Neurointerfaces - teknologi yang menghubungkan otak dan komputer - secara beransur-ansur menjadi rutin: kita telah melihat bagaimana, dengan bantuan pesanan mental, seseorang dapat mengendalikan prostesis atau menaip teks pada komputer. Adakah ini bermaksud bahawa janji penulis fiksyen ilmiah yang menulis mengenai pembacaan pemikiran sepenuhnya menggunakan komputer atau bahkan tentang memindahkan kesedaran manusia ke dalam komputer akan segera menjadi kenyataan? Topik yang sama - "Augmented Personality" - pada tahun 2019 dikhaskan untuk pertandingan cerita fiksyen ilmiah "Masa Depan", yang dianjurkan oleh yayasan amal Sistema. Bersama dengan penganjur pertandingan, editor N + 1 mengetahui apa yang mampu dilakukan antara muka saraf moden dan adakah kita benar-benar dapat membuat sambungan otak-komputer yang lengkap. Alexander Kaplan membantu kami dalam hal ini,pengasas makmal antara muka Rusia pertama di Lomonosov Moscow State University.
Hack badan
Neil Harbisson menderita achromatopsia kongenital, yang telah membuatnya kehilangan penglihatan warna. Warga Britain itu, memutuskan untuk menipu alam, memasang kamera khas yang menukar warna menjadi maklumat bunyi dan menghantarnya ke telinga dalam. Neil menganggap dirinya cyborg pertama yang diiktiraf secara rasmi oleh negara.
Pada tahun 2012, di Amerika Syarikat, Andrew Schwartz dari University of Pittsburgh menunjukkan pesakit berusia 53 tahun yang lumpuh yang, menggunakan elektrod yang ditanamkan di otaknya, menghantar isyarat kepada robot. Dia belajar mengendalikan robot sedemikian rupa sehingga mampu melayani dirinya sebatang coklat.
Pada tahun 2016, di makmal yang sama, seorang pesakit berusia 28 tahun dengan kecederaan tulang belakang yang teruk menghulurkan tangan buatan otak yang dikendalikan otak kepada Barack Obama yang mengunjunginya. Sensor di tangan membolehkan pesakit merasakan jabat tangan Presiden Amerika Syarikat ke-44.
Bioteknologi moden memberi kekuatan kepada manusia untuk "memecahkan" batasan badan mereka, mewujudkan simbiosis antara otak manusia dan komputer. Nampaknya semuanya menuju ke fakta bahawa bioengineering tidak lama lagi akan menjadi sebahagian daripada kehidupan seharian.
Video promosi:
Apa yang akan berlaku seterusnya? Ahli falsafah dan futuris Max More, pengikut idea transhumanisme, sejak akhir abad yang lalu telah mengembangkan idea peralihan manusia ke tahap evolusi baru menggunakan, antara lain, teknologi komputer. Dalam kesusasteraan dan pawagam dua abad terakhir, lakonan khayalan futuristik serupa telah merosot.
Dalam dunia novel fiksyen ilmiah William Gibbson, Neuromancer, yang diterbitkan pada tahun 1984, implan telah dikembangkan yang membolehkan pemakainya menyambung ke Internet, mengembangkan kemampuan intelektual dan menghidupkan kembali kenangan. Masamune Shiro, pengarang kultus sci-fi manga Jepun "Ghost in the Shell" yang baru-baru ini difilemkan di AS, menggambarkan masa depan di mana mana-mana organ boleh diganti dengan bionik, hingga pemindahan kesedaran sepenuhnya ke dalam tubuh robot.
Sejauh mana antarmuka saraf boleh pergi ke dunia di mana, di satu pihak, kebodohan melipatgandakan khayalan, dan di sisi lain, khayalan sering berubah menjadi pemeliharaan?
