Interfejs neurokomputerowy: zasada działania, obszary zastosowań, wady i zalety

Stopniowo wiele nowych rzeczy wkracza w nasze życie. Technologia idzie do przodu i jutro być może będzie można robić rzeczy, o których wczoraj nie śmieliśmy marzyć. Interfejs neurokomputerowy (NKI) sprawia, że połączenie ludzkiego mózgu z technologią, ich częściowa interakcja.

Co to jest NKI?

NKI to system wymiany informacji pomiędzy mózgiem człowieka a urządzeniem elektronicznym. Wymiana może być dwukierunkowa, kiedy impulsy elektryczne przepływają z urządzenia do mózgu i z powrotem, lub jednokierunkowa, kiedy tylko jeden obiekt otrzymuje informacje. W uproszczeniu NKI jest tym, co nazywa się "kontrolą umysłu". Bardzo ważne odkrycie, które jest już szeroko stosowane w wielu dziedzinach życia.

Jak działa KIK?

Neurony mózgowe przekazują sobie informacje za pomocą impulsów elektrycznych. Jest to bardzo złożona i zawiła sieć, której naukowcy nie zdołali jeszcze w pełni przeanalizować. Jednak z pomocą NKI stało się możliwe odczytanie części informacji o impulsach mózgowych i przekazanie ich do urządzeń elektronicznych. Oni z kolei z kolei może przekształcić impulsy w działania.

Historia badań nad NKI

Warto zauważyć, że prace rosyjskiego uczonego I. П. Pawłowa teoria odruchów warunkowych. Ważną rolę w badaniu NKI odegrały również jego własne prace nad regulacyjną rolą kory mózgowej. I. П. Sieć neuronowa Pawłowa miała miejsce na początku XX wieku w Instytucie Medycyny Doświadczalnej w Petersburgu. Później idee Pawłowa w kierunku NKI rozwinął radziecki fizjolog P. К. Anokhin oraz radziecki i rosyjski neurofizjolog N. П. Bekhtereva. Globalne badania nad NKI rozpoczęły się dopiero w latach 70. w USA. Eksperymenty przeprowadzono na małpach, szczurach i innych zwierzętach. Naukowcy pracujący z małpami doświadczalnymi odkryli, że pewne obszary mózgu są odpowiedzialne za ruchy kończyn. Od tego odkrycia zdecydowały się dalsze losy NKI.

Elektroencefalografia (EEG)

Elektroencefalografia to metoda odczytywania elektronicznych impulsów mózgu poprzez nieinwazyjne przymocowanie elektrod do głowy człowieka. Metoda nieinwazyjna to taka, w której elektrody mocuje się na głowie człowieka lub zwierzęcia, bez bezpośredniego wprowadzania ich do kory mózgowej. EEG zostało opracowane stosunkowo wcześnie i w znacznym stopniu przyczyniło się do rozwoju interfejsu neurokomputerowego. Metoda EEG jest stosowana do dziś, ponieważ jest niedroga i skuteczna.

Etapy NCI

Informacje pochodzące z ludzkiego mózgu są przetwarzane przez urządzenie elektroniczne w czterech etapach:

Pozyskiwanie sygnału.
Przetwarzanie wstępne.
Interpretacja i klasyfikacja danych.
Wyjście danych.

Pierwszy etap

W pierwszym etapie elektrody są wprowadzane bezpośrednio do kory mózgowej (metoda inwazyjna) lub mocowane do powierzchni głowy (metoda nieinwazyjna). Proces odczytywania informacji o komórkach rozpoczyna się Mózg. Elektrody zbierają dane z poszczególnych układów neuronalnych, które są odpowiedzialne za różne działania.

Przetwarzanie wstępne

Drugim etapem działania interfejsu mózg-komputer jest wstępne przetwarzanie odebranych sygnałów. Urządzenie wydobywa cechy sygnału w celu uproszczenia złożonego zestawu danych i odfiltrowania obcych informacji i szumów, które uniemożliwiają jednoznaczną identyfikację sygnałów mózgowych.

Etap trzeci

Trzeci stopień interfejsu NK interpretuje informacje z impulsów elektrycznych na kod cyfrowy. Wskazuje na działanie wyczuwane przez mózg. Powstałe kody są następnie klasyfikowane.

