Neuropočítačové rozhraní

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 19. července 2022; ověření vyžaduje 1 úpravu .

Neuropočítačové rozhraní (NCI) (také nazývané přímé neurální rozhraní , mozkové rozhraní , rozhraní mozek-počítač [1] ) je systém vytvořený [2] pro výměnu informací mezi mozkem a elektronickým zařízením (například počítačem ). V jednosměrných rozhraních mohou externí zařízení buď přijímat signály z mozku, nebo do něj signály vysílat (například simulovat sítnici oka při obnově zraku pomocí elektronického implantátu). Obousměrná rozhraní umožňují mozku a externím zařízením vyměňovat si informace v obou směrech. Základem rozhraní mozek-počítač je často metoda biofeedback .

Pozadí

Možností symbiózy člověka a počítače se zabýval již v roce 1960 výzkumník z agentury DARPA , který se domníval, že zprvu rozšířená inteligence předčí zcela umělou inteligenci [3] .

Studium základů, na kterých je založeno neuro-počítačové rozhraní, je zakořeněno v učení IP Pavlova o podmíněných reflexech a regulační roli mozkové kůry. P. K. Anokhin rozvíjející tyto myšlenky od roku 1935 ukázal, že princip zpětné vazby hraje rozhodující roli v regulaci jak vyšších adaptivních reakcí člověka, tak jeho vnitřního prostředí. Existují díla N. P. Bekhtereva z let 1968 až 2008  . o dešifrování mozkových kódů duševní činnosti, v níž dodnes pokračují její následovníci, a to i z hlediska neurokybernetiky a oftalmoneurokybernetiky.

Výzkum neuropočítačového rozhraní začal v 70. letech na Kalifornské univerzitě v Los Angeles ( UCLA ). Po mnoha letech pokusů na zvířatech v polovině devadesátých let byla do lidského těla implantována první zařízení schopná přenášet biologické informace z lidského těla do počítače. Pomocí těchto přístrojů se podařilo obnovit poškozené funkce sluchu, zraku, ale i ztracenou motoriku. Úspěšná operace NCI je založena na adaptační schopnosti mozkové kůry (vlastnost plasticity), díky které může implantovaný přístroj sloužit jako zdroj biologických informací.

Pokusy o vytvoření

V roce 2004 byl v Clevelandském neurochirurgickém centru vytvořen první umělý křemíkový čip - analog hipokampu , který byl vyvinut na University of Southern California v roce 2003 . Křemík má schopnost propojovat neživou hmotu s živými neurony a tranzistory obklopené neurony přijímají signály z nervových buněk, zatímco kondenzátory k nim signály vysílají. Každý tranzistor na čipu zachytí nejmenší, jemnou změnu elektrického náboje, ke které dochází, když neuron „vystřelí“ v procesu přenosu sodíkových iontů.

Nový mikroobvod je schopen přijímat impulsy od 16 tisíc mozkových neuronů biologického původu a posílat signály zpět několika stovkám buněk. Protože neurony byly během výroby čipu izolovány z okolních gliových buněk, musely být přidány proteiny, které „lepí“ neurony v mozku a tvoří také další sodíkové kanály. Zvýšení počtu sodíkových kanálů zvyšuje šance, že se transport iontů na čipu přemění na elektrické signály.

NCI a neuroprotetika

Neuroprotetika  je obor neurologie, který se zabývá tvorbou a implantací umělých přístrojů k obnově narušených funkcí nervového systému nebo smyslových orgánů ( neuroprotézy nebo neuroimplantáty). Nejčastěji používaný kochleární neuroimplantát , který celosvětově používá asi 100 000 lidí (stav k roku 2006). Existují také neuroprotézy k obnovení zraku, jako jsou retinální implantáty. Systém bionického vidění Gennaris díky implantovanému zařízení obchází poškozené optické nervy a umožňuje přenos signálů do zrakového centra mozku.

