Neurointerfaces - teknologier, der forbinder hjernen og computeren - bliver gradvist en rutine: vi har allerede set, hvordan en person ved hjælp af mentale ordrer kan kontrollere en protese eller skrive tekst på en computer. Betyder dette, at løfterne fra science fiction-forfattere, der skrev om fuldt udlæsning af tanker ved hjælp af en computer eller endda om at overføre menneskelig bevidsthed til en computer snart vil blive en realitet? Det samme emne - "Augmented Personality" - i 2019, er dedikeret til science fiction-historiekonkurrencen "Future Time", arrangeret af Sistema's velgørenhedsfond. Sammen med arrangørerne af konkurrencen fandt N + 1-redaktørerne ud af, hvad moderne neurale grænseflader er i stand til, og om vi virkelig kan skabe en fuldgyldig hjernecomputerforbindelse. Og Alexander Kaplan hjalp os med dette,grundlægger af det første russiske interfacelaboratorium ved Lomonosov Moskva statsuniversitet.
Hack kroppen
Neil Harbisson har medfødt achromatopsia, som har frataget ham farvesynet. Briten besluttede at bedrage naturen, implanterede et specielt kamera, der konverterer farve til lydinformation og sender det til det indre øre. Neil betragter sig som den første cyborg, der officielt er anerkendt af staten.
I 2012 demonstrerede Andrew Schwartz fra University of Pittsburgh i USA en lammet 53-årig patient, der ved hjælp af elektroder implanteret i sin hjerne sendte signaler til en robot. Hun lærte at kontrollere roboten så meget, at hun var i stand til at servere sig selv en bar chokolade.
I 2016, i det samme laboratorium, udviste en 28 år gammel patient med en alvorlig rygmarvsskade en hjernekontrolleret kunstig hånd til Barack Obama, der besøgte ham. Sensorer på hånden gjorde det muligt for patienten at føle håndstrykk fra den 44. præsident for De Forenede Stater.
Moderne bioteknologi giver mennesker mulighed for at "knække" begrænsningerne i deres kroppe og skabe en symbiose mellem den menneskelige hjerne og computeren. Det ser ud til, at alt går mod det faktum, at bioingeniør snart vil blive en del af hverdagen.
Salgsfremmende video:
Hvad sker der derefter? Filosof og futurist Max More, en tilhænger af ideen om transhumanisme, har siden slutningen af forrige århundrede udviklet ideen om menneskets overgang til et nyt evolutionstrin ved hjælp af blandt andet computerteknologi. I litteratur og biograf i de sidste to århundreder er et lignende skuespil med den futuristiske fantasi gledet.
I verdenen af William Gibbsons science fiction-roman Neuromancer, der blev udgivet i 1984, er der udviklet implantater, der giver deres bærer mulighed for at oprette forbindelse til Internettet, udvide deres intellektuelle evner og genopleve erindringer. Masamune Shiro, forfatteren af den japanske kult-sci-fi-manga "Ghost in the Shell", der for nylig blev filmet i USA, beskriver en fremtid, hvor ethvert organ kan erstattes med bionik, indtil den komplette overførsel af bevidsthed ind i en robot.
Hvor langt kan neurale grænseflader gå i en verden, hvor på den ene side uvidenhed formerer fantasier, og på den anden side fantasier ofte viser sig at være forsyn?
Potentiel forskel
Det centrale nervesystem (CNS) er et komplekst kommunikationsnetværk. Der er mere end 80 milliarder neuroner i hjernen alene, og der er billioner af forbindelser mellem dem. Hver millisekund inden i og uden for enhver nervecelle ændres fordelingen af positive og negative ioner, hvilket bestemmer, hvordan og hvornår den skal reagere på et nyt signal. I hvile har neuronet et negativt potentiale i forhold til miljøet (i gennemsnit -70 millivolt) eller "hvilepotentiale". Med andre ord, det er polariseret. Hvis en neuron modtager et elektrisk signal fra en anden neuron, skal positive ioner indgå i nervecellen for at det kan transmitteres yderligere. Depolarisering forekommer. Når depolariseringen når en tærskelværdi (ca. -55 millivolts, kan denne værdi dog variere),cellen bliver ophidset og slipper flere og mere positivt ladede ioner ind, hvilket skaber et positivt potentiale eller "handlingspotentiale".
