A neurointerfészek - az agyat és a számítógépet összekötő technológiák - fokozatosan rutinmá válnak: már láthattuk, hogy a mentális utasítások segítségével valaki miként tudja kezelni a protézist vagy szöveget gépelni a számítógépen. Ez azt jelenti, hogy a tudományos fantasztikus írók ígéretei, amelyek a gondolatok teljes értékű olvasására, számítógéppel írva, vagy akár az emberi tudat számítógépre való áthelyezésére írtak, hamarosan valóra válnak? Ugyanez a téma - a „kibővített személyiség” - 2019-ben a Sistema jótékonysági alapítvány által szervezett „Future Time” sci-fi történetversenynek szentelt. A verseny szervezőivel közösen az N + 1 szerkesztői kitalálták, mire képesek a modern idegi interfészek, és vajon ténylegesen létre tud-e hozni agy-számítógép kapcsolatot. És Alexander Kaplan segített nekünk ebben,az első orosz interfész laboratórium alapítója a Lomonoszov Moszkvai Állami Egyetemen.
Csapkodj a testre
Neil Harbisson veleszületett achromatopsiaban szenved, ami megfosztotta őt a színlátástól. A brit úgy döntött, hogy megtéveszti a természetet, és beépített egy speciális kamerát, amely a színt hanginformációkká alakítja és továbbítja a belső füléhez. Neil az első kiborgnak tartja magát, amelyet az állam hivatalosan elismert.
2012-ben az Egyesült Államokban Andrew Schwartz a Pittsburghi Egyetemen bénult 53 éves beteget mutatott be, aki az agyába beültetett elektródák segítségével jeleket küldött egy robotnak. Annyira megtanulta a robot irányítását, hogy képes volt kiszolgálni magának egy csokoládét.
2016-ban ugyanabban a laboratóriumban egy 28 éves, súlyos gerincvelő-sérült beteg agyvezérelt mesterséges kezét nyújtotta Barack Obamának, aki meglátogatta őt. A kéz érzékelői lehetővé tették a beteg számára, hogy érezze az Egyesült Államok 44. elnökének kézfogását.
A modern biotechnológia felhatalmazza az embereket, hogy "feltörjék" testük korlátait, és ezzel szimbiózist hozzanak létre az emberi agy és a számítógép között. Úgy tűnik, hogy minden arrafelé halad, hogy a biogazdálkodás hamarosan a mindennapi élet részévé válik.
Promóciós videó:
Mi fog ezután történni? Max More filozófus és futurista, a transzhumanizmus ötletének követője a múlt század vége óta fejleszti az embernek az evolúció új szakaszára való áttérés ötletét, többek között a számítógépes technológia felhasználásával. Az elmúlt két évszázad irodalmában és moziban a futurisztikus képzelet hasonló játékai csúsztak.
William Gibbson Neuromancer 1984-ben kiadott tudományos fantasztikus regényének világában olyan implantátumokat fejlesztettek ki, amelyek lehetővé teszik viselőjük számára az Internethez való csatlakozást, az intellektuális képességek bővítését és az emlékek újbóli éltetését. Masamune Shiro, a kulturális japán sci-fi manga, a "Ghost in the Shell" szerzője, amelyet nemrégiben készítettek az USA-ban, olyan jövőt ír le, amelyben bármely szerv helyettesíthető bionikussal, egészen a tudatosságnak a robot testébe történő teljes átadásáig.
Milyen messzire lehet eljutni a neurális interfészeknek egy olyan világban, ahol egyrészt a tudatlanság sokszorosítja a fantáziákat, másrészt a fantáziák gyakran bizonyosságnak bizonyulnak?
Lehetséges különbség
A központi idegrendszer (CNS) egy komplex kommunikációs hálózat. Egyedül az agyban több mint 80 milliárd neuron található, és egymilliárd kapcsolat van közöttük. Az idegsejteken belül és kívül minden milliszekundumban a pozitív és negatív ionok eloszlása megváltozik, meghatározva, hogy miként és mikor reagál az új jelre. Nyugalomban a neuron negatív potenciállal rendelkezik a környezethez képest (átlagosan -70 millivolt), vagy "nyugalmi potenciállal" rendelkezik. Más szavakkal, polarizált. Ha egy idegrendszer elektromos jelet kap egy másik idegsejtől, akkor annak továbbviteléhez a pozitív ionoknak be kell lépniük az idegsejtbe. Depolarizáció történik. Amikor a depolarizáció eléri a küszöbértéket (mintegy -55 millivolt, ez az érték azonban változhat),a sejt izgatott, és egyre több pozitív töltésű ionokat enged be, ami pozitív potenciált vagy "akciópotenciált" hoz létre.