Wyjście danych

Wyprowadzenie informacji następuje w etapie czwartym. Zdigitalizowane dane są wyświetlane na urządzeniu podłączonym do mózgu, które wykonuje mentalnie zadane polecenie.

Neuroprotetyka

Jednym z głównych obszarów zastosowania interfejsu mózgowego jest medycyna. Protezy neuronowe mają na celu przywrócenie połączenia między mózgiem człowieka a działaniem jego organów, zastępując organy uszkodzone w wyniku choroby lub urazu z późniejszym przywróceniem funkcji zdrowy ciała. NKI może szczególnie pomóc osobom z paraliżem lub utratą kończyn. Zastosowanie protez neuronowych wykorzystuje zasada działania Interfejs neurokomputerowy. W bardzo dużym uproszczeniu, osoba jest wyposażona w protezę ręki lub nogi, z której elektroniczne implanty prowadzą do obszaru mózgu odpowiedzialnego za ruch tej kończyny. Neuroprotetyki były szeroko testowane, ale trudność w masowym użyciu polega na tym, że NKI nie może w pełni odczytać sygnałów z mózgu, a kontrolowanie protez w normalnym życiu poza laboratorium jest trudne. Kilka lat temu Rosja chciała stworzyć produkcję neuroprotetyków, ale do tej pory nie udało się tego zrealizować.

protezy słuchowe

Podczas gdy protezy kończyn nie są jeszcze dostępne na rynku masowym, implanty ślimakowe (protezy pomagające przywrócić słuch) są używane od dłuższego czasu. Aby otrzymać implant, osoba dotknięta chorobą musi mieć odbiorczy ubytek słuchu (tzn. pewien stopień utraty słuchu), w którym zdolność aparatu słuchowego do odbioru i analizy dźwięków jest zaburzona). Wspomaganie słuchu za pomocą implantu ślimakowego jest stosowane w przypadku, gdy zwykły aparat słuchowy nie spełnia swojej funkcji oczekiwane wyniki. Implant jest wszczepiany chirurgicznie do ucha i otaczającej go części głowy. Jak każdy inny interfejs neuronalny, implant ślimakowy musi być idealnie dopasowany do użytkownika. Zanim nauczysz się go używać i zaczniesz akceptować implant jako nowe ucho, musisz przejść długi okres rehabilitacji.

Przyszłość NKI

W dzisiejszych czasach wszędzie słyszy się i czyta o sztucznej inteligencji. Oznacza to, że spełni się marzenie wielu osób - już niedługo nasze mózgi będą w symbiozie z technologią. Będzie to niewątpliwie nowa era rozwoju ludzkości. Nowy poziom wiedzy i możliwości. Dzięki interfejsowi mózg-komputer zostanie dokonanych wiele nowych i ważnych odkryć w wielu dziedzinach nauki. Oprócz zastosowań medycznych, NKI może już łączyć użytkownika z urządzeniami wirtualnej rzeczywistości. Takich jak wirtualna mysz komputerowa, klawiatura, postacie z gier wirtualnej rzeczywistości itp. д.

Sterowanie bez użycia rąk

Wyzwaniem dla interfejsu neurokomputerowego jest znalezienie sposobu na kontrolowanie technologii bez użycia mięśni. Odkrycia w tej dziedzinie dadzą osobom z porażeniem kończyn większe możliwości poruszania się, obsługi pojazdów i gadżetów. Już teraz NCI płynnie integruje ludzki mózg i komputerową sztuczną inteligencję. Stało się to możliwe dzięki dogłębnemu Albo praca, która wymaga biżuterii mózg człowieka. Są one podstawą, na której działają NKI i sztuczna inteligencja.

NCI w robotyce

Ponieważ naukowcy odkryli, że pewne obszary mózgu odpowiadają za ruchy mięśni, od razu wpadli na pomysł, że ludzki mózg może kontrolować nie tylko własne ciało, ale może też sterować humanoidalną maszyną. Obecnie buduje się wiele różnych maszyn robotycznych. W tym humanoidalnych. Robotycy dążą do odwzorowania w swoich pracach zachowań żywych ludzi. Ale jak dotąd programowanie i sztuczna inteligencja radzą sobie niewiele gorzej niż NKI. NKIs mogą być wykorzystane do sterowania robotycznymi kończynami na odległość. Na przykład w miejscach, gdzie dostęp człowieka jest niemożliwy. Lub w pracach, które wymagają dokładności co do punktu.