Hlavní rozdíl mezi BCI a neuroprotetikou spočívá ve specifikách jejich aplikace: neuroprotézy nejčastěji „připojují“ nervový systém k implantovanému zařízení, zatímco BCI obvykle propojuje mozek (nebo nervový systém) s počítačovým systémem. V praxi může být neuroprotéza připojena k jakékoli části nervového systému, například k periferním nervům, zatímco NCI je užší třída systémů interagujících s centrálním nervovým systémem. Termíny neuroprotetika a NCI lze zaměnit, protože oba přístupy mají stejný cíl – obnovení zraku, sluchu, motorických schopností, schopnosti komunikace a dalších kognitivních funkcí. Oba přístupy navíc využívají podobné experimentální techniky, včetně chirurgického zákroku.

Testování NCI na zvířatech

Několik laboratoří bylo schopno zaznamenat signály z mozkové kůry opic a krys pro kontrolu NCI při pohybu. Opice ovládaly kurzor na obrazovce počítače a dávaly příkazy k provádění nejjednodušších akcí robotům napodobujícím ruku, mentálně a bez jakýchkoliv pohybů. Další studie zahrnující kočky se zaměřily na dešifrování vizuálních podnětů.

Rané práce

Výzkum, který vyústil ve vývoj algoritmů pro rekonstrukci pohybů ze signálů neuronů v motorickém kortexu, které řídí motorické funkce, se datuje do 70. let 20. století . Výzkumné týmy vedené Schmidtem, Fetzem a Bakerem v 70. letech minulého století zjistily, že opice se mohou rychle naučit selektivně řídit míru odezvy jednotlivých neuronů v primární motorické kůře pomocí operací polohování ve smyčkách, což je metoda učení trestů a odměn.

V 80. letech 20. století objevil Apostolos Georgopoulos z Hopkins University matematický vztah mezi elektrickými reakcemi jednotlivých kortikálních neuronů u opic rhesus a směrem, kterým opice pohybovaly svými končetinami (na základě funkce kosinus ). Zjistil také, že různé skupiny neuronů v různých oblastech mozku společně ovládaly motorické příkazy, ale byly schopny registrovat elektrické signály z excitovaných neuronů vždy pouze v jedné oblasti kvůli technickým omezením uloženým jeho vybavením.

Od poloviny 90. let začal prudký rozvoj NCI. Několika skupinám vědců se podařilo zachytit signály motorického centra mozku pomocí nahrávek signálů ze skupin neuronů a také tyto signály využít k ovládání externích zařízení. Mezi nimi jsou skupiny vedené Richardem Andersenem, Johnem Donahuem, Philipem Kennedym, Miguelem Nicolelisem , Andrewem Schwartzem.

Exokortex

Exokortex ( starořecky ἔξω [exō]  - vně, mimo; lat.  cortex  - kůra) je externí systém zpracování informací, který pomůže zvýšit inteligenci [4] nebo funguje jako neuroprotéza mozkové kůry [5] . Pokud je pojem „exokortex“ chápán široce, pak lze říci, že jeho funkce již plní internet , chytré telefony [6] , různé gadgety a že jeho historie začala vynálezem písma [7] .

Možností symbiózy člověka a počítače se zabýval již v roce 1960 výzkumník z agentury DARPA , který se domníval, že zprvu rozšířená inteligence předčí zcela umělou inteligenci [3] .

Rozvoj bioinženýrství může vést ke vzniku exokortexu : rozhraní mozek-počítač, zařízení pro obnovu funkcí nervů a receptorů; neurověda : neuromorfní procesory ; výpočetní neurověda : software, který emuluje mentální procesy .

Lidé s implantovanými takovými zařízeními mohou být nazýváni kyborgové [8] nebo postlidi . Modulátory nálady založené na principech elektrické stimulace [9] se připravují na vstup na trh , ale při absenci zpětné vazby je lze považovat pouze za zařízení pro terapii TES .