Handlingspotentiale.
Yderligere overføres handlingspotentialet langs akson (cellekommunikationskanal) til dendrit - modtagerkanalen for den næste celle. Axon og dendrit er imidlertid ikke direkte forbundet, og den elektriske impuls kan ikke blot passere fra den ene til den anden. Kontaktstedet mellem dem kaldes en synapse. Synapser producerer, transmitterer og modtager neurotransmittere - kemiske forbindelser, der direkte "videresender" et signal fra en celles akson til en anden dendrit.
Når impulsen når enden af aksonet, frigiver den neurotransmittere i det synaptiske spalte, krydser mellemrummet mellem celler og fastgøres til enden af dendritet. De tvinger dendriten til at slippe positivt ladede ioner ind, bevæge sig fra hvilepotentialet til handlingspotentialet og overføre et signal til cellelegemet.
Typen af neurotransmitter bestemmer også, hvilket signal der sendes videre. For eksempel fører glutamat til neuronal affyring, gamma-aminobutyric acid (GABA) er en vigtig inhiberende mediator, og acetylcholin kan gøre begge dele afhængigt af situationen.
Sådan ser en neuron skematisk ud:
Neuron diagram
Og sådan ser det ud i virkeligheden:
Neuron under mikroskopet.
Desuden afhænger responsen fra modtagercellen af antallet og rytmen af indgående impulser, information, der kommer fra andre celler, såvel som af hjerneområdet, hvorfra signalet blev sendt. Forskellige hjælpeceller, det endokrine og immunsystem, det ydre miljø og tidligere erfaring - alt dette bestemmer centralnervesystemets tilstand i øjeblikket og påvirker derved menneskelig adfærd.
Og selvom, som vi forstår det, centralnervesystemet ikke er et sæt "ledninger", er neurointerfaces arbejde netop baseret på nervesystemets elektriske aktivitet.
Positivt spring
Neurointerface's hovedopgave er at afkode det elektriske signal, der kommer fra hjernen. Programmet har et sæt "skabeloner" eller "begivenheder", der består af forskellige signalegenskaber: vibrationsfrekvenser, pigge (aktivitetstoppe), placeringer på cortex og så videre. Programmet analyserer de indgående data og forsøger at registrere disse begivenheder i dem.
De sendte kommandoer afhænger yderligere af det opnåede resultat såvel som funktionaliteten af systemet som helhed.
Et eksempel på et sådant mønster er P300 (Positive 300) fremkaldte potentiale, ofte brugt til de såkaldte stavemaskiner - mekanismer til at skrive tekst ved hjælp af hjernesignaler.
Når en person ser det symbol, han har brug for, på skærmen, efter 300 millisekunder, kan der konstateres et positivt spring i elektrisk potentiale ved registrering af hjerneaktivitet. Efter detektering af P300 sender systemet en kommando til at udskrive det tilsvarende tegn.
I dette tilfælde kan algoritmen ikke detektere potentialet fra én gang på grund af signalets støjniveau ved tilfældig elektrisk aktivitet. Derfor skal symbolet præsenteres flere gange, og de opnåede data skal gennemsnittes.
Ud over en et-trins ændring i potentialet kan neurointerfacet kigge efter ændringer i den rytmiske (dvs. oscillerende) aktivitet af hjernen forårsaget af en bestemt begivenhed. Når en tilstrækkelig stor gruppe af neuroner indgår i en synkron rytme af aktivitetsudsving, kan dette detekteres på signalspektrogrammet i form af ERS (hændelsesrelateret synkronisering). Hvis der tværtimod er en desynkronisering af svingninger, indeholder spektrogrammet ERD (hændelsesrelateret desynkronisering).
I det øjeblik, hvor en person foretager eller simpelthen forestiller sig en håndbevægelse, observeres ERD i motorcortex på den modsatte halvkugle ved en svingningsfrekvens på ca. 10-20 hertz.
Denne og andre skabeloner kan tildeles manuelt til programmet, men ofte oprettes de i processen med at arbejde med hver enkelt individ. Vores hjerne er som funktionerne i dens aktivitet individuel og kræver tilpasning af systemet til den.
