Neiro saskarnes - tehnoloģijas, kas savieno smadzenes un datoru - pakāpeniski kļūst par rutīnu: mēs jau esam redzējuši, kā ar garīgu pavēļu palīdzību cilvēks var kontrolēt protēzi vai rakstīt tekstu datorā. Vai tas nozīmē, ka zinātniskās fantastikas rakstnieku solījumi, kuri rakstīja par pilnvērtīgu domu lasīšanu, izmantojot datoru vai pat par cilvēka apziņas pārnesi datorā, drīz kļūs par realitāti? Tā pati tēma - "paplašinātā personība" - 2019. gadā ir veltīta zinātniskās fantastikas stāstu konkursam "Nākotnes laiks", kuru organizē labdarības fonds "Sistema". Kopā ar konkursa organizatoriem N + 1 redaktori izdomāja, uz ko mūsdienu neironu saskarnes ir spējīgas un vai mēs tiešām varam izveidot pilnvērtīgu smadzeņu un datora savienojumu. Un Aleksandrs Kaplāns mums palīdzēja šajā,Maskavas Valsts universitātes Lomonosova pirmās krievu interfeisa laboratorijas dibinātājs.
Kapāt ķermeni
Neilam Harbissonam ir iedzimta ahromatopsija, kas viņam ir liegusi krāsu redzi. Brits, nolemjot maldināt dabu, implantēja īpašu kameru, kas krāsu pārvērš skaņas informācijā un nosūta to uz iekšējo ausu. Neils sevi uzskata par pirmo kiborgu, ko valsts oficiāli atzinusi.
2012. gadā Amerikas Savienotajās Valstīs Endrjū Šveiks no Pitsburgas universitātes demonstrēja paralizētu 53 gadus vecu pacientu, kurš, izmantojot viņas smadzenēs implantētos elektrodus, raidīja signālus robotam. Viņa iemācījās vadīt robotu tik daudz, ka spēja apkalpot sev šokolādes tāfelīti.
2016. gadā tajā pašā laboratorijā 28 gadus vecs pacients ar smagu mugurkaula traumu pagarināja smadzeņu kontrolētu mākslīgo roku Barakam Obamam, kurš viņu apmeklēja. Sensori uz rokas ļāva pacientam sajust Amerikas Savienoto Valstu 44. prezidenta rokasspiedienu.
Mūsdienu biotehnoloģija dod cilvēkiem iespēju "uzlauzt" sava ķermeņa ierobežojumus, veidojot simbiozi starp cilvēka smadzenēm un datoru. Liekas, ka viss virzās uz to, ka bioinženierija drīz kļūs par ikdienas sastāvdaļu.
Reklāmas video:
Kas notiks tālāk? Filozofs un futūrists Makss Mores, kurš ir transhumānisma idejas sekotājs, kopš pagājušā gadsimta beigām izstrādā ideju par cilvēka pāreju uz jaunu evolūcijas posmu, cita starpā izmantojot datortehnoloģijas. Pēdējo divu gadsimtu literatūrā un kino līdzīga futūristiskās iztēles spēle ir paslīdējusi.
Viljama Gibbsona zinātniskās fantastikas romāna Neuromancer, kas publicēts 1984. gadā, pasaulē ir izstrādāti implanti, kas viņu valkātājam ļauj izveidot savienojumu ar internetu, paplašināt intelektuālās iespējas un no jauna uzdzīvot atmiņas. Japānas kulta japāņu zinātniskās mangas “Ghost in the Shell” autors Masamune Shiro, kas nesen tika filmēts ASV, apraksta nākotni, kurā jebkuru orgānu var aizstāt ar bioniku līdz pilnīgai apziņas nodošanai robota ķermenī.
Cik tālu neironu saskarnes var aiziet pasaulē, kur, no vienas puses, neziņa vairo fantāzijas, un, no otras puses, fantāzijas bieži izrādās providence?
