Neurointerfaces - teknologier som förbinder hjärnan och datorn - blir gradvis en rutin: vi har redan sett hur man med hjälp av mentala beställningar kan kontrollera en protes eller skriva text på en dator. Betyder detta att löften från science fiction-författare som skrev om fullläsning av tankar med hjälp av en dator eller till och med om att överföra mänskligt medvetande till en dator snart kommer att bli verklighet? Samma ämne - "Augmented Personality" - år 2019 ägnas åt science fiction-tävlingen "Future Time", organiserad av Sistema välgörenhetsstiftelse. Tillsammans med arrangörerna av tävlingen räknade N + 1-redaktörerna ut vad moderna neurala gränssnitt är kapabla till och om vi verkligen kan skapa en fullskalig hjärndatoranslutning. Och Alexander Kaplan hjälpte oss i detta,grundare av det första ryska gränssnittslaboratoriet vid Lomonosov Moskva statsuniversitet.
Hacka kroppen
Neil Harbisson har medfödd achromatopsia, vilket har berövat honom färgsyn. Britten, som beslutade att lura naturen, implanterade en speciell kamera som konverterar färg till ljudinformation och skickar den till det inre örat. Neil anser sig vara den första cyborg som officiellt erkänns av staten.
2012, i USA, demonstrerade Andrew Schwartz från University of Pittsburgh en förlamad 53-årig patient som med hjälp av elektroder implanterade i hjärnan skickade signaler till en robot. Hon lärde sig kontrollera roboten så mycket att hon kunde servera sig en chokladkaka.
Under samma laboratorium 2016 utökade en 28-årig patient med en allvarlig ryggskada en hjärnkontrollerad konstgjord hand till Barack Obama som besökte honom. Sensorer på handen tillät patienten att känna handskakningen från USA: s 44: e president.
Modern bioteknik ger människor möjlighet att "knäcka" begränsningarna i deras kroppar och skapa en symbios mellan den mänskliga hjärnan och datorn. Det verkar som om allt går mot det faktum att bioingenjör snart kommer att bli en del av vardagen.
Kampanjvideo:
Vad kommer hända härnäst? Filosofen och futuristen Max More, en följare av idén om transhumanism, sedan slutet av förra seklet, har utvecklat idén om människans övergång till ett nytt utvecklingsstadium med hjälp av bland annat datateknologi. I litteratur och film under de senaste två århundradena har ett liknande spel av den futuristiska fantasin glidit.
I världen av William Gibbsons science fiction-roman Neuromancer, publicerad 1984, har implantat utvecklats som gör att deras bärare kan ansluta till Internet, utvidga sina intellektuella förmågor och återuppleva minnen. Masamune Shiro, författaren till den japanska kult-sci-fi-mangan "Ghost in the Shell" som nyligen filmats i USA, beskriver en framtid där alla orgel kan ersättas med bionics, upp till fullständig överföring av medvetande till en robotkropp.
Hur långt kan neurala gränssnitt gå i en värld där å ena sidan okunnighet multiplicerar fantasier, och å andra sidan fantasier ofta visar sig vara försyn?
Möjlig skillnad
Det centrala nervsystemet (CNS) är ett komplext kommunikationsnätverk. Det finns mer än 80 miljarder nervceller i hjärnan, och det finns biljoner samband mellan dem. Varje millisekund inom och utanför någon nervcell ändras fördelningen av positiva och negativa joner, bestämmer hur och när den ska reagera på en ny signal. I vila har neuronet en negativ potential i förhållande till miljön (i genomsnitt -70 millivolt), eller "vilopotential". Med andra ord är den polariserad. Om en neuron får en elektrisk signal från en annan neuron måste positiva joner komma in i nervcellen för att den ska kunna överföras vidare. Depolarisering inträffar. När depolarisationen når ett tröskelvärde (ungefär -55 millivolt kan emellertid detta värde variera),cellen blir upphetsad och släpper in fler och mer positivt laddade joner, vilket skapar en positiv potential, eller "actionpotential".
Agerande potential.