Optagelseselektroder
De fleste neurointerfaces bruger elektroencefalografi (EEG) til at registrere aktivitet, det vil sige en ikke-invasiv metode til neuroimaging, på grund af dens relative enkelhed og sikkerhed. Elektroder fastgjort til overfladen af hovedet registrerer ændringen i det elektriske felt forårsaget af ændringen i dendritternes potentiale, efter at handlingspotentialet har "krydset" synapsen.
I det øjeblik, hvor positive ioner trænger ind i dendriten, dannes et negativt potentiale i det omgivende miljø. I den anden ende af neuronet begynder ioner med den samme ladning at forlade cellen, hvilket skaber et positivt potentiale udenfor, og rummet, der omgiver neuronet, bliver til en dipol. Det elektriske felt, der forplantes fra dipolen, registreres af en elektrode.
Desværre har metoden flere begrænsninger. Kraniet, huden og andre lag, der adskiller nerveceller fra elektroderne, selvom de er ledere, er ikke gode nok til ikke at fordreje information om signalet.
Elektroderne er kun i stand til at registrere den samlede aktivitet af mange nabostadede neuroner. Det vigtigste bidrag til måleresultatet kommer fra neuroner placeret i de øverste lag af cortex, hvis processer er vinkelret på dens overflade, fordi det er de, der skaber dipolen, hvis elektriske felt sensoren bedst kan fange.
Alt dette fører til tab af information fra dybe strukturer og et fald i nøjagtighed, så systemet tvinges til at arbejde med ufuldstændige data.
Invasive elektroder, implanteret på overfladen eller direkte inde i hjernen, giver mulighed for meget større nøjagtighed.
Hvis den ønskede funktion er forbundet med overfladelagene i hjernen (for eksempel motorisk eller sensorisk aktivitet), er implantation begrænset til trepanation og fastgørelse af elektroder til overfladen af cortex. Sensorer læser den samlede elektriske aktivitet af mange celler, men dette signal er ikke så forvrænget som i EEG.
Hvis den dybere aktivitet er vigtig, indsættes elektroderne i cortex. Det er endda muligt at registrere aktiviteten af enkelte neuroner ved hjælp af specielle mikroelektroder. Desværre udgør den invasive teknik en potentiel fare for mennesker og bruges kun i medicinsk praksis i ekstreme tilfælde.
Dog er der håb om, at teknikken bliver mindre traumatisk i fremtiden. Det amerikanske firma Neuralink planlægger at implementere ideen om sikkert at indføre tusinder af tynde fleksible elektroder uden at bore i kraniet ved hjælp af en laserstråle.
Flere andre laboratorier arbejder på bionedbrydelige sensorer, der vil fjerne elektroder fra hjernen.
Banan eller orange?
Signaloptagelse er kun det første trin. Derefter skal du "læse" det for at bestemme intentionerne bag det. Der er to mulige måder at afkode hjerneaktivitet: lad algoritmen vælge de relevante egenskaber fra selve datasættet, eller give systemet en beskrivelse af de parametre, der skal kigge efter.
I det første klassificerer algoritmen, ikke begrænset af søgeparametre, selve "rå" signalet og finder elementer, der forudsiger intentioner med størst sandsynlighed. Hvis et motiv for eksempel skiftevis tænker på bevægelse med sin højre og venstre hånd, er programmet i stand til at finde signalparametrene, der maksimalt skiller den ene mulighed fra den anden.
Problemet med denne tilgang er, at parametrene, der beskriver hjernens elektriske aktivitet, er for multidimensionelle, og dataene er for støjende med forskellige støj.
Med den anden afkodningsalgoritme er det nødvendigt på forhånd at vide, hvor og hvad man skal kigge efter. I eksemplet med P300-stavemaskinen beskrevet ovenfor ved vi for eksempel, at når en person ser et symbol, ændres det elektriske potentiale på en bestemt måde. Vi lærer systemet at kigge efter disse ændringer.
I en sådan situation er evnen til at dechiffrere en persons intentioner knyttet til vores viden om, hvordan hjernens funktioner kodes i neurale aktiviteter. Hvordan manifesterer denne eller den intention eller tilstand sig i signalet? Desværre har vi i de fleste tilfælde ikke svar på dette spørgsmål.
Neurobiologisk forskning på kognitiv funktion er i gang, men ikke desto mindre kan vi dechiffrere en meget lille brøkdel af signalerne. Hjernen og bevidstheden forbliver for os en "sort kasse" for nu.