Akciós potenciál.
Ezenkívül az axon (cellakommunikációs csatorna) mentén fellépő akciós potenciál továbbadódik a dendrithez - a következő cella fogadó csatornájához. Az axon és a dendrit azonban nem kapcsolódnak közvetlenül, és az elektromos impulzus nem haladhat egyszerűen az egyikről a másikra. A közti kapcsolatfelvétel helyét szinapszisnak hívják. A szinapszis neurotranszmittereket állít elő, továbbítja és fogadja - olyan kémiai vegyületeket, amelyek közvetlenül továbbítják a jelet az egyik sejt axonjából a másik dendritjébe.
Amikor az impulzus eléri az axon végét, akkor a neurotranszmittereket szabadítja fel a szinaptikus hasadékba, áthaladva a sejtek közötti teret és kapcsolódva a dendrit végéhez. Arra kényszerítik a dendritt, hogy pozitív töltésű ionokat engedjen be, a nyugalmi potenciálról az akciós potenciálra mozogjon, és jelet továbbítson a sejttestre.
A neurotranszmitter típusa azt is meghatározza, hogy melyik jelet tovább kell küldeni. Például a glutamát az idegsejtek égetéséhez vezet, a gamma-amino-vajsav (GABA) fontos gátló mediátor, és az acetilkolin a helyzettől függően mindkettőt megteheti.
Így néz ki a neuron sematikusan:
Neuron diagram.
És így néz ki a valóságban:
Neuron a mikroszkóp alatt.
Ezenkívül a recipiens sejt reakciója a beérkező impulzusok számától és ritmusától, a többi sejtből származó információtól, valamint az agy területtől függ, ahonnan a jelet küldték. Különböző kiegészítő sejtek, az endokrin és immunrendszer, a külső környezet és a korábbi tapasztalatok - mindez meghatározza a központi idegrendszer jelenlegi állapotát, és ezáltal befolyásolja az emberi viselkedést.
És bár, amint megértjük, a központi idegrendszer nem "vezetékek" halmaza, a neurointerfészek munkája pontosan az idegrendszer elektromos aktivitásán alapszik.
Pozitív ugrás
A neurointerfész fő feladata az agyból származó elektromos jel dekódolása. A program "sablonokat" vagy "eseményeket" tartalmaz, amelyek különböző jeljellemzőkből állnak: rezgési frekvenciák, tüskék (aktivitási csúcsok), helyek a kéregben és így tovább. A program elemzi a bejövő adatokat, és megpróbálja felderíteni ezeket az eseményeket.
Az elküldött parancsok a kapott eredménytől, valamint a rendszer egészének funkcionalitásától függnek.
Példa erre a mintára a P300 (pozitív 300) által kiváltott potenciál, amelyet gyakran az úgynevezett szórókhoz használnak - a szöveg jeleinek gépelésére szolgáló mechanizmusok.
Amikor egy ember látja a képernyőn a szükséges szimbólumot, 300 milliszekundum után pozitív elektromos potenciálugrást lehet észlelni az agyi tevékenység felvételén. A P300 észlelésekor a rendszer parancsot küld a megfelelő karakter kinyomtatására.
Ugyanakkor az algoritmus véletlenszerű elektromos aktivitással nem képes egy időben felismerni a jel zajszintje miatt fellépő potenciált. Ezért a szimbólumot többször meg kell jeleníteni, és a kapott adatok átlagolására van szükség.
A potenciál egylépéses változása mellett a neurointerfész az agy ritmikus (azaz oszcillációs) aktivitásának bizonyos események által okozott változásaira is kereshet. Amikor egy elég nagy neuroncsoport belép az aktivitási ingadozások szinkron ritmusába, ez kimutatható a jel-spektrogramban ERS (eseményhez kapcsolódó szinkronizálás) formájában. Ha éppen ellenkezőleg, az oszcillációk deszinkronizálása történik, akkor a spektrogram ERD-t (eseményekhez kapcsolódó deszinkronizációt) tartalmaz.
Abban a pillanatban, amikor egy ember kézmozgást végez vagy csak elképzel, az ERD-t megfigyelik az ellenkező félteke motoros kéregében, körülbelül 10–20 Hz rezgési frekvenciával.
