Neurorajapinnat - aivoja ja tietokonetta yhdistävät tekniikat - ovat vähitellen muuttumassa rutiiniksi: olemme jo nähneet, kuinka henkilö voi henkisten käskyjen avulla hallita proteesia tai kirjoittaa tekstiä tietokoneelle. Tarkoittaako tämä, että tieteiskirjailijoiden, jotka kirjoittivat ajatusten täysimääräisestä lukemisesta tietokoneella tai jopa ihmisen tietoisuuden siirtämisestä tietokoneelle, lupauksista tulee pian totta? Sama aihe - "Lisätty persoonallisuus" - on vuonna 2019 omistettu Sisteman hyväntekeväisyyssäätiön järjestämään tieteiskirjakilpailuun "Future Time". Yhdessä kilpailun järjestäjien kanssa N + 1-toimittajat selvittivät, mihin nykyaikaiset hermorajapinnat kykenevät ja voimmeko todella luoda täysimittaisen aivo-tietokone-yhteyden. Ja Alexander Kaplan auttoi meitä tässä,ensimmäisen venäläisen rajapintalaboratorion perustaja Lomonosov Moskovan osavaltion yliopistossa.
Hakkeroi vartalo
Neil Harbissonilla on synnynnäinen akromatopsia, joka on jättänyt hänet värinäkymättömäksi. Brittiläinen, päättänyt pettää luontoa, istutti erityisen kameran, joka muuntaa värin äänitiedoksi ja lähettää sen sisäkorvaan. Neil pitää itseään ensimmäiseksi kiborgi, jonka valtio on virallisesti tunnustanut.
Vuonna 2012 Yhdysvalloissa Pittsburghin yliopiston Andrew Schwartz osoitti halvaantuneen 53-vuotiaan potilaan, joka lähetti aivoihinsa istutettujen elektrodien avulla signaaleja robotille. Hän oppi hallitsemaan robottia niin paljon, että pystyi palvelemaan itselleen suklaatankoa.
Vuonna 2016 samassa laboratoriossa 28-vuotias potilas, jolla oli vaikea selkärankavaurio, jatkoi aivojen ohjaamaa keinotekoista kättä Barack Obamalle, joka vieraili hänessä. Kädessä olevien anturien avulla potilas sai tuntea Yhdysvaltain 44. presidentin kädenpuristuksen.
Nykyaikainen biotekniikka antaa ihmisille mahdollisuuden "murtaa" kehonsa rajoitukset luomalla symbioosin ihmisen aivojen ja tietokoneen välille. Näyttää siltä, että kaikki on matkalla kohti sitä, että biotekniikasta tulee pian osa jokapäiväistä elämää.
Mainosvideo:
Mitä tapahtuu seuraavaksi? Filosofi ja futuristi Max More, transhumanismin idean seuraaja, on viime vuosisadan lopusta lähtien kehittänyt ajatusta ihmisen siirtymisestä uuteen evoluutiovaiheeseen muun muassa tietotekniikan avulla. Kahden viimeisen vuosisadan kirjallisuudessa ja elokuvissa samanlainen näytelmä futuristisesta mielikuvituksesta on liukunut.
William Gibbsonin vuonna 1984 julkaistun tieteiskirjallisuuden "Neuromancer" maailmassa on kehitetty implantteja, jotka sallivat käyttäjän muodostaa yhteyden Internetiin, laajentaa älyllisiä ominaisuuksia ja elää muistoja. Äskettäin Yhdysvalloissa kuvatun japanilaisen kultti-sci-fi-mangan "Ghost in the Shell" kirjailija Masamune Shiro kuvaa tulevaisuutta, jossa mikä tahansa elin voidaan korvata bioniikalla tajunnan täydelliseen siirtämiseen robotin vartaloon saakka.
Kuinka pitkälle hermorajapinnat voivat mennä maailmassa, jossa toisaalta tietämättömyys moninkertaistaa fantasioita ja toisaalta fantasiat osoittautuvat usein päällekkäisyydeksi?