Alexander Kaplan, neurofysiolog, doktor i biologiske videnskaber og grundlægger af laboratoriet for neurofysiologi og neurointerfaces ved Lomonosov Moskvas statsuniversitet, der modtog den første bevilling i Rusland til udvikling af en neuro-grænseflade til kommunikation mellem hjernen og en computer, siger, at forskere automatisk kan dechiffrere nogle menneskelige intentioner eller billeder forestillet af dem baseret på EEG …
Men i øjeblikket er der ikke mere end et dusin sådanne intentioner og billeder. Disse er som regel tilstande forbundet med afslapning og mental spænding eller med repræsentation af bevægelser af kropsdele. Og endda deres anerkendelse forekommer med fejl: for eksempel at fastlægge af EEG, at en person har til hensigt at klemme sin højre hånd i en knytnæve, selv i de bedste laboratorier er det muligt i højst 80-85 procent af det samlede antal forsøg.
Og hvis du prøver at forstå fra EEG, om en person forestiller sig en banan eller en appelsin, vil antallet af korrekte svar kun overstige niveauet for tilfældig gætte.
Det tristeste er, at det ikke har været muligt at forbedre pålideligheden af neurointerface-systemer ved at anerkende menneskelige intentioner ved EEG og udvide listen over sådanne intentioner i mere end 15 år på trods af betydelige fremskridt i udviklingen af algoritmer og computerteknologi opnået på samme tid.
Tilsyneladende afspejler EEG kun en lille del af en persons mentale aktivitet. Derfor skal neurointerface-systemer benyttes med moderate forventninger og tydelig skitsere områderne for deres reelle anvendelse.
Tabt i oversættelsen
Hvorfor kan vi ikke oprette et system, der gør det, som hjernen nemt kan gøre? Kort sagt, hvordan hjernen fungerer er for kompliceret til vores analytiske og beregningsmæssige evner.
For det første kender vi ikke det "sprog", som nervesystemet kommunikerer i. Ud over impulserier er det kendetegnet ved mange variabler: træk ved stier og celler i sig selv, kemiske reaktioner, der forekommer på tidspunktet for informationsoverførsel, arbejdet i nabolandet neurale netværk og andre kropssystemer.
Ud over det faktum, at "grammatikken" af dette "sprog" i sig selv er kompleks, kan den afvige i forskellige par nerveceller. Situationen forværres af det faktum, at reglerne for kommunikation såvel som cellernes funktioner og forholdet mellem dem alle er meget dynamiske og konstant ændrer under påvirkning af nye begivenheder og forhold. Dette øger eksponentielt den mængde information, der skal tages i betragtning.
Data, der fuldt ud beskriver hjerneaktivitet, drukner simpelthen enhver algoritme, der påtager sig at analysere den. Derfor er dekodning af intentioner, minder, bevægelser praktisk talt en uopløselig opgave.
Den anden hindring er, at vi ikke ved meget om de hjernefunktioner, vi prøver at opdage. Hvad er hukommelse eller visuelt billede, hvad er de lavet af? Neurofysiologi og psykologi har forsøgt at besvare disse spørgsmål i lang tid, men indtil videre er der lidt fremskridt inden for forskning.
De enkleste funktioner såsom motoriske og sensoriske funktioner har fordelen i denne forstand, da de forstås bedre. Derfor interagerer de aktuelt tilgængelige neurale grænseflader hovedsageligt med dem.
De er i stand til at genkende taktile fornemmelser, imaginær bevægelse af en lem, reaktion på visuel stimulering og enkle reaktioner på miljømæssige begivenheder, såsom en reaktion på en fejl eller et misforhold mellem den forventede stimulus og den reelle. Men højere nervøs aktivitet forbliver en stor hemmelighed for os i dag.
To-vejs kommunikation
Indtil nu har vi kun drøftet situationen med envejs læsning af information uden bagudpåvirkning. Men i dag findes der allerede en teknologi til transmission af signaler fra en computer til hjernen - CBI (computer-hjerne-interface). Det gør kommunikationskanalen på neurointerface tovejs.