Vidare överförs handlingspotentialen längs axon (cellkommunikationskanal) till dendriten - mottagarkanalen för nästa cell. Axon och dendrit är emellertid inte direkt anslutna, och den elektriska impulsen kan inte bara passera från det ena till det andra. Kontaktplatsen mellan dem kallas en synapse. Synapser producerar, sänder och tar emot neurotransmittorer - kemiska föreningar som direkt "vidarebefordrar" en signal från en cells axon till en annan dendrit.
När impulsen når änden av axon frigör den neurotransmittorer i den synaptiska klyftan, korsar utrymmet mellan cellerna och fästs vid slutet av dendriten. De tvingar dendriten att släppa in positivt laddade joner, flytta från vilopotentialen till handlingspotentialen och sända en signal till cellkroppen.
Typen av neurotransmitter avgör också vilken signal som ska skickas vidare. Till exempel leder glutamat till neuronal avfyrning, gamma-aminobutyric acid (GABA) är en viktig hämmande mediator, och acetylkolin kan göra båda beroende på situationen.
Så här ser en neuron schematiskt ut:
Neuron diagram.
Och så ser det ut i verkligheten:
Neuron under mikroskopet.
Dessutom beror responsen från mottagarcellen på antalet och rytmen för inkommande impulser, information som kommer från andra celler, liksom på hjärnområdet från vilket signalen skickades. Olika hjälpceller, det endokrina och immunsystemet, den yttre miljön och tidigare erfarenhet - allt detta avgör tillståndet i centrala nervsystemet just nu och påverkar därmed mänskligt beteende.
Och även om centrala nervsystemet, som vi förstår det, inte är en uppsättning "ledningar", är neurointerfaces arbete exakt baserat på nervsystemets elektriska aktivitet.
Positivt språng
Neurinterfaceens huvuduppgift är att avkoda den elektriska signalen som kommer från hjärnan. Programmet har en uppsättning "mallar" eller "händelser" som består av olika signalegenskaper: vibrationsfrekvenser, spikar (aktivitetstoppar), platser på cortex, och så vidare. Programmet analyserar inkommande data och försöker upptäcka dessa händelser i dem.
Kommandona som sänds ytterligare beror på det erhållna resultatet, liksom på systemets funktionalitet som helhet.
Ett exempel på ett sådant mönster är den framkallade potentialen P300 (Positiv 300), som ofta används för de så kallade stavarna - mekanismer för att skriva text med hjärnsignaler.
När en person ser symbolen han behöver på skärmen, efter 300 millisekunder, kan ett positivt hopp i elektrisk potential upptäckas vid inspelningen av hjärnaktivitet. När P300 har upptäckt skickar systemet ett kommando för att skriva ut motsvarande tecken.
I detta fall kan algoritmen inte detektera potentialen från en gång på grund av signalens ljudnivå genom slumpmässig elektrisk aktivitet. Därför måste symbolen presenteras flera gånger och de erhållna uppgifterna måste i genomsnitt beräknas.
Förutom en enstegsförändring i potentialen kan neuro-gränssnittet leta efter förändringar i den rytmiska (dvs oscillerande) aktiviteten i hjärnan orsakad av en viss händelse. När en tillräckligt stor grupp neuroner går in i en synkron rytm av aktivitetsfluktuationer, kan detta detekteras på signalspektrogrammet i form av ERS (händelsrelaterad synkronisering). Om det tvärtom finns en desynkronisering av svängningar, innehåller spektrogrammet ERD (händelsrelaterad desynkronisering).
Just nu när en person gör eller helt enkelt föreställer sig en handrörelse, observeras ERD i den motsatta halvklotens motorbark med en svängningsfrekvens på cirka 10–20 hertz.
Denna och andra mallar kan tilldelas programmet manuellt, men ofta skapas de i processen att arbeta med varje enskild individ. Vår hjärna, liksom funktionerna i dess aktivitet, är individuell och kräver anpassning av systemet till den.
Spela in elektroder
De flesta neurointerfaces använder elektroencefalografi (EEG) för att registrera aktivitet, det vill säga en icke-invasiv metod för neuroimaging, på grund av dess relativa enkelhet och säkerhet. Elektroder fästa vid ytan på huvudet registrerar förändringen i det elektriska fältet orsakat av förändringen i dendriternas potential efter att handlingspotentialen har "korsat" synapsen.