Ez és más sablonok manuálisan hozzárendelhetők a programhoz, de gyakran az egyes egyénekkel való munka során készülnek. Agyunk, akárcsak tevékenységének jellemzői, egyéni és megköveteli a rendszer hozzáigazítását.
Elektróda felvétele
A legtöbb neurointerfész az elektroencephalography (EEG) segítségével aktiválja az aktivitást, vagyis a neuroimaging nem invazív módszerét relatív egyszerűsége és biztonsága miatt. A fej felületéhez csatlakoztatott elektródok regisztrálják az elektromos térben bekövetkező változást, amelyet a dendritek potenciáljának megváltozása okoz, miután az akciós potenciál "átlépte" a szinapszist.
Abban a pillanatban, amikor a pozitív ionok behatolnak a dendritbe, negatív potenciál alakul ki a környező környezetben. A neuron másik végén az azonos töltésű ionok elkezdenek távozni a sejtből, pozitív potenciált teremtve kívülről, és a neuront körülvevő tér dipólussá válik. A dipolból terjedő elektromos mezőt egy elektróda rögzíti.
Sajnos a módszernek számos korlátozása van. A koponya, a bőr és más rétegek, amelyek elválasztják az idegsejteket az elektródoktól, bár ezek vezetõk, nem olyan jók, hogy ne torzítsák a jelre vonatkozó információkat.
Az elektródok csak sok szomszédos neuron teljes aktivitását képesek felvenni. A mérési eredményhez főleg a kéreg felső rétegeiben elhelyezkedő neuronok járnak, amelyek folyamata merőleges a felületére, mert éppen ezek képezik a dipolt, amelynek elektromos mezőjét az érzékelő képes a legjobban elfogni.
Mindez az adatok elvesztéséhez vezet a mély struktúrákból és csökken a pontosság, ezért a rendszer kénytelen dolgozni hiányos adatokkal.
Az agy felületére vagy közvetlenül az agyba beültetett invazív elektródok sokkal nagyobb pontosságot tesznek lehetővé.
Ha a kívánt funkció az agy felszíni rétegeivel van társítva (például motoros vagy szenzoros aktivitás), akkor a beültetés az elektródok trepaningjára és rögzítésére korlátozódik a kéreg felületéhez. Az érzékelők leolvasják sok cella teljes elektromos aktivitását, de ez a jel nem olyan torz, mint az EEG-ben.
Ha a mélyebb aktivitás fontos, akkor az elektródokat be kell illeszteni a kéregbe. Még az egyedi idegsejtek aktivitását speciális mikroelektródok segítségével is regisztrálhatjuk. Sajnos az invazív technika potenciális veszélyt jelent az emberekre, és az orvosi gyakorlatban csak szélsőséges esetekben alkalmazzák.
Remélem azonban, hogy a technika a jövőben kevésbé traumatikus lesz. Az amerikai Neuralink cég azt tervezi, hogy megvalósítja az ezer vékony, rugalmas elektróda biztonságos bevezetését anélkül, hogy a koponyába fúrnának, egy lézersugár segítségével.
Számos másik laboratórium dolgozik biológiailag lebontható szenzorokon, amelyek eltávolítják az elektródákat az agyból.
Banán vagy narancs?
A jel rögzítése csak az első lépés. Ezután "el kell olvasnod", hogy meghatározzák a mögöttes szándékokat. Az agyi tevékenység dekódolásának két lehetséges módja van: hagyja, hogy az algoritmus magát az adatkészletet kiválassza a vonatkozó jellemzőket, vagy adja meg a rendszernek a keresendő paraméterek leírását.
Az első esetben az algoritmus, amelyet a keresési paraméterek nem korlátoznak, maga a "nyers" jelet osztályozza, és olyan elemeket talál, amelyek a legnagyobb valószínűséggel előrejelzik a szándékokat. Ha például egy alany váltakozva gondolkodik a jobb és bal kezével történő mozgásról, akkor a program képes megtalálni azokat a jelparamétereket, amelyek maximálisan megkülönböztetik az egyik opciót a másiktól.
Ennek a megközelítésnek az a problémája, hogy az agy elektromos aktivitását leíró paraméterek túl sokdimenziósak, és az adatok túl zajosak különböző zajok esetén.
A második dekódoló algoritmussal előre meg kell tudni, hogy hol és mit kell keresni. Például a fent leírt P300 szórópéldánkban tudjuk, hogy amikor egy személy szimbólumot lát, az elektromos potenciál bizonyos módon megváltozik. Megtanítjuk a rendszerre, hogy keresse ezeket a változásokat.