Perbezaan potensi
Sistem saraf pusat (CNS) adalah rangkaian komunikasi yang kompleks. Terdapat lebih daripada 80 bilion neuron di otak sahaja, dan terdapat triliunan hubungan di antara mereka. Setiap milisaat di dalam dan di luar mana-mana sel saraf, pengedaran ion positif dan negatif berubah, menentukan bagaimana dan kapan ia akan bertindak balas terhadap isyarat baru. Pada waktu rehat, neuron mempunyai potensi negatif relatif terhadap lingkungan (rata-rata -70 milivolt), atau "potensi rehat". Dengan kata lain, ia terpolarisasi. Sekiranya neuron menerima isyarat elektrik dari neuron lain, maka agar ia dapat dihantar lebih jauh, ion positif mesti masuk ke dalam sel saraf. Depolarisasi berlaku. Apabila depolarisasi mencapai nilai ambang (kira-kira -55 milivolt, bagaimanapun, nilai ini mungkin berbeza),sel menjadi teruja dan masuk ke ion-ion bermuatan positif yang lebih banyak, yang mewujudkan potensi positif, atau "potensi tindakan".
Potensi tindakan.
Selanjutnya, potensi aksi di sepanjang akson (saluran komunikasi sel) dihantar ke dendrit - saluran penerima sel berikutnya. Walau bagaimanapun, akson dan dendrit tidak tersambung secara langsung, dan dorongan elektrik tidak boleh hanya bergerak dari satu ke yang lain. Tempat hubungan antara mereka disebut sinaps. Sinapsis menghasilkan, menghantar dan menerima neurotransmitter - sebatian kimia yang secara langsung "memajukan" isyarat dari akson satu sel ke dendrit sel yang lain.
Apabila dorongan mencapai hujung akson, ia melepaskan neurotransmitter ke celah sinaptik, menyeberangi ruang antara sel dan melekat pada hujung dendrit. Mereka memaksa dendrit untuk melepaskan ion bermuatan positif, bergerak dari potensi istirahat ke potensi aksi, dan mengirimkan isyarat ke badan sel.
Jenis neurotransmitter juga menentukan isyarat mana yang akan dihantar lebih jauh. Sebagai contoh, glutamat menyebabkan penembakan neuron, asid gamma-aminobutyric (GABA) adalah mediator penghambat yang penting, dan asetilkolin dapat melakukan kedua-duanya bergantung kepada keadaan.
Ini adalah bagaimana neuron kelihatan secara skematik:
Gambar rajah neuron.
Ini adalah bagaimana ia kelihatan dalam kenyataan:
Neuron di bawah mikroskop.
Lebih-lebih lagi, tindak balas sel penerima bergantung pada jumlah dan irama impuls yang masuk, maklumat yang datang dari sel lain, dan juga pada kawasan otak dari mana isyarat dihantar. Pelbagai sel tambahan, sistem endokrin dan imun, persekitaran luaran dan pengalaman sebelumnya - semua ini menentukan keadaan sistem saraf pusat pada masa ini dan dengan itu mempengaruhi tingkah laku manusia.
Dan walaupun, seperti yang kita fahami, sistem saraf pusat bukanlah satu set "wayar", kerja muka neurointerfokus berdasarkan pada aktiviti elektrik sistem saraf.
Lompatan positif
Tugas utama antarmuka neuroin adalah menyahkod isyarat elektrik yang datang dari otak. Program ini mempunyai sekumpulan "templat" atau "peristiwa" yang terdiri daripada pelbagai ciri isyarat: frekuensi getaran, lonjakan (puncak aktiviti), lokasi di korteks, dan sebagainya. Program ini menganalisis data yang masuk dan cuba mengesan peristiwa-peristiwa di dalamnya.
Perintah yang dikirim lebih jauh bergantung pada hasil yang diperoleh, dan juga fungsi sistem secara keseluruhan.
Contoh corak seperti itu adalah potensi P300 (Positif 300), yang sering digunakan untuk apa yang disebut ejaan - mekanisme untuk menaip teks menggunakan isyarat otak.
Apabila seseorang melihat simbol yang dia perlukan di layar, setelah 300 milisaat, lonjakan positif elektrik mungkin dapat dikesan pada rakaman aktiviti otak. Setelah mengesan P300, sistem akan mengirimkan arahan untuk mencetak watak yang sesuai.