Iespējamā atšķirība
Centrālā nervu sistēma (CNS) ir sarežģīts komunikāciju tīkls. Tikai smadzenēs ir vairāk nekā 80 miljardi neironu, un starp tiem ir triljoni savienojumu. Katru milisekundi nervu šūnās un ārpus tām mainās pozitīvo un negatīvo jonu sadalījums, nosakot, kā un kad tā reaģēs uz jaunu signālu. Miega stāvoklī neironam ir negatīvs potenciāls attiecībā pret vidi (vidēji -70 milivolti) vai "atpūtas potenciāls". Citiem vārdiem sakot, tas ir polarizēts. Ja neirons saņem elektrisko signālu no cita neirona, tad, lai to varētu pārraidīt tālāk, pozitīvajiem joniem jāievada nervu šūnā. Notiek depolarizācija. Kad depolarizācija sasniedz sliekšņa vērtību (tomēr aptuveni -55 milivolti, šī vērtība var mainīties),šūna satraukti un ievada arvien vairāk pozitīvi lādētu jonu, kas rada pozitīvu potenciālu jeb "darbības potenciālu".
Darbības potenciāls.
Turklāt darbības potenciāls gar aksonu (šūnas komunikācijas kanāls) tiek pārnests uz dendrītu - nākamās šūnas saņēmēja kanālu. Tomēr aksons un dendrīts nav tieši savienoti, un elektriskais impulss nevar vienkārši pāriet no viena uz otru. Viņu kontakta vietu sauc par sinapsēm. Sinapses rada, pārraida un saņem neirotransmiteri - ķīmiskus savienojumus, kas tieši "pārsūta" signālu no vienas šūnas aksona uz citas šūnas dendrītu.
Kad impulss sasniedz aksona galu, tas atbrīvo neiromediatorus sinaptiskajā spraugā, šķērsojot telpu starp šūnām un piestiprinot pie dendrīta gala. Viņi piespiež dendrītu ielaist pozitīvi uzlādētus jonus, pāriet no atpūtas potenciāla uz darbības potenciālu un pārraida signālu uz šūnas ķermeni.
Neirotransmitera tips arī nosaka, kurš signāls tiks nosūtīts tālāk. Piemēram, glutamāts noved pie neironu izdalīšanās, gamma-aminosviestskābe (GABA) ir svarīgs inhibējošs mediators, un acetilholīns var rīkoties abos gadījumos atkarībā no situācijas.
Neirons shematiski izskatās šādi:
Neirona diagramma.
Un tas izskatās šādi realitātē:
Neirons zem mikroskopa.
Turklāt saņēmēja šūnas reakcija ir atkarīga no ienākošo impulsu skaita un ritma, informācijas, kas nāk no citām šūnām, kā arī no smadzeņu zonas, no kuras tika nosūtīts signāls. Dažādas palīgšūnas, endokrīnā un imūnsistēma, ārējā vide un iepriekšējā pieredze - tas viss nosaka centrālās nervu sistēmas stāvokli šobrīd un tādējādi ietekmē cilvēka uzvedību.
Un, lai arī, kā mēs to saprotam, centrālā nervu sistēma nav "vadu" kopums, neiro interfeisu darbs precīzi balstās uz nervu sistēmas elektrisko aktivitāti.
Pozitīvs lēciens
Neiro saskarnes galvenais uzdevums ir atšifrēt elektrisko signālu, kas nāk no smadzenēm. Programmai ir "veidņu" vai "notikumu" komplekts, kas sastāv no dažādiem signāla parametriem: vibrācijas frekvencēm, smailēm (aktivitātes virsotnēm), vietām uz garozas utt. Programma analizē ienākošos datus un mēģina tajos atklāt šos notikumus.
Nosūtītās komandas tālāk ir atkarīgas no iegūtā rezultāta, kā arī no visas sistēmas funkcionalitātes.
Šāda modeļa piemērs ir P300 (pozitīvs 300) izraisītais potenciāls, ko bieži izmanto tā saucamajiem rakstāmajiem - mehānismiem teksta ierakstīšanai, izmantojot smadzeņu signālus.
Kad cilvēks redz ekrānā vajadzīgo simbolu, pēc 300 milisekundēm smadzeņu aktivitātes reģistrēšanā var noteikt pozitīvu elektriskā potenciāla lēcienu. Atklājot P300, sistēma nosūta komandu, lai izdrukātu atbilstošo rakstzīmi.