Just nu när positiva joner tränger in i dendriten bildas en negativ potential i omgivningen. I den andra änden av neuronet börjar joner med samma laddning att lämna cellen, vilket skapar en positiv potential utanför, och utrymmet som omger neuronet förvandlas till en dipol. Det elektriska fältet som utbreder sig från dipolen registreras av en elektrod.
Tyvärr har metoden flera begränsningar. Skallen, huden och andra lager som separerar nervceller från elektroderna, även om de är ledare, är inte så bra att de inte snedvrider information om signalen.
Elektroderna kan bara registrera den totala aktiviteten för många angränsande neuroner. Det huvudsakliga bidraget till mätresultatet görs av nervceller belägna i de övre skikten i barken, vars processer är vinkelräta mot dess yta, eftersom det är de som skapar dipolen, vars elektriska fält sensorn bäst kan fånga.
Allt detta leder till förlust av information från djupa strukturer och en minskning av noggrannhet, så systemet tvingas arbeta med ofullständiga data.
Invasiva elektroder, implanterade på ytan eller direkt inuti hjärnan, möjliggör mycket större noggrannhet.
Om den önskade funktionen är associerad med ytlagren i hjärnan (till exempel motorisk eller sensorisk aktivitet), är implantation begränsad till trepanning och fästning av elektroder på cortexens yta. Sensorer läser den totala elektriska aktiviteten för många celler, men denna signal är inte lika snedvriden som i EEG.
Om aktiviteten som ligger djupare är viktig, sätts elektroderna in i cortex. Det är till och med möjligt att registrera aktiviteten hos enstaka neuroner med hjälp av speciella mikroelektroder. Tyvärr utgör den invasiva tekniken en potentiell fara för människor och används endast i medicinska praktiker i extrema fall.
Det finns dock hopp om att tekniken kommer att bli mindre traumatisk i framtiden. Det amerikanska företaget Neuralink planerar att implementera idén att säkert införa tusentals tunna flexibla elektroder utan att borras i skallen med en laserstråle.
Flera andra laboratorier arbetar med biologiskt nedbrytbara sensorer som tar bort elektroder från hjärnan.
Banan eller apelsin?
Signalinspelning är bara det första steget. Därefter måste du "läsa" den för att avgöra avsikten bakom det. Det finns två möjliga sätt att avkoda hjärnaktivitet: låt algoritmen välja ut de relevanta egenskaperna från själva datasatsen, eller ge systemet en beskrivning av parametrarna att leta efter.
I det första fallet klassificerar algoritmen, inte begränsad av sökparametrar, själva "rå" -signalen och hittar element som förutsäger avsikter med högsta sannolikhet. Om till exempel ett motiv växelvis tänker på rörelse med sin högra och vänstra hand, kan programmet hitta signalparametrarna som maximalt skiljer ett alternativ från det andra.
Problemet med detta tillvägagångssätt är att parametrarna som beskriver hjärnans elektriska aktivitet är för flerdimensionella, och data är för bullriga med olika ljud.
Med den andra avkodningsalgoritmen är det nödvändigt att veta i förväg var och vad man ska leta efter. I exemplet med P300-stavaren som beskrivs ovan vet vi till exempel att när en person ser en symbol förändras den elektriska potentialen på ett visst sätt. Vi lär systemet att leta efter dessa förändringar.
I en sådan situation är förmågan att dechiffrera en persons avsikter kopplade till vår kunskap om hur hjärnfunktioner kodas i neural aktivitet. Hur manifesterar sig denna eller den avsikt eller tillstånd i signalen? Tyvärr har vi i de flesta fall inte svar på denna fråga.
Neurobiologisk forskning om kognitiv funktion pågår, men vi kan ändå dechiffrera en mycket liten bråkdel av signalerna. Hjärnan och medvetandet förblir för oss en "svart låda" för nu.