Dalam kes ini, algoritma tidak dapat mengesan potensi dari satu masa kerana tahap kebisingan isyarat oleh aktiviti elektrik secara rawak. Oleh itu, simbol mesti ditunjukkan beberapa kali, dan data yang diperoleh mestilah rata-rata.
Sebagai tambahan kepada perubahan potensial satu langkah, antarmuka neuroin dapat mencari perubahan dalam aktiviti otak (berosilasi) berirama yang disebabkan oleh peristiwa tertentu. Apabila sekumpulan neuron yang cukup besar memasuki irama sinkronisasi turun naik aktiviti, ini dapat dikesan pada spektrogram isyarat dalam bentuk ERS (sinkronisasi yang berkaitan dengan peristiwa). Sekiranya, sebaliknya, terdapat desinkronisasi ayunan, maka spektrogram mengandungi ERD (desinkronisasi yang berkaitan dengan peristiwa).
Pada masa ketika seseorang membuat atau hanya membayangkan pergerakan tangan, ERD diperhatikan di korteks motor hemisfera yang bertentangan pada frekuensi ayunan sekitar 10-20 hertz.
Templat ini dan lain-lain dapat ditugaskan ke program secara manual, tetapi selalunya ia dibuat dalam proses bekerja dengan setiap individu tertentu. Otak kita, seperti ciri aktivitinya, bersifat individu dan memerlukan penyesuaian sistem terhadapnya.
Elektrod rakaman
Kebanyakan muka neurointerterapi menggunakan electroencephalography (EEG) untuk merakam aktiviti, iaitu kaedah neuroimaging yang tidak invasif, kerana kesederhanaan dan keselamatannya yang relatif. Elektrod yang melekat pada permukaan kepala mendaftarkan perubahan di medan elektrik yang disebabkan oleh perubahan potensi dendrit setelah potensi tindakan “melintasi” sinaps.
Pada saat ion positif menembus ke dendrit, potensi negatif terbentuk di persekitaran sekitarnya. Di ujung neuron yang lain, ion dengan muatan yang sama mula meninggalkan sel, mewujudkan potensi positif di luar, dan ruang di sekitar neuron berubah menjadi dipol. Medan elektrik yang merambat dari dipol direkodkan oleh elektrod.
Malangnya, kaedah ini mempunyai beberapa batasan. Tengkorak, kulit dan lapisan lain yang memisahkan sel saraf dari elektrod, walaupun konduktor, tidak begitu baik sehingga tidak memutarbelitkan maklumat mengenai isyarat.
Elektrod hanya mampu merakam jumlah aktiviti neuron yang berdekatan. Sumbangan utama untuk hasil pengukuran dibuat oleh neuron yang terletak di lapisan atas korteks, yang prosesnya tegak lurus dengan permukaannya, kerana merekalah yang membuat dipol, medan elektrik yang dapat ditangkap oleh sensor dengan baik.
Semua ini membawa kepada hilangnya maklumat dari struktur dalam dan penurunan ketepatan, sehingga sistem terpaksa bekerja dengan data yang tidak lengkap.
Elektrod invasif, ditanam di permukaan atau langsung di dalam otak, memungkinkan ketepatan yang jauh lebih besar.
Sekiranya fungsi yang diinginkan dikaitkan dengan lapisan permukaan otak (misalnya, aktiviti motorik atau deria), maka implantasi terhad kepada trepanning dan penyambungan elektrod ke permukaan korteks. Sensor membaca jumlah aktiviti elektrik banyak sel, tetapi isyarat ini tidak terdistorsi seperti di EEG.
Sekiranya aktiviti yang terletak lebih dalam adalah penting, maka elektrod dimasukkan ke dalam korteks. Bahkan mungkin untuk mendaftarkan aktiviti neuron tunggal menggunakan mikroelektrod khas. Malangnya, teknik invasif menimbulkan bahaya yang berpotensi bagi manusia dan digunakan dalam praktik perubatan hanya dalam kes yang melampau.