Šajā gadījumā algoritms nejaušā elektriskā darbībā nevar noteikt potenciālu no viena laika signāla trokšņa līmeņa dēļ. Tāpēc simbols jāuzrāda vairākas reizes, un iegūtajiem datiem jābūt vidējiem.
Papildus vienpakāpes potenciāla maiņai neirointerfeiss var meklēt smadzeņu ritmiskās (t.i., svārstīgās) aktivitātes izmaiņas, ko izraisa noteikts notikums. Kad pietiekami liela neironu grupa nonāk sinhronā aktivitātes svārstību ritmā, to var noteikt signāla spektrogrammā ERS (ar notikumiem saistīta sinhronizācija) formā. Ja gluži pretēji, notiek svārstību desinhronizācija, tad spektrogrammā ir ERD (notikumu saistītā desinhronizācija).
Brīdī, kad cilvēks veic rokas kustību vai vienkārši to iedomājas, ERD tiek novērots pretējās puslodes motoriskajā garozā ar svārstību frekvenci aptuveni 10–20 herci.
Šo un citas veidnes programmai var piešķirt manuāli, taču bieži tās tiek izveidotas, strādājot ar katru konkrēto personu. Mūsu smadzenes, tāpat kā tās darbības iezīmes, ir individuālas un prasa sistēmas pielāgošanu tām.
Ierakstu elektrodi
Lielākā daļa neiro saskarņu aktivitātes reģistrēšanai izmanto elektroencefalogrāfiju (EEG), tas ir, neinvazīvu neiroattēla metodi, ņemot vērā tās relatīvo vienkāršību un drošību. Elektrodi, kas piestiprināti pie galvas virsmas, reģistrē elektriskā lauka izmaiņas, ko izraisa dendritu potenciāla izmaiņas pēc tam, kad darbības potenciāls ir "šķērsojis" sinapses.
Brīdī, kad pozitīvie joni iekļūst dendrītā, apkārtējā vidē veidojas negatīvs potenciāls. Neirona otrajā galā joni ar tādu pašu lādiņu sāk iziet no šūnas, radot pozitīvu potenciālu ārpusē, un telpa, kas apņem neironu, pārvēršas par dipolu. Elektrisko lauku, kas izplatās no dipola, reģistrē ar elektrodu.
Diemžēl metodei ir vairāki ierobežojumi. Galvaskauss, āda un citi slāņi, kas atdala nervu šūnas no elektrodiem, lai arī tie ir vadītāji, nav tik labi, lai neizkropļotu informāciju par signālu.
Elektrodi spēj reģistrēt tikai daudzu kaimiņu neironu kopējo aktivitāti. Galvenais ieguldījums mērījumu rezultātos nāk no neironiem, kas atrodas garozas augšējos slāņos, kuru procesi ir perpendikulāri tās virsmai, jo tieši tie rada dipolu, kura elektrisko lauku vislabāk uztver sensors.
Tas viss noved pie informācijas zuduma no dziļajām struktūrām un precizitātes samazināšanās, tāpēc sistēma ir spiesta strādāt ar nepilnīgiem datiem.
Invazīvie elektrodi, implantēti uz virsmas vai tieši smadzeņu iekšpusē, ļauj sasniegt daudz lielāku precizitāti.
Ja vēlamā funkcija ir saistīta ar smadzeņu virsmas slāņiem (piemēram, motora vai maņu aktivitāti), tad implantācija aprobežojas ar trepanāciju un elektrodu piestiprināšanu pie garozas virsmas. Sensori nolasa daudzu šūnu kopējo elektrisko aktivitāti, taču šis signāls nav tik izkropļots kā EEG.
Ja svarīga ir aktivitāte, kas atrodas dziļāk, tad elektrodi tiek ievietoti garozā. Izmantojot īpašus mikroelektrodus, ir pat iespējams reģistrēt atsevišķu neironu darbību. Diemžēl invazīvā tehnika rada potenciālus draudus cilvēkiem, un medicīnas praksē to izmanto tikai ārkārtējos gadījumos.
