Нейрокомпьютерный интерфейс: принцип работы, сферы применения, плюсы и минусы
Постепенно в нашу жизнь входит много нового. Развитие техники не стоит на месте, и завтра может быть возможно то, о чем вчера мы не осмеливались мечтать. Нейрокомпьютерный интерфейс (НКИ) делает реальной связь человеческого мозга с техникой, их частичное взаимодействие.
Что такое НКИ?
НКИ – это система обмена информацией между мозгом человека и электронным устройством. Обмен может быть двухсторонним, когда электрические импульсы поступают от устройства в мозг и обратно, или односторонним, когда информацию получает только один объект. Более простым языком, НКИ представляет собой то, что называется «управление силой мысли». Очень важное открытие, которое уже сейчас широко используется во многих сферах жизни.
Как работает НКИ?
Нейроны мозга передают друг другу информацию с помощью электрических импульсов. Это очень сложная и запутанная сеть, которую ученые пока не могут проанализировать до конца. Но с помощью НКИ стало возможным считывать часть информации импульсов мозга и передавать ее на электронные устройства. Они, в свою очередь, могут преобразовывать импульсы в действие.
История изучения НКИ
Примечательно, что основой для развития НК-интерфейса стали труды русского ученого И. П. Павлова об условных рефлексах. Также немаловажную роль в изучении НКИ сыграла его же работа по теме регулирующей роли коры головного мозга. Исследования И. П. Павлова проходили в начале двадцатого века в Институте экспериментальной медицины в Санкт-Петербурге. Позднее идеи Павлова в направлении НК-интерфейса развили советский физиолог П. К. Анохин и советский и российский нейрофизиолог Н. П. Бехтерева. Глобальные исследования НКИ начались только в 1970-х годах в США. Эксперименты проводили на обезьянах, крысах и других животных. В ходе исследований ученые, работающие с подопытными обезьянами, выяснили, что за движения их конечностей отвечают определенные зоны мозга. С момента этого открытия последующая судьба НКИ была решена.
Электроэнцефалография (ЭЭГ)
Электроэнцефалография представляет собой способ считывания электронных импульсов мозга посредством неинвазивного прикрепления электродов к голове человека. Неинвазивный метод – это такой метод, при котором электроды крепятся на голову человека или животного, без непосредственного введения в кору мозга. Метод ЭЭГ появился сравнительно давно и внес большой вклад в развитие нейрокомпьютерного интерфейса. Метод ЭЭГ используется по сей день, потому что он недорогой и действенный.
Этапы НКИ
Информация, исходящая из человеческого мозга, обрабатывается электронным устройством в четыре этапа:
- Получение сигнала.
- Предварительная обработка.
- Интерпретация и классификация данных.
- Вывод данных.
Первый этап
При первом этапе электроды либо вводятся непосредственно в кору головного мозга (инвазивный метод), либо крепятся на поверхность головы (неинвазивный метод). Начинается процесс считывания информации клеток головного мозга. Электроды собирают данные отдельных систем нейронов, отвечающих за различные действия.
Предварительная обработка
На втором этапе интерфейса «мозг – компьютер» происходит предварительная обработка полученных сигналов. Устройство извлекает характеристики сигналов, чтобы упростить сложный состав данных, отсеять лишнюю информацию и шум, мешающие четко выделить сигналы мозга.
Третий этап
На третьем этапе НК-интерфейса информация интерпретируется из электрических импульсов в цифровой код. Он обозначает действие, сигнал к которому дал мозг. Затем полученные коды классифицируются.
Вывод данных
Вывод информации происходит на четвертом этапе. Оцифрованные данные выводятся на соединенное с мозгом устройство, которое выполняет мысленно заданную команду.
Нейропротезирование
Одна из главных сфер внедрения мозгового интерфейса – медицина. Нейронные протезы призваны восстановить связь между мозгом человека и действием его органов, заменить поврежденные болезнью или травмой органы с последующим восстановлением функций здорового тела. Особенно хорошо НКИ может помочь людям с параличом или потерей конечностей. В использовании нейронных протезов используется принцип работы нейрокомпьютерного интерфейса. Если говорить очень упрощенно, человеку устанавливают протезы рук или ног, электронные имплантаты от которых ведут к области мозга, отвечающей за движение данной конечности. Нейропротезирование прошло многие тестирования, но сложность его массового использования заключается в том, что НКИ не может полностью прочитать сигналы мозга, а управление протезами в обычной жизни вне лаборатории вызывает сложности. Несколько лет назад в России хотели наладить производство нейропротезов, но до сих пор это не осуществлено.
Слуховые протезы
Если протезы конечностей еще не появились на массовом рынке, то кохлеарный имплантат (протез, помогающий восстановить слух) используют довольно давно. Чтобы его получить, пациент должен иметь выраженную степень сенсоневральной тугоухости (то есть такой потери слуха, при которой нарушена способность слухового аппарата принимать и анализировать звуки). К помощи восстановления слуха посредством кохлеарного имплантата прибегают тогда, когда обычный слуховой аппарат не дает ожидаемых результатов. Имплантат вживляется в аппарат уха и прилегающую к нему часть головы в результате хирургической операции. Как и любой другой нейрокомпьютерный интерфейс, кохлеарный имплантат должен полностью подойти владельцу. Чтобы научиться им пользоваться и начать воспринимать имплантат как новое ухо, пациенту нужно пройти долгий курс реабилитации.