Walau bagaimanapun, ada harapan bahawa teknik ini akan menjadi kurang trauma pada masa akan datang. Syarikat Amerika Neuralink merancang untuk menerapkan idea memperkenalkan ribuan elektrod fleksibel nipis dengan selamat tanpa menggerudi ke dalam tengkorak, menggunakan sinar laser.
Beberapa makmal lain mengusahakan sensor terbiodegradasi yang akan mengeluarkan elektrod dari otak.
Pisang atau oren?
Rakaman isyarat hanyalah langkah pertama. Seterusnya, anda perlu "membacanya" untuk menentukan maksud di sebalik itu. Terdapat dua cara yang mungkin untuk menyahkod aktiviti otak: biarkan algoritma memilih ciri-ciri yang relevan dari set data itu sendiri, atau memberi sistem penerangan mengenai parameter yang perlu dicari.
Dalam kes pertama, algoritma, tidak dibatasi oleh parameter carian, mengklasifikasikan isyarat "mentah" itu sendiri dan menemui elemen yang meramalkan niat dengan kebarangkalian tertinggi. Sekiranya, misalnya, subjek secara bergantian memikirkan pergerakan dengan tangan kanan dan kirinya, maka program ini dapat mencari parameter isyarat yang secara maksimum dapat membezakan satu pilihan dari yang lain.
Masalah dengan pendekatan ini adalah bahawa parameter yang menggambarkan aktiviti elektrik otak terlalu multidimensi, dan data terlalu bising dengan pelbagai suara.
Dengan algoritma penyahkodan kedua, perlu diketahui terlebih dahulu di mana dan apa yang harus dicari. Sebagai contoh, dalam contoh ejaan P300 yang dijelaskan di atas, kita tahu bahawa apabila seseorang melihat simbol, potensi elektrik berubah dengan cara tertentu. Kami mengajar sistem untuk mencari perubahan ini.
Dalam situasi seperti itu, kemampuan untuk menguraikan niat seseorang terikat dengan pengetahuan kita tentang bagaimana fungsi otak dikodekan dalam aktiviti saraf. Bagaimanakah niat atau keadaan ini ditunjukkan dalam isyarat? Malangnya, dalam kebanyakan kes kita tidak mempunyai jawapan untuk soalan ini.
Penyelidikan neurobiologi mengenai fungsi kognitif sedang dilakukan, namun demikian, kita dapat menguraikan pecahan isyarat yang sangat kecil. Otak dan kesedaran kekal untuk kita sebagai "kotak hitam" buat masa ini.
Alexander Kaplan, pakar neurofisiologi, Doktor Sains Biologi dan pengasas Makmal Neurofisiologi dan Wajah Neurointerfaces di Lomonosov Moscow State University, yang menerima geran pertama di Rusia untuk pengembangan antarmuka neuroin untuk komunikasi antara otak dan komputer, mengatakan bahawa penyelidik dapat secara automatik menguraikan beberapa niat manusia atau gambar yang dibayangkan oleh mereka berdasarkan EEG …
Namun, pada masa ini, tidak lebih dari selusin niat dan gambaran seperti itu. Ini adalah, sebagai peraturan, keadaan yang berkaitan dengan kelonggaran dan ketegangan mental atau dengan perwakilan pergerakan bahagian tubuh. Dan bahkan pengakuan mereka berlaku dengan kesalahan: misalnya, untuk membuktikan oleh EEG bahawa seseorang berhasrat untuk mengepalkan tangan kanannya menjadi penumbuk, walaupun di makmal terbaik boleh dilakukan tidak lebih dari 80-85 peratus daripada jumlah percubaan.
Dan jika anda cuba memahami dari EEG sama ada seseorang membayangkan pisang atau oren, maka jumlah jawapan yang betul hanya sedikit melebihi tahap tekaan rawak.
Yang paling menyedihkan ialah tidak dapat meningkatkan kebolehpercayaan sistem antarmuka neuroin dalam mengenali niat manusia oleh EEG dan memperluas senarai niat tersebut selama lebih dari 15 tahun, walaupun terdapat kemajuan yang signifikan dalam pengembangan algoritma dan teknologi pengkomputeran yang dicapai dalam masa yang sama.