Tomēr ir cerība, ka tehnika nākotnē kļūs mazāk traumatiska. Amerikāņu uzņēmums Neuralink plāno īstenot ideju, izmantojot lāzera staru, droši ieviest tūkstošiem plānu elastīgu elektrodu bez urbšanas galvaskausā.
Vairākas citas laboratorijas strādā pie bioloģiski noārdāmiem sensoriem, kas no smadzenēm noņems elektrodus.
Banāns vai apelsīns?
Signāla ierakstīšana ir tikai pirmais solis. Tālāk jums tas "jāizlasa", lai noteiktu nodomus aiz tā. Smadzeņu darbības atšifrēšanai ir divi iespējamie veidi: ļaujiet algoritmam atlasīt atbilstošos raksturlielumus no pašas datu kopas vai sniedziet sistēmai meklējamo parametru aprakstu.
Pirmajā gadījumā algoritms, kuru neierobežo meklēšanas parametri, pats klasificē “neapstrādātu” signālu un atrod elementus, kas paredz nodomus ar visaugstāko varbūtību. Ja, piemēram, subjekts pārmaiņus domā par kustību ar labo un kreiso roku, tad programma spēj atrast signāla parametrus, kas maksimāli atšķir vienu iespēju no otra.
Šīs pieejas problēma ir tā, ka smadzeņu elektrisko aktivitāti raksturojošie parametri ir pārāk daudzdimensionāli, un dati ir pārāk trokšņaini ar dažādiem trokšņiem.
Izmantojot otro dekodēšanas algoritmu, iepriekš jāzina, kur un ko meklēt. Piemēram, iepriekš aprakstītajā P300 rakstāmgalda piemērā mēs zinām, ka tad, kad cilvēks redz simbolu, noteiktā veidā mainās elektriskais potenciāls. Mēs iemācām sistēmai meklēt šīs izmaiņas.
Šādā situācijā spēja atšifrēt personas nodomus ir saistīta ar mūsu zināšanām par to, kā smadzeņu funkcijas tiek kodētas neironu darbībā. Kā signālā parādās šis vai tas nodoms vai stāvoklis? Diemžēl vairumā gadījumu uz šo jautājumu mums nav atbildes.
Notiek kognitīvās funkcijas neirobioloģiskie pētījumi, taču, neskatoties uz to, mēs varam atšifrēt ļoti nelielu signālu daļu. Smadzenes un apziņa pagaidām mums ir “melnā kaste”.
Aleksandrs Kaplāns, neirofiziologs, bioloģijas zinātņu doktors un Maskavas Valsts universitātes Lomonosova neirofizioloģijas un neiro interfeisu laboratorijas dibinātājs, kurš Krievijā saņēmis pirmo stipendiju smadzeņu un datora saziņas neiro interfeisa izstrādei, saka, ka pētnieki spēj automātiski atšifrēt dažus cilvēka nodomus vai attēlus, kurus viņi iedomājušies, balstoties uz EEG. …
Tomēr šobrīd tādu nodomu un tēlu nav vairāk kā ducis. Tie parasti ir stāvokļi, kas saistīti ar relaksāciju un garīgu spriedzi vai ar ķermeņa daļu kustību attēlojumu. Un pat to atpazīšana notiek ar kļūdām: piemēram, ar EEG starpniecību nosakot, ka cilvēks ir iecerējis labo roku iesist dūrē, pat labākajās laboratorijās tas ir iespējams ne vairāk kā 80–85 procentos no kopējā mēģinājumu skaita.
Un, ja jūs mēģināt no EEG saprast, vai cilvēks iedomājas banānu vai apelsīnu, tad pareizo atbilžu skaits tikai nedaudz pārsniegs nejaušu minējumu līmeni.
Skumjākais ir tas, ka nav bijis iespējams uzlabot neiro saskarnes sistēmu uzticamību, atzīstot EEG cilvēka nodomus, un paplašināt šādu nodomu sarakstu vairāk nekā 15 gadus, neskatoties uz ievērojamo progresu algoritmu un skaitļošanas tehnoloģijas attīstībā, kas sasniegti tajā pašā laikā.