Будущее НКИ
В последнее время можно везде услышать и прочитать об искусственном интеллекте. Это означает, что мечта многих людей сбывается – скоро наш мозг войдет в симбиоз с техникой. Несомненно, это будет новая эра развития человечества. Новый уровень знаний и возможностей. Благодаря интерфейсу мозг-компьютер, во многих областях науки появится большое количество новых и важных открытий. Помимо использования в медицинских целях, НКИ уже может соединять пользователя с устройствами виртуальной реальности. Такими, как виртуальная компьютерная мышь, клавиатура, герои в играх виртуальной реальности и т. д.
Управление без рук
Главной задачей нейрокомпьютерного интерфейса является поиск возможности управления техникой без помощи мышц. Открытия в этой области дадут людям с параличом конечностей больше возможностей в передвижении, управлении транспортом и гаджетами. Уже сейчас НКИ без проблем объединяет мозг человека и компьютерный искусственный интеллект. Это стало возможно благодаря глубокому изучению принципов работы человеческого мозга. Именно на их основе составляются программы, на которых работают НКИ и искусственный интеллект.
НКИ в робототехнике
Так как ученые выяснили, что за движение мышц ответственны определенные зоны мозга, у них сразу возникла мысль о том, что человеческий мозг может управлять не только своим телом, но и контролировать человекоподобную машину. Сейчас создается много различных роботизированных машин. В том числе и гуманоидов. Робототехники стремятся в своих человекоподобных работах повторить поведение живых людей. Но пока программирование и искусственный интеллект справляются с данной задачей немного хуже, чем НКИ. С помощью НК-интерфейса можно управлять роботизированными конечностями на расстоянии. Например, в таких местах, куда доступ человека невозможен. Или на работах, которые требуют ювелирной точности.
НКИ при параличах
Несомненно, самым востребованным является нейрокомпьютерный интерфейс в медицине. Управление протезами рук, ног, контроль инвалидной коляски с помощью мысли, управление информацией в смартфонах, компьютерах без рук и т. д. Если эти нововведения станут повсеместными, повысится уровень жизни людей, в настоящее время ограниченных в возможностях передвижения. Мозг сразу будет передавать команды в устройства, минуя тело, что поможет человеку с инвалидностью лучше адаптироваться в среде. Но при попытках нейропротезирования специалисты сталкиваются с некоторыми проблемами, которым не могут найти решения по сегодняшний день.
Плюсы и минусы нейрокомпьютерного интерфейса
Несмотря на то что плюсов у использования НК-интерфейса много, минусы в его применении тоже есть. Плюсом в развитии НКИ в медицине является тот факт, что головной мозг человека (в особенности его кора) очень хорошо адаптируется к изменениям, благодаря чему возможности НК-интерфейса практически безграничны. Вопрос стоит только за развитием и открытием новых технологий. Но тут возникают некоторые проблемы.
Несовместимость тканей организма с устройствами
Во-первых, если вводить имплантаты инвазивным способом (внутрь тканей), очень сложно добиться их полной совместимости с тканями пациента. Те материалы и волокна, которые должны полностью вживиться в органическую ткань, только создаются.
Несовершенство техники по сравнению с мозгом
Во-вторых, электроды все же устроены намного проще, чем нейроны мозга. Они пока не способны передавать и принимать всю ту информацию, с которой нервные клетки мозга справляются с легкостью. Поэтому движение конечностей здорового человека происходит намного быстрее и точнее, чем движение нейропротезов, а здоровое ухо воспринимает звуки четче и правильнее, чем ухо с кохлеарным имплантатом. Если наш мозг знает, какую информацию отсеивать, а какую считать за главную, то в устройствах с искусственным интеллектом это делают написанные человеком алгоритмы. Пока они не могут повторить сложные алгоритмы человеческого мозга.
Большое количество переменных, нуждающихся в контроле
Некоторые научные институты планируют в скором будущем создать не отдельный нейропротез ноги или руки, а целый экзоскелет для людей с церебральным параличом. При такой форме протеза экзоскелет должен получать информацию не только из головного мозга, но и со спинного. С таким устройством, подключенным ко всем важным нервным окончаниям тела, человека можно будет назвать настоящим киборгом. Ношение экзоскелета позволит полностью парализованному человеку вновь обрести способность двигаться. Но проблема в том, что реализация движения – не все, что требуется от НКИ. Экзоскелет должен учитывать также равновесие, координацию движений, ориентацию в пространстве. Пока задача одновременно осуществить все эти команды трудновыполнима.
Страх людей перед новым
Неинвазивный метод установки имплантатов эффективен в лабораторных условиях, но в обычной жизни этот способ вряд ли сможет оправдать возложенные на него надежды. Контакт при таком соединении слабый, используют его в основном для считывания сигналов. Поэтому в медицине и в нейропротезировании, как правило, пользуются хирургическим методом введения электродов в организм. Но мало кто согласится объединять свое тело и неведомую технику. Наслышанные о терминаторах и киборгах из голливудских фильмов, люди боятся прогресса и нововведений, тем более когда они касаются человека непосредственно.