Mahdollinen eroavaisuus
Keskushermosto (CNS) on monimutkainen viestintäverkko. Pelkästään aivoissa on yli 80 miljardia neuronia, ja niiden välillä on biljoonia yhteyksiä. Jokaisen millisekunnin sisällä minkä tahansa hermosolun sisällä ja ulkopuolella positiivisten ja negatiivisten ionien jakauma muuttuu, määrittäen kuinka ja milloin se reagoi uuteen signaaliin. Levossa, neuronilla on negatiivinen potentiaali suhteessa ympäristöön (keskimäärin -70 millivolttia) tai "lepopotentiaali". Toisin sanoen, se on polarisoitunut. Jos neuroni vastaanottaa sähköisen signaalin toiselta neuronilta, positiivisten ionien on pääsyä hermosoluun voidakseen siirtää sitä edelleen. Depolarisaatio tapahtuu. Kun depolarisaatio saavuttaa kynnysarvon (noin -55 millivolttia, tämä arvo voi kuitenkin vaihdella),solu innostuu ja päästää sisään enemmän ja enemmän positiivisesti varautuneita ioneja, mikä luo positiivisen potentiaalin tai "toimintapotentiaalin".
Toimintapotentiaali.
Lisäksi toimintapotentiaali aksonia (solun viestintäkanava) pitkin siirretään dendriitille - seuraavan solun vastaanottokanavalle. Aksonia ja dendriittiä ei kuitenkaan ole kytketty suoraan toisiinsa, ja sähköinen impulssi ei voi yksinkertaisesti kulkea yhdestä toiseen. Niiden välistä kosketuspaikkaa kutsutaan synapsiksi. Synapsit tuottavat, lähettävät ja vastaanottavat välittäjäaineita - kemiallisia yhdisteitä, jotka "eteenpäin" lähettävät signaalin yhden solun aksonista toisen dendriittiin.
Kun impulssi saavuttaa aksonin pään, se vapauttaa välittäjäaineet synaptiseen rakoon, ylittää solujen välisen tilan ja kiinnittyy dendriitin loppuun. Ne pakottavat dendriitin päästämään positiivisesti varautuneita ioneja, siirtymään lepopotentiaalista toimintapotentiaaliin ja lähettämään signaalin solurunkoon.
Neurotransmitterin tyyppi määrää myös, mikä signaali lähetetään edelleen. Esimerkiksi glutamaatti johtaa hermosolujen herättämiseen, gamma-aminovoihappo (GABA) on tärkeä estävä välittäjä ja asetyylikoliini voi toimia molemmilla tilanteesta riippuen.
Näin neuroni näyttää kaavamaisesti:
Neuron-kaavio.
Ja näin se näyttää todellisuudessa:
Neuroni mikroskoopin alla.
Lisäksi vastaanottajan solun vaste riippuu saapuvien impulssien lukumäärästä ja rytmistä, muista soluista tulevasta informaatiosta, samoin kuin aivoalueelta, josta signaali lähetettiin. Erilaiset apusolut, endokriiniset ja immuunijärjestelmät, ulkoinen ympäristö ja aiempi kokemus - kaikki tämä määrittelee keskushermoston tilan tällä hetkellä ja vaikuttaa siten ihmisen käyttäytymiseen.
Ja vaikka, kuten ymmärrämme, keskushermosto ei ole joukko "johtimia", neuro-liittymien toiminta perustuu tarkalleen hermoston sähköiseen aktiivisuuteen.
Positiivinen harppaus
Neuro-käyttöliittymän päätehtävänä on dekoodata aivoista tuleva sähkösignaali. Ohjelmassa on joukko "malleja" tai "tapahtumia", jotka koostuvat erilaisista signaalin ominaisuuksista: värähtelytaajuudet, piikit (aktiivisuushuiput), paikat aivokuoressa ja niin edelleen. Ohjelma analysoi saapuvan datan ja yrittää havaita nämä tapahtumat niissä.
Lähetetyt komennot riippuvat edelleen saadusta tuloksesta sekä koko järjestelmän toiminnallisuudesta.
Esimerkki tällaisesta kuviosta on P300: n (Positiivinen 300) aiheuttama potentiaali, jota käytetään usein ns. Kirjoittajille - mekanismeille tekstin kirjoittamiseen aivosignaalien avulla.
Kun henkilö näkee tarvitsemansa symbolin näytöllä, 300 millisekunnin kuluttua, aivotoimintojen tallennuksessa voidaan havaita positiivinen sähköpotentiaalin hyppy. Kun P300 on havaittu, järjestelmä lähettää komennon tulostaa vastaava merkki.