Acīmredzot EEG atspoguļo tikai nelielu daļu no cilvēka garīgās aktivitātes. Tāpēc neiro interfeisa sistēmām ir jāpieiet ar mērenām cerībām un skaidri jāizklāsta to reālās pielietošanas jomas.
Pazudis tulkojumā
Kāpēc mēs nevaram izveidot sistēmu, kas dara to, ko smadzenes var viegli izdarīt? Īsāk sakot, smadzeņu darbība ir pārāk sarežģīta mūsu analītiskajām un skaitļošanas spējām.
Pirmkārt, mēs nezinām "valodu", kurā nervu sistēma sazinās. Papildus impulsu sērijām to raksturo daudzi mainīgie: ceļu un pašu šūnu iezīmes, ķīmiskās reakcijas, kas notiek informācijas pārsūtīšanas laikā, kaimiņu neironu tīklu un citu ķermeņa sistēmu darbs.
Papildus tam, ka šīs "valodas" gramatika pati par sevi ir sarežģīta, tā var atšķirties dažādos nervu šūnu pāros. Situāciju pasliktina tas, ka komunikācijas noteikumi, kā arī šūnu funkcijas un attiecības starp tām ir ļoti dinamiskas un pastāvīgi mainās jaunu notikumu un apstākļu ietekmē. Tas eksponenciāli palielina informācijas daudzumu, kas jāņem vērā.
Dati, kas pilnībā raksturo smadzeņu darbību, vienkārši noslīks jebkuru algoritmu, kas apņemas to analizēt. Tāpēc nodomu, atmiņu, kustību atšifrēšana ir praktiski neatrisināms uzdevums.
Otrais šķērslis ir tas, ka mēs ļoti maz zinām par tām smadzeņu funkcijām, kuras mēs cenšamies atklāt. Kas ir atmiņa vai vizuālais attēls, no kā tie tiek veidoti? Neirofizioloģijā un psiholoģijā uz šiem jautājumiem ir mēģināts atbildēt jau ilgu laiku, taču līdz šim pētījumos ir bijis neliels progress.
Šajā ziņā priekšrocība ir visvienkāršākajām funkcijām, piemēram, motora un maņu funkcijām, jo tās ir labāk saprotamas. Tāpēc pašlaik pieejamās neironu saskarnes galvenokārt mijiedarbojas ar tām.
Viņi spēj atpazīt taustes sajūtas, iedomātu ekstremitāšu kustību, reakciju uz redzes stimulēšanu un vienkāršas reakcijas uz vides notikumiem, piemēram, reakciju uz kļūdu vai gaidāmā stimula neatbilstību reālajam. Bet augstāka nervu aktivitāte mūsdienās joprojām ir liels noslēpums.
Divpusēja komunikācija
Līdz šim mēs esam diskutējuši tikai par informācijas vienpusējas lasīšanas situāciju bez jebkādas atpakaļejošas ietekmes. Tomēr šodien jau ir tehnoloģija signālu pārsūtīšanai no datora uz smadzenēm - CBI (datora un smadzeņu saskarne). Tas neiro interfeisa sakaru kanālu padara divvirzienu.
Informācija (piemēram, skaņas, taustes sajūtas un pat dati par smadzeņu darbību) nonāk datorā, tiek analizēta un, stimulējot centrālās vai perifērās nervu sistēmas šūnas, tiek nodota smadzenēm. Tas viss var notikt, pilnībā apejot dabiskos uztveres orgānus, un to veiksmīgi izmanto, lai aizstātu tos.
Pēc Aleksandra Kaplana teiktā, šobrīd vairs nav nekādu teorētisku ierobežojumu personas aprīkošanai ar mākslīgiem maņu "orgāniem", kas tieši savienoti ar smadzeņu struktūrām. Turklāt tie tiek aktīvi ieviesti cilvēka ikdienas dzīvē, piemēram, lai aizstātu traucētos dabiskās sajūtas orgānus.
Cilvēkiem ar dzirdes traucējumiem jau ir pieejami tā saucamie kohleārie implanti: mikročipi, kas apvieno mikrofonu ar dzirdes receptoriem. Ir sākta tīklenes implantu pārbaude redzes atjaunošanai.
