Газета "Наш Мир" br>
Прямое взаимодействие мозга и компьютера — изобретение, сравнимое по своим последствиям с созданием радио и телевидения. Начавшись как медицинские исследования,опыты
по извлечению информации из мозга уже меняют наш мир. Тысячи
обездвиженных людей, людей с поражением различных участков нервной
системы получают надежду на практически полноценное взаимодействие с
окружающим миром. Но этого мало — связка мозг-компьютер открывает
ошеломляющие перспективы в управлении механизмами,создавая новое "тело”
человека… А начиналось всё, как обычно, с опытов над лабораторными
крысами и обезьянами…
10 октября 2011 года Медицинская школа университета Питсбурга опубликовала сообщение
об успешном завершении испытаний робо-руки, которая управлялась
полностью парализованным Тимом Хеммесом. Управление осуществлялось с
помощьюинтерфейса мозг-компьютер (brain-computer interface - BCI);контакт с мозгом обеспечивали электроды, помещенные непосредственно на двигательную зону коры головного мозга.
Это достижение явилось прямым продолжением экспериментов с обучением
обезьян управлять различными манипуляторами, используя только "силу
своего мозга”.
А начиналось всё в 20 веке. Наибольших успехов к концу 90х годов
прошлого века добилась группа из Института Дюка в Северной Каролине
(США) под руководством профессора Мигеля Николелиса. Им первым удалось
записать активность большого числа нейронов с обширной области мозга и
поставить им в соответствие различные движения животных.
Первым живым существом, мозг которого удалось результативно соединить
с компьютером, была лабораторная крыса. Вначале лишенную воды крысу
научили нажимать лапой специальную кнопку и получать за это питье. С
двигательного центра её мозга снимались показатели через 48 электродов и
проводилась компьютерная обработка сигналов.
После этого кнопку отключили и стали подавать воду тогда, когда
активность мозга соответствовала нажатию на кнопку. Самое же
удивительное, что крыса очень быстро сообразила, что для получения воды не обязательно физически нажимать на кнопку, а достаточно об этом подумать. Именно это событие и можно считать первым опытом по управлению механизмами, используя непосредственно "силу мысли”…
128-игольчатый имплантат, используемый Мигелем Николесисом в своих
опытах. Одной из исходных трудностей в связывании мозга и
компьютера было "припаять” электрод к нейрону, ведь последний постоянно
меняет своё положение. Здесь помог тефлон, который, как оказалось,
"приманивает” к себе нейроны, что и позволило наладить устойчивую
"мульти-нейронную запись”.
Уже во время самых первых опытов ученые совершили несколько научных
открытий, опровергающих многие прежние представления. Например, раньше
считалось, что мозг отчасти напоминает компьютерный процессор, и каждый
нейрон представляет собой минимальную структурную единицу мозга,
выполняя всегда одну и ту же функцию, и жестко связан с другими
нейронами. Также считалось, что мозг практически не меняется со
временем.
Однако простой анализ наблюдений показал, что он является едва ли не
противоположностью процессору — один нейрон всегда выполняет разные
действия, входит в разные цепи нейронов, постоянно меняет связи с
остальными нейронами, может выполнять одно действие как самостоятельно,
так и в совокупности с остальной популяцией мозга. Было доказано, что
мозг меняется каждые доли секунды, каждые доли секунды он реагирует на
внешнее воздействие, приспосабливается к новым условиям жизни, которые
на самом деле для мозга меняются постоянно — их изменяет и малейшее
воздействие на органы чувств и даже самый незначительный мыслительный
процесс…
Следующим шагом стали опыты по связыванию мозга обезьян и компьютера.
Во время экспериментов к мозгу небольших ночных обезьянок подключили до
128 электродов толщиной с половину человеческого волоса.
Первыми были опыты по
управлению курсором на экране компьютера. Вначале животных научили
пользоваться обычным джойстиком: при наведении курсора на светящуюся
точку обезьяна получала немного сока, а ученые тем временем обрабатывали
показания с датчиков. Затем джойстик отключили и управление было
передано мозгу животных… Как и в случае с крысой, очень быстро обезьяны
сообразили, что могут перемещать курсор только с помощью мысли без
использования конечностей.
Следующей задачей стала передача команд механической руке, способной
двигаться и осуществлять хватательные движения. Сигналы снятые с мозга
обрабатывал компьютер, который при помощи простых математических функций
моделировал на их основе движения искусственной руки робота.
На обучение животных потребовались всего два дня, в течение
которых обезьяны смогли сопоставить особенности движения робо-руки с
собственными двигательными импульсами. К концу обучения обезьяны научились управлять искусственной рукой практически как собственной.
В этих опытах была наглядно продемонстрирована сверхвысокая обучаемость и изменчивость мозга.
Ученые могли каким угодно образом поменять соответствия между сигналом
от мозга и движением механической руки, например, они могли
инвертировать движения (движение влево станет движением вправо и
наоборот) или случайно расставить их, например, чтобы вместо поднятия
руки, она повернулась влево… Сразу после подобных изменений робо-рука не
подчинялась мозгу обезьяны, движения не были согласованы, но вскоре
мозг снова расставлял нужные соответствия. Примерно то же самое может
испытать человек, если при движении компьютерной мыши вверх — курсор
будет двигаться вниз и т.д.