Mozek jiného člověka může být použit jako exokortex [10] . Finští vědci věří, že exokortex může poskytnout příležitost nejen ke stažení lidského vědomí do počítače, ale také ke spojení vědomí několika lidských organismů [11] .

Výzkumné úspěchy

Vůbec první NCI vytvořil Phillip Kennedy a jeho kolegové pomocí elektrod implantovaných do mozkové kůry opic. V roce 1999 výzkumníci vedení Yangem Tengem z Kalifornské univerzity rozluštili signály z neuronů ve vizuálním systému koček a použili data k reprodukci obrazů vnímaných experimentálními zvířaty. Tyto experimenty využívaly elektrody implantované do thalamu (struktura středního mozku , která přenáší senzorické signály ze všech smyslů do kůry). S jejich pomocí bylo vyšetřeno 177 buněk v postranním geniculatním těle v thalamu a byly dekódovány signály přicházející ze sítnice. Kočkám bylo promítnuto osm krátkých filmů, během kterých byla zaznamenávána aktivita neuronů. Pomocí matematických filtrů vědci dešifrovali signály, aby reprodukovali obrazy, které kočky viděly a byly schopny reprodukovat rozpoznatelné scény a pohybující se objekty. Podobné výsledky u lidí získali vědci z Japonska.

Aby se zlepšila účinnost kontroly NCI, Miguel Nicolesis navrhl registrovat elektrickou aktivitu současně pomocí několika elektrod implantovaných do vzdálených oblastí mozku. Po prvních studiích na krysách, které provedl Nicolelis a jeho kolegové v 90. letech, následovaly podobné pokusy na opicích. Výsledkem bylo vytvoření NCI, s jehož pomocí byly signály nervových buněk opic dekódovány a použity k řízení pohybů robota. Právě opice se ukázaly být ideálními subjekty pro tento druh práce, protože mají dobře vyvinuté motorické a manipulační dovednosti, a tedy vysoce vyvinuté mozkové struktury odpovědné za provádění motorických funkcí. Do roku 2000 Nicolelisova skupina vytvořila NCI, která simulovala pohyby předních končetin opic během manipulace s joystickem nebo při chytání potravy. Tento systém fungoval v reálném čase a sloužil k dálkovému ovládání pohybů robota přes internetové připojení. Opice přitom neměla možnost vidět pohyby vlastních končetin a nedostávala žádné další informace pro zpětnou vazbu.

Později Nicolesisina skupina použila výsledky experimentů s opicemi rhesus k vytvoření algoritmu pohybu robota, který napodobuje pohyby lidské ruky. Pro řízení pohybů robota jsme použili informace získané záznamem nervové aktivity opic po dekódování. Opice byly vycvičeny, aby ukazovaly na předměty na obrazovce počítače pomocí manipulace s joystickem. Pohyby končetin operujících opic byly reprodukovány pohyby robota.

Od roku 2009 funguje v Rusku projekt NeuroG , jehož účelem je vytvořit univerzální algoritmy pro rozpoznávání vizuálních obrazů lidmi. Dne 25. dubna 2011 provedl projekt NeuroG jako první na světě demonstraci experimentu na rozpoznávání imaginárních vzorů v Moskevském polytechnickém muzeu . [12]

Dne 9. července 2015 začala ruská " United Instrument-Making Corporation " testovat neinvazivní neurální rozhraní "mozek-počítač", které umožňuje síle myšlenky ovládat biologické robotické exoprotézy. V tuto chvíli se testuje neurální rozhraní. Po jejich dokončení se rozhodne o sériové výrobě robotických exoprotéz. Podle tiskové služby měla být předběžná sériová výroba protéz zahájena v roce 2016 [13] .