Nampaknya, EEG hanya mencerminkan sebahagian kecil dari aktiviti mental seseorang. Oleh itu, sistem antarmuka neuroin harus didekati dengan harapan yang sederhana dan secara jelas menggariskan bidang aplikasi sebenar mereka.
Hilang dalam terjemahan
Mengapa kita tidak dapat membuat sistem yang melakukan apa yang dapat dilakukan oleh otak dengan mudah? Ringkasnya, cara otak berfungsi terlalu kompleks untuk kemampuan analitik dan komputasi kita.
Pertama, kita tidak tahu "bahasa" di mana sistem saraf berkomunikasi. Sebagai tambahan kepada siri impuls, ia dicirikan oleh banyak pemboleh ubah: ciri laluan dan sel itu sendiri, reaksi kimia yang berlaku pada masa pemindahan maklumat, kerja rangkaian saraf tetangga dan sistem badan lain.
Sebagai tambahan kepada fakta bahawa "tatabahasa" "bahasa" ini kompleks, ia mungkin berbeza dalam pasangan sel saraf yang berlainan. Keadaan diperburuk oleh kenyataan bahawa peraturan komunikasi, serta fungsi sel dan hubungan di antara mereka, semuanya sangat dinamis dan terus berubah di bawah pengaruh peristiwa dan keadaan baru. Ini meningkatkan jumlah maklumat yang perlu diambil kira.
Data yang menggambarkan sepenuhnya aktiviti otak hanya akan menenggelamkan algoritma yang diperlukan untuk menganalisisnya. Oleh itu, penyahkodan niat, ingatan, pergerakan secara praktikal adalah tugas yang tidak dapat diselesaikan.
Rintangan kedua ialah kita tidak tahu banyak mengenai fungsi otak yang cuba kita kesan. Apa itu memori atau gambar visual, dari apa itu dibuat? Neurofisiologi dan psikologi telah lama berusaha menjawab soalan-soalan ini, tetapi setakat ini terdapat sedikit kemajuan dalam penyelidikan.
Fungsi paling sederhana seperti fungsi motor dan deria mempunyai kelebihan dalam pengertian ini, kerana ia lebih difahami. Oleh itu, antara muka saraf yang ada sekarang berinteraksi terutamanya dengan mereka.
Mereka dapat mengenali sensasi taktil, pergerakan anggota badan khayalan, tindak balas terhadap rangsangan visual, dan reaksi sederhana terhadap kejadian persekitaran seperti tindak balas terhadap kesalahan atau ketidakcocokan antara rangsangan yang diharapkan dan yang sebenarnya. Tetapi aktiviti saraf yang lebih tinggi tetap menjadi rahsia besar bagi kita hari ini.
Komunikasi dua hala
Sehingga kini, kami hanya membincangkan situasi membaca maklumat sehala tanpa pengaruh ke belakang. Namun, hari ini sudah ada teknologi untuk menghantar isyarat dari komputer ke otak - CBI (antara muka komputer-otak). Ini menjadikan saluran komunikasi antara muka neuroin dua arah.
Maklumat (misalnya, sensasi suara, taktil, dan bahkan data mengenai fungsi otak) memasuki komputer, dianalisis dan, melalui rangsangan sel-sel sistem saraf pusat atau periferal, disebarkan ke otak. Semua ini dapat berlaku sepenuhnya dengan melewati persepsi organ semula jadi dan berjaya digunakan untuk menggantikannya.
Menurut Alexander Kaplan, pada masa ini tidak ada lagi sekatan teori untuk melengkapkan seseorang dengan "organ" deria buatan yang terhubung secara langsung dengan struktur otak. Lebih-lebih lagi, mereka secara aktif diperkenalkan ke dalam kehidupan seharian seseorang, sebagai contoh, untuk menggantikan organ-organ deria semula jadi yang terganggu.
Implan koklea yang disebut sudah tersedia untuk orang yang mempunyai masalah pendengaran: mikrocip yang menggabungkan mikrofon dengan reseptor pendengaran. Uji implan retina untuk pemulihan penglihatan telah dimulakan.