Pēc Kaplana teiktā, nav nekādu tehnisku ierobežojumu citu sensoru savienošanai ar smadzenēm, kas reaģē uz ultraskaņu, radioaktivitātes, ātruma vai spiediena izmaiņām.
Problēma ir tā, ka šīm tehnoloģijām jābūt pilnībā balstītām uz mūsu zināšanām par smadzeņu darbību. Kas, kā mēs jau uzzinājām, ir diezgan ierobežoti.
Vienīgais veids, kā apiet šo problēmu, pēc Kaplana teiktā, ir izveidot pilnīgi jaunu komunikācijas kanālu ar savu saziņas valodu un iemācīt ne tikai datoru, bet arī smadzenes atpazīt jaunus signālus.
Šāda attīstība jau ir sākusies. Piemēram, Džonsa Hopkinsa universitātes lietišķās fizikas laboratorijā pirms vairākiem gadiem viņi pārbaudīja bionisko roku, kas spēj smadzenēm nodot taustes informāciju.
Pieskaroties mākslīgās rokas sensoriem, elektrodi stimulē perifērās nervu sistēmas ceļus, kas pēc tam pārraida signālu uz smadzeņu maņu apgabaliem. Persona iemācās atpazīt ienākošos signālus kā dažāda veida pieskārienus. Tādējādi tā vietā, lai mēģinātu reproducēt taktilo signālu sistēmu, kas ir dabiska cilvēkiem, tiek izveidots jauns saziņas kanāls un valoda.
Tomēr šo attīstības ceļu ierobežo jauno kanālu skaits, ko mēs varam izveidot, un tas, cik informatīvi tie būs smadzenēm, saka Aleksandrs Kaplāns.
Nākotnes forma
Kaplans uzskata, ka šobrīd nav jauna veida, kā attīstīt neiro interfeisa tehnoloģijas. Pēc viņa teiktā, pati saskarnes iespēja saziņai starp smadzenēm un datoru tika atklāta pagājušā gadsimta 70. gados, un smadzeņu principi, uz kuriem balstās mūsdienu notikumi, tika aprakstīti apmēram pirms trīsdesmit gadiem, un kopš tā laika jaunas idejas praktiski nav parādījušās.
Tādējādi plaši izmantotais P300 potenciāls tika atklāts 60. gados, motora attēli 1980. – 1990. Gados un neatbilstības negatīvisms 1970. gados).
Zinātnieki reiz cerēja, ka spēs nodibināt ciešāku informācijas kontaktu starp smadzenēm un procesora tehnoloģiju, taču šodien kļuva skaidrs, ka tie nepiepildās.
Tomēr Kaplans saka, ka ir kļuvis skaidrs, ka neiro saskarnes var ieviest medicīnā. Pēc zinātnieka domām, tagad neiro interfeisu attīstība vislielākajā mērā notiek ar tehnoloģiju ieviešanu klīniskajā sfērā.
Zinātnieki reiz cerēja, ka spēs nodibināt ciešāku informācijas kontaktu starp smadzenēm un procesora tehnoloģiju, taču šodien kļuva skaidrs, ka tie nepiepildās.
Tomēr Kaplans saka, ka ir kļuvis skaidrs, ka neiro saskarnes var ieviest medicīnā. Pēc zinātnieka domām, tagad neiro interfeisu attīstība vislielākajā mērā notiek ar tehnoloģiju ieviešanu klīniskajā sfērā.
Tomēr, pateicoties smadzeņu izpētei un tehnikas attīstībai, mūsdienu neiro saskarnes ir spējīgas uz to, kas kādreiz šķita nepraktisks. Mēs droši nezinām, kas notiks pēc 30, 50 vai 100 gadiem. Zinātnes vēsturnieks Tomass Kuhns izvirzīja ideju, ka zinātnes attīstība ir cikls: stagnācijas periodus aizstāj ar paradigmatiskām maiņām un sekojošām zinātniskām revolūcijām. Pilnīgi iespējams, ka nākotnē mums notiks revolūcija, kas smadzenes izvedīs no melnās kastes. Un viņa nāks no visnegaidītākajām pusēm.
Marija Ermolova