Alexander Kaplan, neurofysiolog, doktor i biologiska vetenskaper och grundare av laboratoriet för neurofysiologi och Neurointerfaces vid Lomonosov Moskva statsuniversitet, som fick det första bidraget i Ryssland för utveckling av ett neuro-gränssnitt för kommunikation mellan hjärnan och en dator, säger att forskare automatiskt kan dechiffrera vissa mänskliga avsikter eller bilder som föreställts av honom baserat på EEG-tecken …
Men för närvarande finns det inte mer än ett dussin sådana avsikter och bilder. Dessa är som regel tillstånd som är förknippade med avslappning och mental spänning eller med representation av kroppsdelar. Och till och med deras erkännande inträffar med fel: till exempel att fastställa av EEG att en person avser att knyta sin högra hand till en knytnäve, även i de bästa laboratorierna är det möjligt i högst 80-85 procent av det totala antalet försök.
Och om du försöker förstå från EEG om en person föreställer sig en banan eller en apelsin, kommer antalet korrekta svar bara att överskrida något av nivån för slumpvis gissning.
Det sorgligaste är att det inte har varit möjligt att förbättra tillförlitligheten hos neuro-gränssnittssystem för att erkänna mänskliga avsikter av EEG och att utöka listan över sådana avsikter i mer än 15 år, trots betydande framsteg i utvecklingen av algoritmer och datorteknologi som uppnåtts under samma tid.
Uppenbarligen återspeglar EEG endast en liten del av en persons mentala aktivitet. Därför bör neurointerface-system närma sig med måttliga förväntningar och tydligt beskriva områdena för deras verkliga tillämpning.
Förlorat i översättningen
Varför kan vi inte skapa ett system som gör det som hjärnan lätt kan göra? Kort sagt, hur hjärnan fungerar är för komplex för våra analytiska och beräkningsmöjligheter.
För det första känner vi inte "språket" som nervsystemet kommunicerar i. Förutom impulsserier kännetecknas det av många variabler: egenskaper hos vägarna och cellerna själva, kemiska reaktioner som inträffade vid tidpunkten för informationsöverföring, arbetet i angränsande nervnätverk och andra kroppssystem.
Utöver det faktum att "grammatiken" för detta "språk" i sig är komplex i sig kan det skilja sig åt i olika par av nervceller. Situationen förvärras av det faktum att reglerna för kommunikation, såväl som cellernas funktioner och förhållandena mellan dem, alla är mycket dynamiska och ständigt förändras under påverkan av nya händelser och förhållanden. Detta ökar exponentiellt mängden information som måste beaktas.
Data som fullständigt beskriver hjärnaktivitet kommer helt enkelt att drunkna alla algoritmer som åtar sig att analysera den. Därför är avkodning av avsikter, minnen, rörelser praktiskt taget en olöslig uppgift.
Det andra hindret är att vi inte vet så mycket om hjärnfunktionerna vi försöker upptäcka. Vad är minne eller visuell bild, vad är de gjorda av? Neurofysiologi och psykologi har försökt att svara på dessa frågor under lång tid, men hittills har det varit mycket framsteg inom forskningen.
De enklaste funktionerna, såsom motoriska och sensoriska funktioner, har en fördel i detta avseende, eftersom de förstås bättre. Därför interagerar de för närvarande tillgängliga neurala gränssnitten huvudsakligen med dem.
De kan känna igen taktila sensationer, imaginär rörelse av en lem, respons på visuell stimulering och enkla reaktioner på miljöhändelser som en reaktion på ett fel eller ett missförhållande mellan den förväntade stimulansen och den verkliga. Men högre nervös aktivitet är fortfarande en stor hemlighet för oss idag.
Tvåvägskommunikation
Fram till nu har vi bara diskuterat situationen för enkelriktad läsning av information utan något bakåtpåverkande inflytande. Men idag finns det redan en teknik för att överföra signaler från en dator till hjärnan - CBI (dator-hjärngränssnitt). Det gör kommunikationskanalen för neuro-gränssnittet tvåvägs.
Information (till exempel ljud, taktila sensationer och till och med data om hjärnans funktion) kommer in i datorn, analyseras och genom stimulering av cellerna i det centrala eller perifera nervsystemet överförs till hjärnan. Allt detta kan inträffa helt och hållet utanför de naturliga organen i uppfattningen och används framgångsrikt för att ersätta dem.