Ilyen helyzetben az a képesség, hogy megfejtsük az egyén szándékait, ahhoz a tudásunkhoz kapcsolódik, hogy az agyi funkciók hogyan kódolódnak az idegi aktivitásban. Hogyan jelenik meg ez vagy az a szándék vagy állapot a jelben? Sajnos a legtöbb esetben nem kapunk választ erre a kérdésre.
A kognitív funkciók neurobiológiai kutatása folyamatban van, mindazonáltal a jelek nagyon kis részét megfejteni tudjuk. Az agy és tudat számunkra egy "fekete doboz" marad nekünk.
Alexander Kaplan, a neurofiziológus, a biológiai tudományok doktora és a Lomonoszvai Moszkvai Állami Egyetem neurofiziológiai és neurointerfész laboratóriumának alapítója, aki Oroszországban kapta az első ösztöndíjat az agy és a számítógép közötti kommunikáció fejlesztésére, azt mondja, hogy a kutatók képesek az EEG alapján automatikusan megfejteni az általuk elképzelt emberi szándékokat vagy képeket. …
Jelenleg azonban csak tucat ilyen szándék és kép van. Ezek általában olyan állapotok, amelyek a relaxációhoz és a mentális feszültséghez vagy a testrészek mozgásának ábrázolásához kapcsolódnak. És még felismerésük is hibával történik: például ha az EEG-rel megállapítják, hogy valaki a jobb kezét ököllel fogja szorítani, akkor is a legjobb laboratóriumokban ez lehetséges az összes kísérlet 80-85% -ánál.
És ha megpróbálja megérteni az EEG-ből, hogy valaki elképzel-e banánt vagy narancsot, akkor a helyes válaszok száma csak kissé meghaladja a véletlenszerű találgatások szintjét.
A legszomorúbb az, hogy nem sikerült javítani a neuro interfész rendszerek megbízhatóságát az EEG által az emberi szándékok felismerése során, és az ilyen szándékok listáját több mint 15 éve kibővíteni, annak ellenére, hogy az algoritmusok és a számítástechnika fejlesztése során jelentős előrelépés történt az egy idő alatt.
Az EEG nyilvánvalóan az ember szellemi tevékenységének csak egy kis részét tükrözi. Ezért a neuro interfész rendszereket mérsékelt elvárásokkal kell megközelíteni, és világosan fel kell vázolni azok valódi alkalmazásának területeit.
Elveszett a fordításban
Miért nem tudunk olyan rendszert létrehozni, amely azt teszi, amit az agy könnyen meg tud tenni? Röviden: az agy működése túl bonyolult az analitikai és számítási képességünkhöz.
Először is, nem ismerjük azt a "nyelvet", amelyen az idegrendszer kommunikál. Az impulzussorokon kívül számos változó jellemzi: a pályák és maguk a sejtek tulajdonságai, az információ átadásakor bekövetkező kémiai reakciók, a szomszédos ideghálózatok és más testrendszerek működése.
Amellett, hogy ennek a "nyelvnek" a "nyelvtani" önmagában összetett, különféle idegsejtpárokon különbözhet. A helyzetet súlyosbítja az a tény, hogy a kommunikáció szabályai, valamint a sejtek funkciói és a közöttük fennálló kapcsolatok mind nagyon dinamikusak, és folyamatosan változnak az új események és feltételek hatására. Ez exponenciálisan növeli a figyelembe veendő információk mennyiségét.
Az agyi tevékenységet teljes mértékben leíró adatok egyszerűen elfojtanak minden algoritmust, amely vállalja annak elemzését. Ezért a szándékok, emlékek, mozgások dekódolása gyakorlatilag megoldhatatlan feladat.
A második akadály az, hogy nem nagyon tudunk azokról az agyi funkciókról, amelyeket megpróbálunk kimutatni. Mi a memória vagy a vizuális kép, miből készülnek? A neurofiziológia és a pszichológia már régóta próbált megválaszolni ezeket a kérdéseket, ám a kutatásban eddig kevés előrelépés történt.
A legegyszerűbb funkciók, mint például a motoros és az érzékszervi funkciók ebben az értelemben előnyösek, mivel jobban megértik őket. Ezért a jelenleg elérhető idegi interfészek elsősorban velük lépnek kölcsönhatásba.