Tässä tapauksessa algoritmi ei pysty havaitsemaan potentiaalia kerralla signaalin kohinatason vuoksi satunnaisella sähkötoiminnalla. Siksi symboli on esitettävä useita kertoja ja saaduille tiedoille on tehtävä keskiarvo.
Yhden askeleen potentiaalimuutoksen lisäksi neurointerface voi etsiä tietyn tapahtuman aiheuttamia muutoksia rytmisessä (ts. Värähtelevässä) aivojen toiminnassa. Kun riittävän suuri joukko neuroneja tulee synkroniseen aktiivisuusvaihtelujen rytmiin, tämä voidaan havaita signaalispektrogrammista ERS: n (tapahtumakohtainen synkronointi) muodossa. Jos päinvastoin, värähtelyjen desynkronointi tapahtuu, niin spektrogrammi sisältää ERD: n (tapahtumiin liittyvä desynkronointi).
Tällä hetkellä, kun henkilö tekee tai vain kuvittelee käden liikettä, ERD havaitaan vastakkaisen pallonpuoliskon moottorin aivokuoressa värähtelytaajuudella noin 10–20 hertsiä.
Tämä ja muut mallit voidaan määrittää ohjelmalle manuaalisesti, mutta usein ne luodaan työskennellessään kunkin tietyn henkilön kanssa. Aivomme, kuten sen toiminnan piirteet, ovat yksilöllisiä ja vaativat järjestelmän mukauttamista siihen.
Tallenna elektrodit
Useimmat neuro-rajapinnat käyttävät elektroenkefalografiaa (EEG) aktiivisuuden, ts. Ei-invasiivisen neurokuvantamismenetelmän tallentamiseksi suhteellisen yksinkertaisuuden ja turvallisuuden vuoksi. Pään pintaan kiinnitetyt elektrodit rekisteröivät sähkökentän muutoksen, joka johtuu dendriittien potentiaalin muutoksesta sen jälkeen kun toimintapotentiaali on”ylittänyt” synapsin.
Sillä hetkellä, kun positiiviset ionit tunkeutuvat dendriittiin, ympäröivään ympäristöön muodostuu negatiivinen potentiaali. Neuronin toisessa päässä ionit, joilla on sama varaus, alkavat poistua solusta muodostaen positiivisen potentiaalin ulkopuolelle, ja neuronin ympäröivä tila muuttuu dipoliksi. Dipolista etenevä sähkökenttä rekisteröidään elektrodilla.
Valitettavasti menetelmällä on useita rajoituksia. Kallo, iho ja muut kerrokset, jotka erottavat hermosolut elektrodoista, vaikka ne ovat johtimia, eivät ole niin hyviä, etteivät vääristä signaalin tietoja.
Elektrodit kykenevät tallentamaan vain monien vierekkäisten neuronien kokonaisaktiivisuuden. Suurin panos mittaustulokseen tulee aivokuoren ylemmissä kerroksissa sijaitsevista neuroneista, joiden prosessit ovat kohtisuorassa sen pintaan nähden, koska juuri ne luovat dipolin, jonka sähkökenttä anturi pystyy parhaiten vangitsemaan.
Kaikki tämä johtaa tietojen menetykseen syvistä rakenteista ja tarkkuuden heikkenemisestä, joten järjestelmä pakotetaan toimimaan puutteellisen tiedon kanssa.
Invasiiviset elektrodit, implantoituna pintaan tai suoraan aivojen sisään, mahdollistavat paljon suuremman tarkkuuden.
Jos haluttu toiminto liittyy aivojen pintakerroksiin (esimerkiksi motorinen tai sensoroiva aktiivisuus), silloin implantointi rajoittuu elektrodien trepanointiin ja kiinnittämiseen aivokuoren pintaan. Anturit lukevat monien solujen kokonaisen sähköaktiivisuuden, mutta tämä signaali ei ole niin vääristynyt kuin EEG: ssä.
Jos syvemmälle sijoittuva aktiivisuus on tärkeää, elektrodit työnnetään aivokuoreen. Yksittäisten hermosolujen aktiivisuus on jopa mahdollista rekisteröidä erityisillä mikroelektrodoilla. Valitettavasti tunkeutuva tekniikka aiheuttaa potentiaalisen vaaran ihmisille, ja sitä käytetään lääketieteellisessä käytännössä vain ääritapauksissa.
