена з Університету Каліфорнії розшифрували сигнали нейронів зорової системи кішки і використовували ці дані для відтворення зображень, що сприймаються піддослідними тваринами. У цих експериментах були використані електроди, вживлені в таламус (структура середнього мозку, передавальна в кору сенсорні сигнали від усіх органів чуття). З їх допомогою було досліджено 177 клітин в латеральному колінчастому тілі в таламусі і розшифровані сигнали, що приходять від сітківки. Кішкам демонстрували вісім коротких фільмів, протягом яких проводили запис активності нейронів. Використовуючи математичні фільтри, дослідники розшифрували сигнали для відтворення образів, які бачили кішки і були здатні відтворити впізнанні сцени і об'єкти, що рухаються. Схожі результати на людину були отримані дослідниками з Японії.

Для підвищення ефективності управління МКІ Мігель Ніколесіс запропонував реєструвати електричну активність одночасно за допомогою кількох електродів, імплантованих у віддалені області головного мозку. За першими дослідженнями на щурах, які в дев'яностих роках проводили Ніколеліс і його колеги, пішли аналогічні експерименти на мавпах. В результаті був створений МКІ, за допомогою якого сигнали нервових клітин мавп були розшифровані і використані для управління рухами робота. Саме мавпи виявилися ідеальними випробуваними для такого роду робіт, оскільки у них добре розвинені рухові і маніпуляційні навички, і, відповідно, високо розвинуті структури головного мозку, що відповідають за реалізацію моторних функцій. До 2000 року група Ніколеліса створила МКІ, який відтворював руху передніх кінцівок мавп під час маніпуляцій джойстиком або під час захоплення їжі. Дана система працювала в режимі реального часу і була використана для дистанційного керування рухами робота за допомогою інтернет-зв'язку. При цьому мавпа не мала можливості побачити рухи власних кінцівок і не отримала якої іншої інформації для зворотного зв'язку.

Пізніше група Ніколесіса використовувала результати експериментів з макаками-резус для створення алгоритму руху робота, що імітує рухи руки людини. Для управління рухами робота використовували інформацію, отриману при записі нейронної активності мавп після декодування. Мавпи були навчені вказувати на об'єкти на екрані комп'ютера, маніпулюючи джойстиком. Рухи кінцівки мавп-операторів були відтворені рухами робота.

У Росії з 2009 року діє проект NeuroG, метою якого є створення універсальних алгоритмів для розпізнавання зорових образів людиною. 25 квітня 2011 в Політехнічному музеї Москви проектом NeuroG була проведена перша в світі демонстрація експерименту по розпізнаванню уявних образів. [2]


Література

  1. Анохін П. К. Проблема центру і периферії в сучасній фізіології нервової системи / / Проблема центру і периферії в виший нервової діяльності. Горький, 1935, с. 9-70.
  2. Анохін П. К., Шуміліна А. І., Анохіна А. П. та ін Функціональна система як основа інтеграції нервових процесів в ембріогенезі. Праці V з'їзду фізіологів СРСР. 1937, 148-156.
  3. Bechtereva NP, Gretchin VB Physiological foundations of mental activity. Intern.Rev.Neurobiol. Academic Press, NY - London, 1968, vol.11, p.239-246.
  4. Бехтерева Н. П. Нейрофізіологічні аспекти психічної діяльності людини. М.: Медицина, 1971, - 120 с., Oxford Univ. Press (USA), 1978.
  5. Бехтерева Н. П. Мозкові коди психічної діяльності / Бехтерева Н. П., будз П. В., Гоголіцин Ю. Л. - Л.: Наука, 1977. - 165 с.
  6. Бехтерева Н. П., Нагорнова Ж. В. Динаміка когерентності ЕЕГ при виконанні завдань на невербальну (образну) креативність / / Фізіологія людини, 2007, т. 33, № 5, с. 5-11.
  7. Шемякіна Н. В., Данько С. Г., Нагорнова Ж. В., Старченко М. Г., Бехтерева Н. П. Динаміка спектрів потужності та когерентності динамічних компонентів ЕЕГ при вирішенні вербальної творчої завдання подолання стереотипу / / Фізіологія людини, 2007 , т. 33, № 5, с. 14-21.
  8. Іваницький А. М. Свідомість і мозок / / Світ науки, 2005, № 11, с. 3-11.
  9. Іваницький Г. А. Ніколаєв А. Р., Іваницький А. М. Використання штучних нейромереж для розпізнавання типу розумових операцій по ЕЕГ / / Авіакосмічна та екологічна медицина, 1997, т. 31, с. 23-28.
  10. Іваницький А. М., Наумов Р. А., Роїк О. О. Як визначити, чим зайнятий мозок, за його електричним потенціалом? Стійкі патерни ЕЕГ при виконанні когнітивних завдань / / Питання штучного інтелекту, 2008, № 1 с. 93-102.
  11. Савельєва-Новосьолова Н.О., Савельєв А.В. Принципи офтальмонейрокібернетікі / / У збірнику "Штучний інтелект. Інтелектуальні системи", Донецьк-Таганрог-Мінськ, 2009, з. 117-120.
  12. Петрунін Ю.Ю., Рязанов М. А., Савельєв А. В. Філософія штучного інтелекту в концепціях нейронаук. (Наукова монографія), М.: МАКС Пресс, 2010, ISBN 978-5-317-03251-7.
  13. Савельєв А. В. Онтологічний розширення теорії функціональних систем / / Журнал проблем еволюції відкритих систем, Казахстан, Алмати, 2005, № 1 (7), c. 86-94.
  14. Santhanam G., Ryu SI, Yu BM, Afshar A. and Shenoy KV, A high-performance brain-computer interface, Nature Letters, Vol 442 (13 July 2006), 195-198.
  15. Vidal J., Toward Direct Brain-Computer Communication, in Annual Review of Biophysics and Bioengineering, LJ Mullins, Ed., Annual Reviews, Inc., Palo Alto, Vol. 2, 1973, pp. 157-180.
  16. Vidal J., Real-Time Detection of Brain Events in EEG, in IEEE Proceedings, May 1977, 65-5:633-641.
  17. Wolpaw JR, McFarland DJ, Neat GW, Forneris CA, An EEG-based brain-computer interface for cursor control. Electroencephalography & Clinical Neurophysiology. Vol 78 (3), Mar 1991, 252-259.
  18. Wolpaw JR, Birbaumer N., Heetderks WJ, McFarland DJ, Peckham PH, Schalk G., Donchin E., Quatrano LA, Robinson CJ, and Vaughan TM, Brain-Computer Interface Technology: A Review of the First International Meeting, IEEE TRANSACTIONS ON REHABILITATION ENGINEERING, VOL. 8, NO. 2, JUNE 2000, 164-173.
  19. Miyawaki Y., Decoding the Mind's Eye - Visual Image Reconstruction from Human Brain Activity using a Combination of Multiscale Local Image Decoders, Neuron (Elsevier, Cell Press) 60 (5) (10 December 2008): 915-929,

Примітки

  1. Дослідники продемонстрували курсор, контрольований силою думки - нейробиология - Новини науки - science.ua/2011/04/23/mind-over-mouse /
  2. Еникеева, Альфия "Російські вчені навчать комп'ютер читати думки" - www.strf.ru/material.aspx?CatalogId=222&d_no=39084, "Наука та технології Росії", Перевірено 2011-7-24.