Menurut Kaplan, tidak ada batasan teknikal untuk menghubungkan sensor lain ke otak yang bertindak balas terhadap ultrasound, perubahan radioaktiviti, kelajuan atau tekanan.
Masalahnya adalah bahawa teknologi ini harus sepenuhnya berdasarkan pengetahuan kita tentang bagaimana otak berfungsi. Yang, seperti yang telah kita ketahui, agak terbatas.
Satu-satunya cara untuk mengatasi masalah ini, menurut Kaplan, adalah dengan membuat saluran komunikasi yang baru, dengan bahasa komunikasi sendiri, dan mengajar bukan hanya komputer, tetapi juga otak untuk mengenali isyarat baru.
Perkembangan seperti itu sudah bermula. Sebagai contoh, di makmal fizik terapan di Universiti Johns Hopkins beberapa tahun yang lalu, mereka menguji tangan bionik yang mampu menghantar maklumat taktil ke otak.
Semasa menyentuh sensor tangan buatan, elektrod merangsang laluan sistem saraf periferal, yang kemudian menghantar isyarat ke kawasan deria otak. Seseorang belajar mengenali isyarat masuk sebagai pelbagai jenis sentuhan. Oleh itu, bukannya berusaha untuk menghasilkan sistem isyarat taktil yang semula jadi bagi manusia, saluran baru dan bahasa komunikasi diciptakan.
Walau bagaimanapun, jalan pengembangan ini dibatasi oleh jumlah saluran baru yang dapat kita buat, dan seberapa informatif mereka untuk otak, kata Alexander Kaplan.
Ketegangan masa depan
Kaplan percaya bahawa pada masa ini tidak ada cara baru untuk mengembangkan teknologi antarmuka neuroin. Menurutnya, kemungkinan adanya antarmuka untuk komunikasi antara otak dan komputer ditemui pada tahun 70-an abad yang lalu, dan prinsip-prinsip otak, yang menjadi asas perkembangan masa kini, telah dijelaskan kira-kira tiga puluh tahun yang lalu, dan sejak itu idea-idea baru praktis tidak muncul.
Sebagai contoh, potensi P300 yang kini banyak digunakan ditemui pada tahun 1960-an, citra motor - pada 1980-an-1990-an, dan ketidakcocokan negatif - pada tahun 1970-an).
Para saintis pernah menaruh harapan bahawa mereka akan dapat menjalin hubungan maklumat yang lebih erat antara otak dan teknologi pemproses, tetapi hari ini menjadi jelas bahawa mereka tidak menjadi kenyataan.
Namun, kata Kaplan, telah menjadi jelas bahawa muka neurointerfungsi dapat dilaksanakan untuk kegunaan perubatan. Menurut saintis itu, kini perkembangan muka neurointerterima sejauh mungkin melalui pengenalan teknologi ke dalam bidang klinikal.
Para saintis pernah menaruh harapan bahawa mereka akan dapat menjalin hubungan maklumat yang lebih erat antara otak dan teknologi pemproses, tetapi hari ini menjadi jelas bahawa mereka tidak menjadi kenyataan.
Namun, kata Kaplan, telah menjadi jelas bahawa muka neurointerfungsi dapat dilaksanakan untuk kegunaan perubatan. Menurut saintis itu, kini perkembangan muka neurointerterima sejauh mungkin melalui pengenalan teknologi ke dalam bidang klinikal.
Namun, berkat penyelidikan otak dan kemajuan teknologi, muka neurointerfungsi hari ini mampu melakukan apa yang kelihatannya tidak dapat dilaksanakan. Kami tidak tahu pasti apa yang akan berlaku dalam 30, 50 atau 100 tahun. Sejarawan sains Thomas Kuhn mengemukakan idea bahawa perkembangan sains adalah satu kitaran: tempoh genangan digantikan oleh pergeseran paradigmatik dan revolusi saintifik yang menyusul. Sangat mungkin bahawa pada masa akan datang kita akan mengalami revolusi yang akan mengeluarkan otak dari kotak hitam. Dan dia akan datang dari sisi yang paling tidak dijangka.
Maria Ermolova