On kuitenkin toivoa, että tekniikasta tulee tulevaisuudessa vähemmän traumaattinen. Amerikkalainen yritys Neuralink suunnittelee toteuttavansa ajatuksen tuoda turvallisesti tuhansia ohuita taipuisia elektrodeja poramatta pääkalloa lasersäteen avulla.
Useat muut laboratoriot työskentelevät biohajoavien anturien parissa, jotka poistavat elektrodit aivoista.
Banaani vai oranssi?
Signaalin tallennus on vasta ensimmäinen askel. Seuraavaksi sinun on "luettava" se selvittääksesi sen takana olevat aikomukset. Aivojen toimintaa voidaan dekoodata kahdella tavalla: antaa algoritmin purkaa merkitykselliset ominaisuudet itse aineistosta tai antaa järjestelmälle kuvaus etsimistä parametreista.
Ensimmäisessä tapauksessa algoritmi, jota hakuparametrit eivät rajoita, luokittelee itse "raa'an" signaalin ja löytää elementit, jotka ennakoivat aikomuksia suurimmalla todennäköisyydellä. Jos esimerkiksi subjekti vuorotellen miettii liikkumista oikealla ja vasemmalla kädellä, niin ohjelma pystyy löytämään signaaliparametrit, jotka erottavat maksimaalisesti yhden vaihtoehdon toisesta.
Tämän lähestymistavan ongelma on, että aivojen sähköistä aktiivisuutta kuvaavat parametrit ovat liian moniulotteisia ja tiedot ovat liian meluisia erilaisilla meluilla.
Toisella dekoodausalgoritmilla on tarpeen tietää etukäteen, mistä ja mitä etsiä. Esimerkiksi edellä kuvatussa P300-kirjoittajan esimerkissä tiedämme, että kun henkilö näkee symbolin, sähköpotentiaali muuttuu tietyllä tavalla. Opetamme järjestelmää etsimään näitä muutoksia.
Tällaisessa tilanteessa kyky salata ihmisen aikomukset on sidoksissa tietoihimme siitä, kuinka aivojen toiminnot koodataan hermostoon. Kuinka tämä tai tuo tarkoitus tai tila ilmenee signaalissa? Valitettavasti useimmissa tapauksissa meillä ei ole vastausta tähän kysymykseen.
Kognitiivisen toiminnan neurobiologinen tutkimus on käynnissä, mutta silti voimme purkaa pienen osan signaaleista. Aivot ja tietoisuus ovat meille nyt "musta laatikko".
Neurofysiologi, biotieteiden tohtori ja Lomonosovin Moskovan valtion yliopiston neurofysiologian ja neurorajapintojen laboratorion perustaja Alexander Kaplan, joka sai ensimmäisen apurahan Venäjällä aivojen ja tietokoneen välistä kommunikointia varten tarkoitetun neurorajapinnan kehittämiseen, sanoo, että tutkijat kykenevät automaattisesti purkamaan joitain ihmisen aikomuksia tai kuvia, joita hän on kuvitellut EEG-merkkien perusteella. …
Tällä hetkellä ei kuitenkaan ole enempää kuin tusinaa sellaista aikomusta ja kuvaa. Nämä ovat pääsääntöisesti tiloja, jotka liittyvät rentoutumiseen ja henkiseen jännitteeseen tai ruumiinosien liikkeiden esittämiseen. Ja jopa heidän tunnistamisessaan esiintyy virheitä: esimerkiksi EEG: n avulla voidaan todeta, että henkilö aikoo puristaa oikean kätensä nyrkkiin, jopa parhaimmissa laboratorioissa on mahdollista, että se on korkeintaan 80–85 prosenttia kaikista yrityksistä.
Ja jos yrität ymmärtää EEG: n mielestä kuvitteleeko henkilö banaania tai appelsiinia, oikeiden vastausten määrä ylittää vain hiukan satunnaisen arvauksen tason.
Surullisinta on, että neurointerface-järjestelmien luotettavuutta ei ole voitu parantaa EEG: n tunnistaessa ihmisten aikomukset ja laajentaa tällaisten aikomusten luetteloa yli 15 vuoden ajan huolimatta algoritmien ja laskennallisen tekniikan kehittämisessä samana aikana saavutetuista merkittävistä edistyksistä.