Zpětná vazba v ručních protézách je implementována různými způsoby: invazivními metodami, implantovanými nervovými rozhraními a také vibro- nebo mechano-taktilní zpětnou vazbou [14] . V roce 2019 byla testována dvojitá protetická ruka se zpětnou vazbou na základě intrakortikálních senzorů implantovaných do mozku pacienta. [patnáct]

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Akademičtí vědci používají termín „ rozhraní mozek-počítač “, protože termín „neuropočítač“ je přiřazen velké třídě technologií založených na specifické architektuře výpočetních systémů, J. Wolpaw, J. Donoghue, Birbaumer , 
  2. ↑ Výzkumníci demonstrují kurzor řízený myšlenkou – Neuroscience – Science News . Datum přístupu: 19. května 2011. Archivováno z originálu 4. října 2013.
  3. ↑ 1 2 Symbióza člověk-počítač Archivováno 12. května 2011 na Wayback Machine JCR Licklider IRE Transactions on Human Factors in Electronics, svazek HFE-1, strany 4-11, březen 1960
  4. ↑ Filosofické vědy, čísla 1-4;  Vyšší škola., 2008; strana 103
  5. ↑ Exokortex Archival copy of 20 November 2016 on Wayback Machine  – Hypotetické zařízení, které je tak či onak spojeno s člověkem a plní funkce podobné funkcím mozkové kůry: tedy napodobuje vyšší nervovou aktivitu. Údajně může být použit pro protetiku nebo jako prostředek k "posílení mysli"
  6. ↑ Simola – The Roving Mind: A Modern Approach to Cognitive Enhancement&dq=exocortex  The Roving Mind: A Modern Approach to Cognitive Enhancement, ST Press, 2015; ISBN 069240905X , ISBN 9780692409053
  7. ↑ Intelligence Unbound: The Future of Uploaded and Machine Minds  Editors Russell Blackford, Damien Broderick; John Wiley & Sons, 2014; ISBN 1118736451 , ISBN 9781118736456
  8. ↑ Lidská rasa, verze 2.0 (20. března 2006). Archivováno z originálu 27. července 2007.
  9. ↑ MEDTECH BOSTON - Testování Thync: Uklidňující, energizující modulátor osobního mozku . Získáno 16. června 2019. Archivováno z originálu dne 24. července 2015.
  10. ↑ VÝZKUMNÍK OVLÁDÁ POHYBY KOLEGY PROSTŘEDNICTVÍM PRVNÍHO NEINVAZIVNÍHO ROZHRANÍ LIDSKÉHO MOZKU (VIDEO) Archivováno 23. dubna 2016 ve Wayback Machine s informacemi od výzkumníků z University of Washington: „Jeden výzkumník schopný poslat mozkový signál přes internet k ovládání pohyby rukou kolegy výzkumníka“.
  11. ↑ KAJ SOTALA, HARRI VALPOLA – COALESCING MINDS: BRAIN UPLOADING-RELATED GROUP MIND SCENARIOS Archived 28. října 2017 na Wayback Machine , 2012; International Journal of Machine Consciousness
  12. ↑ Enikeeva, Alfiya „Ruští vědci naučí počítač číst myšlenky“ Archivní kopie z 10. března 2014 na Wayback Machine , Science and Technology of Russia , Retrieved 2011-7-24.
  13. ↑ OPK "Rostec" zahájila testování neurálního rozhraní robotických protéz . Získáno 26. srpna 2015. Archivováno z originálu 9. září 2015.
  14. ↑ Ulrika, Wijk, Ingela K., Carlsson, Christian, Antfolk, Anders, Björkman, Birgitta, Rosen. Senzorická zpětná vazba v ručních protézách: Prospektivní studie každodenního použití  //  Frontiers in Neuroscience. - 2020. - T. 14 . — ISSN 1662-453X . - doi : 10.3389/fnins.2020.00663 . Archivováno z originálu 24. června 2021.
  15. ↑ Dvě protetické ruce „mocí myšlenky“ současně: se zpětnou vazbou . Neuronovosti (19. října 2019). Získáno 1. července 2021. Archivováno z originálu dne 9. července 2021.

Literatura

Doporučená četba

Odkazy