Enligt Alexander Kaplan finns det för närvarande inte längre några teoretiska begränsningar för att utrusta en person med konstgjorda sensoriska "organ" som är direkt kopplade till hjärnstrukturerna. Dessutom introduceras de aktivt i en persons vardag, till exempel för att ersätta de störda naturliga känslorganen.
För personer med hörselnedsättning finns redan så kallade cochleaimplantat: mikrochips som kombinerar en mikrofon med hörselreceptorer. Test av retinalimplantat för synsåterställning har påbörjats.
Enligt Kaplan finns det inga tekniska begränsningar för att ansluta andra sensorer till hjärnan som svarar på ultraljud, förändringar i radioaktivitet, hastighet eller tryck.
Problemet är att dessa tekniker måste vara helt baserade på vår kunskap om hur hjärnan fungerar. Som vi redan har fått reda på är ganska begränsade.
Det enda sättet att komma runt detta problem, enligt Kaplan, är att skapa en grundläggande ny kommunikationskanal med sitt eget kommunikationsspråk och lära inte bara datorn utan också hjärnan att känna igen nya signaler.
En sådan utveckling har redan börjat. Till exempel i laboratoriet för tillämpad fysik vid Johns Hopkins University för flera år sedan testade de en bionisk hand som kan överföra taktil information till hjärnan.
Vid beröring av sensorerna på den konstgjorda handen stimulerar elektroderna vägarna i det perifera nervsystemet, som sedan överför en signal till hjärnans sensoriska områden. En person lär sig att känna igen inkommande signaler som olika typer av beröring. I stället för att försöka reproducera det taktila systemet med signaler som är naturligt för människor, skapas en ny kanal och kommunikationsspråk.
Men denna utvecklingsväg är begränsad av antalet nya kanaler som vi kan skapa och hur informativa de kommer att vara för hjärnan, säger Alexander Kaplan.
Futurum
Kaplan anser att det för tillfället inte finns något nytt sätt att utveckla neuro-gränssnittsteknologier. Enligt honom upptäcktes själva möjligheten till ett gränssnitt för kommunikation mellan hjärnan och datorn på 70-talet av förra seklet, och principerna för hjärnan, som dagens utveckling bygger på, beskrevs för cirka trettio år sedan, och sedan dess har nya idéer praktiskt taget inte dykt upp.
Till exempel upptäcktes den nu allmänt använda potentialen hos P300 på 1960-talet, motoriska bilder - på 1980- och 1990-talet och negativitet i överensstämmelse - på 1970-talet).
Forskare hade en gång förhoppningar om att de skulle kunna upprätta en närmare informationskontakt mellan hjärnan och processortekniken, men idag blev det tydligt att de inte kom i uppfyllelse.
Kaplan säger emellertid att det har blivit klart att neuro-gränssnitt kan implementeras för medicinskt bruk. Enligt forskaren går nu utvecklingen av neuro-gränser i största utsträckning genom införandet av teknik i den kliniska sfären.
Forskare hade en gång förhoppningar om att de skulle kunna upprätta en närmare informationskontakt mellan hjärnan och processortekniken, men idag blev det tydligt att de inte kom i uppfyllelse.
Kaplan säger emellertid att det har blivit klart att neuro-gränssnitt kan implementeras för medicinskt bruk. Enligt forskaren går nu utvecklingen av neuro-gränser i största utsträckning genom införandet av teknik i den kliniska sfären.
Tack vare hjärnforskning och teknikutveckling kan dagens neuro-gränser emellertid kunna vad som en gång verkade opraktiskt. Vi vet inte säkert vad som kommer att hända om 30, 50 eller 100 år. Vetenskapshistorikern Thomas Kuhn framförde idén att vetenskapens utveckling är en cykel: perioder med stagnation ersätts av paradigmiska förändringar och vetenskapliga revolutioner som följer. Det är mycket möjligt att vi i framtiden kommer att ha en revolution som tar hjärnan ur den svarta lådan. Och hon kommer från den mest oväntade sidan.
Maria Ermolova