Также была отмечена еще одна немаловажная деталь — мозг планирует все свои действия заранее,
в случае с обезьяной можно было узнать о ее намерении совершить
какое-либо конкретное действие за несколько десятых долей секунды до его
выполнения.
И наконец, после анализа колоссального массива данных по нейроимпульсам, полученных в ходе экспериментов, стало ясно, что обезьяны
воспринимали и воспринимают эти механические манипуляторы не как замену
собственным конечностям, но как дополнение, как третью руку, которой
они могут орудовать одновременно со своими "натуральными” руками. Таким образом, мозг продемонстрировал в буквальном смысле огромнейший потенциал к расширяемости.
«Наша гипотеза состоит в следующем: структуры мозга способны
адаптироваться так, чтобы расширять возможности организма и использовать
искусственные манипуляционные дополнения без потери функциональности
[обычных конечностей]... В зависимости от цели, животное может
использовать и свою руку, и механический манипулятор, а иногда — и то, и
другое», — заявил по результатам эксперимента доктор Мигель Николелис.
По его словам, результаты их опытов доказывают теорию, которая в
научных кругах считалась весьма сомнительной: что мозг высших приматов,
включая человека, способен подстраиваться под использование
искусственного инструментария вне зависимости от того, контролируются ли
они мозгом напрямую, или с помощью каких-то дополнительных
приспособлений. Это касается и механического манипулятора, это касается
компьютерной клавиатуры и теннисной ракетки — всего, чего угодно. Все эти инструменты внедряются в наше нейронное "пространство" и воспринимаются мозгом фактически как часть организма.
«Немногие исследователи демонстрировали готовность постулировать
такой выдающийся потенциал мозга к адаптации...», - подчеркивает
Николелис. Долгое время считалось, что нашей способностью обучаться
использованию искусственных инструментов, изготавливать их
самостоятельно, а также самими творческими способностями мы обязаны коре
фронтовой доли мозга, и что это характерно только для мозга человека.
«Мы предполагаем, что на самом деле способность "встраивать" новые
инструменты в саму структуру мозга является фундаментальной особенностью
высших приматов», - говорит Николелис. По его мнению, способность воспринимать инструменты как часть самого себя лежит в области самосознания и человека, и (как минимум) других высших приматов.
Одежда, предметы быта, рабочие или музыкальные инструменты, —
всё это люди ощущают как часть самих себя. И это не просто ощущение, а
"нейронная реальность” нашего мозга….
***
Опираясь на пластичность мозга, исследователи уже приступили к
следующей ключевой задаче в создании эффективных мозго-компьютерных
интерфейсов: осуществить обратную связь — непосредственно передать в мозг информацию от компьютера или роботизированного протеза.
Полноценная обратная связь — одна из главнейших
особенностей "интерфейса”, связывающего наше тело с мозгом. Мозг не
только отдает команды на выполнение какой-либо задачи (в таком случае он
просто не знал бы, совершила ли, например, рука какое-либо действие и
совершила ли она его правильно) — мозг получает огромное количество
информации о состоянии организма и положении частей тела друг
относительно друга и об их контактах с окружающими предметами.
Попытаться воссоздать всё это в искусственных системах мозг-компьютер —
такова задача…
Здесь также одно из первых достижений принадлежит исследователям из Института Дюка.
В их последнем эксперименте обезьяны должны были управлять
виртуальной рукой на экране компьютера. Управление осуществлялось как с
помощью джойстика, так и через уже опробованные имплантаты в моторных
участках коры головного мозга. Но в дополнении к этому в мозг обезьян были введены электроды в зоны, ответственные за восприятие тактильной информации.
С помощью этих электродов в мозг подавались различные сигналы,
которые соответствовали сигналам, производимым мозгом, когда обезьяны
ощупывали предметы определенной текстуры.
В ходе эксперимента обезьяну удалось обучить выбирать виртуальной
рукой кружок определенной "текстуры”, т.е. тот кружок, при наведении на
который в мозг обезьяны посылался определенный набор импульсов.
Причем вначале она управляла своей третьей рукой с помощью джойстика, а затем эксперимент перешел в полностью "нейро-виртуальное” измерение.
И управление, и тактильная информация были завязаны на мозг — сигналы
передавались между нейронами головного мозга и компьютером
непосредственно и в обе стороны. Зрение обезьяной использовалось лишь
для того, чтобы перевести виртуальную руку с одной мишени (варианта
ответа) на другую.
Эксперименты с животными открыли новые горизонты в нашем понимании
того, как работает наш мозг и какие возможности могут у нас быть по его
использованию. Но ближайшая задача — это создание полноценного способа взаимодействия с окружающим миром для парализованных людей.
Эксперименты в построении мозг-компьютерного интерфейса для человека
начались почти одновременно с опытами с животными. Но об этом в
следующей статье (в ней мы в т.ч. подробно опишем событие 2011 года —
успешное тестирование в университете Питсбурга "руки робота”, которой
управлял полностью парализованным Тим Хеммес).
Все горячие новости на
nashmir.kz!
|