NKI w porażeniach

Zdecydowanie najbardziej pożądany jest interfejs neuro-komputerowy w medycynie. Sterowanie protezami rąk, nóg, sterowanie wózkiem inwalidzkim za pomocą umysłu, kontrolowanie informacji w smartfonach, komputerach bez rąk itp. д. Gdyby te innowacje się upowszechniły, korzyści wzrosłyby poziom życia osób, które obecnie mają ograniczoną możliwość poruszania się. Mózg będzie natychmiast przekazywał polecenia do urządzeń, omijając ciało, co pomoże osobie niepełnosprawnej lepiej dostosować się do otoczenia. Jednak specjaliści, próbując wdrożyć neuroprotetykę, napotykają na kilka problemów, których do dziś nie udało się rozwiązać.

Wady i zalety interfejsu neurokomputerowego

Chociaż istnieje wiele zalet stosowania interfejsu NK, istnieją również wady. Plusem w rozwoju NKI w medycynie jest fakt, że ludzki mózg (zwłaszcza jego kora mózgowa) bardzo dobrze adaptuje się do zmian, więc możliwości NKI są niemal nieograniczone. To tylko kwestia rozwoju i odkrywania nowych technologii. Ale tu właśnie pojawiają się pewne problemy.

Niekompatybilność tkanek ciała z wyrobami

Po pierwsze, jeśli implanty są wszczepiane inwazyjnie (wewnątrz tkanki), bardzo trudno jest osiągnąć pełną zgodność z tkanką pacjenta. Materiały i włókna, które muszą być w pełni wszczepione w tkankę organiczną, dopiero powstają.

Niepełna technika w porównaniu z mózgiem

Po drugie, elektrody są znacznie prostsze niż neurony w mózgu. Nie są one jeszcze w stanie przekazywać i odbierać wszystkich informacji, z którymi bez problemu radzą sobie komórki nerwowe mózgu. Więc ruch kończyn zdrowego człowieka a zdrowe ucho odbiera dźwięk wyraźniej i dokładniej niż ucho implantu ślimakowego. Jeśli nasz mózg wie, które informacje odfiltrować, a które uznać za główne, to urządzenia ze sztuczną inteligencją mają napisane przez człowieka algorytmy, które to robią. Jak na razie nie potrafią odwzorować skomplikowanych algorytmów ludzkiego mózgu.

Duża liczba zmiennych, które muszą być kontrolowane

Niektóre instytuty badawcze planują w najbliższej przyszłości stworzyć nie pojedynczą neuroprotetyczną nogę czy rękę, ale cały egzoszkielet dla osób z porażeniem mózgowym. W przypadku tej formy protezy egzoszkielet musi otrzymywać informacje nie tylko z mózgu, ale także z rdzenia kręgowego. Mając takie urządzenie podłączone do wszystkich ważnych zakończeń nerwowych w ciele, osobę można by nazwać prawdziwym cyborgiem. Noszenie egzoszkieletu pozwoli osobie całkowicie sparaliżowanej odzyskać zdolność poruszania się. Problem jednak w tym, że realizacja ruchu to nie wszystko, czego wymaga się od KIK. Egzoszkielet musi również uwzględniać równowagę, koordynację i orientację przestrzenną. Dotychczas zadanie jednoczesnej realizacji wszystkich tych poleceń było trudne.

Lęk ludzi przed nowym

Nieinwazyjna metoda wszczepiania implantów jest skuteczna w laboratorium, ale w normalnym życiu metoda ta raczej nie spełnia oczekiwań. Kontakt z tym połączeniem jest słaby, używa się go w głównie dla sygnałów odczytu. Dlatego w medycynie i neuroprotetyce stosuje się raczej chirurgiczną metodę wprowadzania elektrod do ciała. Ale mało kto zgodziłby się na połączenie swojego ciała i nieznanej techniki. Słysząc o terminatorach i cyborgach w hollywoodzkich filmach, ludzie boją się postępu i innowacji, zwłaszcza gdy dotyczą one bezpośrednio ludzi.