Ilmeisesti EEG heijastaa vain pientä osa ihmisen henkistä toimintaa. Siksi neurointerface-järjestelmiin tulisi suhtautua maltillisilla odotuksilla ja rajata selkeästi niiden todellisen soveltamisen alueet.
Kadonnut käännettäessä
Miksi emme voi luoda järjestelmää, joka tekee sen, mitä aivot voivat helposti tehdä? Lyhyesti sanottuna aivojen toimintatapa on liian monimutkainen analyyttisille ja laskennallisille kyvyillemme.
Ensinnäkin, emme tiedä "kieltä", jolla hermosto kommunikoi. Impulsisarjojen lisäksi sille on ominaista monet muuttujat: polkujen ja solujen omat piirteet, tiedonsiirron yhteydessä tapahtuvat kemialliset reaktiot, naapurimaiden hermoverkkojen ja muiden kehon järjestelmien toiminta.
Sen lisäksi, että tämän "kielen" kielioppi "on itsessään monimutkainen, se voi vaihdella hermosolujen erilaisissa pareissa. Tilannetta pahentaa se, että viestinnän säännöt sekä solujen toiminnot ja niiden väliset suhteet ovat kaikki erittäin dynaamisia ja muuttuvat jatkuvasti uusien tapahtumien ja olosuhteiden vaikutuksesta. Tämä lisää eksponentiaalisesti huomioon otettavien tietojen määrää.
Aivojen toimintaa täysin kuvaavat tiedot vain hukuttavat kaikki algoritmit, jotka sitoutuvat analysoimaan sitä. Siksi aikomusten, muistojen, liikkeiden dekoodaaminen on käytännössä ratkaisematon tehtävä.
Toinen este on, että emme tiedä kovin paljon aivojen toiminnoista, joita yritämme havaita. Mikä on muisti tai visuaalinen kuva, mistä ne ovat tehty? Neurofysiologia ja psykologia ovat yrittäneet vastata näihin kysymyksiin jo pitkään, mutta toistaiseksi tutkimuksessa ei ole juurikaan edistytty.
Yksinkertaisimmilla toiminnoilla, kuten moottori- ja aistintoiminnoilla, on etuna tässä mielessä, koska ne ymmärretään paremmin. Siksi tällä hetkellä saatavilla olevat hermorajapinnat ovat vuorovaikutuksessa pääasiassa niiden kanssa.
Hän kykenee tunnistamaan tuntoherkkyyden, raa'an kuvitteellisen liikkeen, reaktion visuaaliseen stimulaatioon ja yksinkertaiset reaktiot ympäristötapahtumiin, kuten reaktion virheeseen tai odotetun ärsykkeen ja todellisen virheen välillä. Mutta korkeampi hermostunut toiminta on meille edelleen suuri salaisuus.
Kaksisuuntainen viestintä
Tähän asti olemme keskustelleet vain tietojen yksisuuntaisen lukemisen tilanteesta ilman taaksepäin vaikuttamista. Nykyään on kuitenkin jo tekniikka signaalien siirtämiseksi tietokoneelta aivoihin - CBI (tietokone-aivo-rajapinta). Se tekee neuro-liittymän viestintäkanavasta kaksisuuntaisen.
Tiedot (esimerkiksi ääni-, tuntoherkkyys- ja jopa tiedot aivojen toiminnasta) kulkevat tietokoneeseen, analysoidaan ja siirretään aivoihin keskus- tai ääreishermoston solujen stimulaation avulla. Kaikki tämä voi tapahtua täysin ohittamalla havainnon luonnolliset elimet ja sitä käytetään onnistuneesti korvaamaan ne.
Alexander Kaplanin mukaan tällä hetkellä ei ole enää mitään teoreettisia rajoituksia ihmisen varustamiselle keinotekoisilla aistien "elimillä", jotka on kytketty suoraan aivojen rakenteisiin. Lisäksi niitä otetaan aktiivisesti ihmisen jokapäiväiseen elämään esimerkiksi korvaamaan häiriintyneet luonnolliset organit.
Kuulovammaisille ihmisille on jo saatavana ns. Sisäkorvaistutteita: mikrosiru, joka yhdistää mikrofonin kuulolaitteisiin. Verkkokalvon implanttien testaus näkökyvyn palauttamiseksi on alkanut.