Information (for eksempel lyd, taktile fornemmelser og endda data om hjernens funktion) kommer ind i computeren, analyseres og gennem stimulering af cellerne i det centrale eller perifere nervesystem overføres til hjernen. Alt dette kan forekomme fuldstændigt uden om de naturlige organer i opfattelsen og bruges med succes til at erstatte dem.
Ifølge Alexander Kaplan er der på nuværende tidspunkt ikke længere nogen teoretiske begrænsninger for at udstyre en person med kunstige sensoriske "organer" forbundet direkte til hjernestrukturen. Desuden introduceres de aktivt i en persons daglige liv, for eksempel for at erstatte de forstyrrede naturlige sanseorganer.
For mennesker med hørehæmning er der allerede såkaldte cochleaimplantater tilgængelige: mikrochips, der kombinerer en mikrofon med hørselsreceptorer. Test af nethindeimplantater med henblik på restaurering af synet er begyndt.
Ifølge Kaplan er der ingen tekniske begrænsninger for at forbinde andre sensorer til hjernen, der reagerer på ultralyd, ændringer i radioaktivitet, hastighed eller tryk.
Problemet er, at disse teknologier skal være helt baseret på vores viden om, hvordan hjernen fungerer. Som vi allerede har fundet ud af, er ret begrænsede.
Den eneste måde at omgå dette problem er ifølge Kaplan at skabe en grundlæggende ny kommunikationskanal med sit eget kommunikationssprog og lære ikke kun computeren, men også hjernen til at genkende nye signaler.
En sådan udvikling er allerede begyndt. For eksempel testede de i laboratoriet for anvendt fysik ved Johns Hopkins University for flere år siden en bionisk hånd, der var i stand til at overføre taktil information til hjernen.
Når man berører sensorerne på den kunstige hånd, stimulerer elektroderne veje i det perifere nervesystem, som derefter overfører signalet til de sensoriske områder i hjernen. En person lærer at genkende indgående signaler som forskellige typer berøring. I stedet for at forsøge at gengive det taktile system af signaler, der er naturligt for mennesker, skabes en ny kanal og kommunikationssprog.
Denne udviklingsvej er dog begrænset af antallet af nye kanaler, som vi kan skabe, og hvor informative de vil være for hjernen, siger Alexander Kaplan.
Fremtid
Kaplan mener, at der i øjeblikket ikke er nogen ny måde at udvikle neurointerface-teknologier på. Ifølge ham blev selve muligheden for en grænseflade for kommunikation mellem hjernen og computeren opdaget i 70'erne af det forrige århundrede, og principperne i hjernen, som nutidens udvikling bygger på, blev beskrevet for cirka tredive år siden, og siden da har nye ideer praktisk taget ikke dukket op.
Således blev det nu udbredte potentiale i P300 opdaget i 1960'erne, motorisk billedsprog i 1980'erne og 1990'erne og uoverensstemmelses negativiteten i 1970'erne).
Forskere havde engang håb om, at de kunne etablere en tættere informationskontakt mellem hjernen og processorteknologien, men i dag blev det klart, at de ikke kom i opfyldelse.
Kaplan siger imidlertid, at det er blevet klart, at neurointerfaces kan implementeres til medicinsk brug. Ifølge forskeren går udviklingen af neurointerfaces i vid udstrækning gennem introduktionen af teknologi i den kliniske sfære.
Forskere havde engang håb om, at de kunne etablere en tættere informationskontakt mellem hjernen og processorteknologien, men i dag blev det klart, at de ikke kom i opfyldelse.
Kaplan siger imidlertid, at det er blevet klart, at neurointerfaces kan implementeres til medicinsk brug. Ifølge forskeren går udviklingen af neurointerfaces i vid udstrækning gennem introduktionen af teknologi i den kliniske sfære.
Takket være hjerneforskning og teknologiske fremskridt er nutidens neuroflade imidlertid i stand til, hvad der engang virkede umuligt. Vi ved ikke med sikkerhed, hvad der vil ske i 30, 50 eller 100 år. Videnskabshistorikeren Thomas Kuhn fremførte tanken om, at videnskabens udvikling er en cyklus: perioder med stagnation erstattes af paradigmatiske forskydninger og videnskabelige revolutioner, der følger. Det er meget muligt, at vi i fremtiden vil have en revolution, der vil fjerne hjernen ud af den sorte boks. Og hun kommer fra den mest uventede side.
Maria Ermolova