Kaplanin mukaan muiden aivojen antureiden kytkemiseen ei ole teknisiä rajoituksia, jotka reagoivat ultraäänellä, radioaktiivisuuden muutoksilla, nopeudella tai paineella.
Ongelmana on, että näiden tekniikoiden on perustuttava täysin tietoihimme aivojen toiminnasta. Jotka, kuten olemme jo todenneet, ovat melko rajallisia.
Ainoa tapa päästä tämän ongelman ratkaisemiseksi Kaplanin mukaan on luoda täysin uusi viestintäkanava, jolla on oma viestintäkieli, ja opettaa tietokoneen lisäksi myös aivot tunnistamaan uusia signaaleja.
Tällainen kehitys on jo alkanut. Esimerkiksi Johns Hopkinsin yliopiston sovelletun fysiikan laboratoriossa useita vuosia sitten he kokeilivat bionista kättä, joka kykenee välittämään tunto-ohjeita aivoihin.
Kun kosketetaan keinotekoisen käden antureita, elektrodit stimuloivat ääreishermoston polkuja, jotka sitten lähettävät signaalin aivojen aistien alueille. Henkilö oppii tunnistamaan saapuvat signaalit erityyppisiksi kosketuksiksi. Siksi sen sijaan, että yrittäisimme toistaa kosketusjärjestelmää, joka on luonnollinen ihmisille, luodaan uusi viestintäkanava ja -kieli.
Tätä kehityspolkua rajoittaa kuitenkin luomien uusien kanavien lukumäärä ja kuinka informatiiviset ne ovat aivoille, Alexander Kaplan sanoo.
Futuuri
Kaplan uskoo, että tällä hetkellä ei ole uutta tapaa kehittää neuro-rajapintateknologioita. Hänen mukaansa aivojen ja tietokoneen yhdistämiseen tarvittava rajapinta löydettiin viime vuosisadan 70-luvulla, ja aivojen periaatteet, joihin tämän päivän kehitys perustuu, kuvataan noin kolmekymmentä vuotta sitten, ja siitä lähtien uusia ideoita ei käytännössä ole ilmestynyt.
Esimerkiksi P300: n nykyään laajalti käytetty potentiaali löydettiin 1960-luvulla, moottorikuvat - 1980– 1990 ja epätarkoituksen negatiivisuus - 1970-luvulla).
Tutkijat toivoivat kerran pystyvänsä luomaan tiiviimmän tietoyhteyden aivojen ja prosessoritekniikan välille, mutta tänään kävi selväksi, etteivätkö ne toteutuneet.
Kaplanin mukaan on kuitenkin käynyt selväksi, että neuro-rajapinnat voidaan toteuttaa lääketieteelliseen käyttöön. Tiedemiehen mukaan neuro-rajapintojen kehitys etenee nyt suurimmassa määrin ottamalla käyttöön tekniikka kliiniselle alueelle.
Tutkijat toivoivat kerran pystyvänsä luomaan tiiviimmän tietoyhteyden aivojen ja prosessoritekniikan välille, mutta tänään kävi selväksi, etteivätkö ne toteutuneet.
Kaplanin mukaan on kuitenkin käynyt selväksi, että neuro-rajapinnat voidaan toteuttaa lääketieteelliseen käyttöön. Tiedemiehen mukaan neuro-rajapintojen kehitys etenee nyt suurimmassa määrin ottamalla käyttöön tekniikka kliiniselle alueelle.
Aivotutkimuksen ja tekniikan kehityksen ansiosta nykypäivän neuro-liitännät kykenevät kuitenkin siihen, mikä kerran näytti käytännöttömältä. Emme tiedä varmasti, mitä tapahtuu 30, 50 tai 100 vuoden kuluttua. Tieteen historioitsija Thomas Kuhn esitti ajatuksen, että tieteen kehitys on sykliä: pysähtymisjaksot korvataan seuraavilla paradigmaattisilla muutoksilla ja tieteellisillä vallankumouksilla. On täysin mahdollista, että tulevaisuudessa meillä on vallankumous, joka vie aivot mustasta laatikosta. Ja hän tulee odottamattomalta puolelta.
Maria Ermolova