Képesek felismerni a tapintható érzéseket, a képzeletbeli végtagmozgást, a vizuális stimulációra adott reakciót és a környezeti eseményekre adott egyszerű reakciókat, például egy hibára adott reakciót vagy a várt inger és az igaz közötti eltérést. De a magasabb ideges aktivitás továbbra is nagy titok számunkra.
Kétirányú kommunikáció
Mostanáig csak az információ egyirányú olvasásának helyzetét vitattuk meg, visszamenőleges befolyás nélkül. Ma azonban már létezik olyan technológia, amellyel jeleket továbbítanak a számítógépről az agyra - a CBI (számítógép-agy interfész). Kétirányúvá teszi a neurointerfész kommunikációs csatornáját.
Információ (például hang-, tapintásérzékelések, sőt az agy működésével kapcsolatos adatok) bekerül a számítógépbe, elemzésre kerül, és a központi vagy perifériás idegrendszer sejtjeinek stimulálása révén továbbadódik az agyba. Mindez teljes mértékben megtörténhet, megkerülve az érzékelés természetes szerveit, és sikeresen felhasználható ezek helyettesítésére.
Alexander Kaplan szerint jelenleg nincs semmiféle elméleti korlátozás az embernek az agyszerkezetekhez közvetlenül kapcsolódó mesterséges érzékszervekkel való felszerelésére. Sőt, aktívan bevezetik őket egy ember mindennapi életébe, például a zavart természeti érzékszervek helyett.
Halláskárosodásban szenvedő emberek számára már kaphatók úgynevezett cochleáris implantátumok: mikrochip, amely a mikrofont és a halló receptort kombinálja. Megkezdődött a retina implantátumok tesztje a látás helyreállítása céljából.
Kaplan szerint nincs olyan műszaki korlátozás, amely az ultrahanggal, a radioaktivitás, a sebesség vagy a nyomás változására reagáló érzékelők csatlakoztatására szolgál az agyhoz.
A probléma az, hogy ezeknek a technológiáknak teljes mértékben az agy működésével kapcsolatos tudásunkon kell alapulniuk. Melyek, amint már rájöttünk, meglehetősen korlátozottak.
Kaplan szerint az egyetlen módja annak, hogy megkerüljék ezt a problémát, egy alapvetően új kommunikációs csatorna létrehozása, saját kommunikációs nyelvével, és nemcsak a számítógépet, hanem az agyat is tanítja az új jelek felismerésére.
Az ilyen fejlesztések már megkezdődtek. Például a Johns Hopkins Egyetem alkalmazott fizika laboratóriumában néhány évvel ezelőtt tesztelték egy bionikus kezet, amely képes tapintható információt továbbítani az agyba.
A mesterséges kéz érzékelőinek megérintésekor az elektródok stimulálják a perifériás idegrendszer útvonalait, amelyek ezután továbbítják a jelet az agy szenzoros területeire. Az ember megtanulja felismerni a bejövő jeleket különféle típusú érintésként. Így ahelyett, hogy megpróbálnánk reprodukálni a jelek tapintható rendszerét, amely természetes az ember számára, új kommunikációs csatornát és nyelvet hozunk létre.
Ezt a fejlődési utat azonban korlátozza az új csatornák száma, amelyeket létrehozhatunk, és mennyire informatívak lesznek az agy számára - mondja Alexander Kaplan.
Jövő idő
Kaplan úgy véli, hogy a neurointerfész technológiák fejlesztésére jelenleg nincs új mód. Elmondása szerint az agy és a számítógép közötti kommunikáció interfészének a lehetőségét a múlt század 70-es éveiben fedezték fel, és az agy alapelveit, amelyeken a mai fejlemények alapulnak, harminc évvel ezelőtt ismertették, és azóta az új ötletek gyakorlatilag nem jelentkeztek.
Így a P300 általánosan használt potenciálját fedezték fel az 1960-as években, a motoros képeket az 1980-as és 1990-es években, és az eltérés negatívumát az 1970-es években).
A tudósok egyszer azt remélték, hogy képesek lesznek szorosabb információs kapcsolatot létesíteni az agy és a processzor technológiája között, de ma világossá vált, hogy ezek nem valósultak meg.
Kaplan szerint azonban világossá vált, hogy a neuro interfészek orvosi használatra is megvalósíthatók. A tudós szerint a neurointerfészek fejlesztése most a legnagyobb mértékben a technológia bevezetésével jár a klinikai szférában.
A tudósok egyszer azt remélték, hogy képesek lesznek szorosabb információs kapcsolatot létesíteni az agy és a processzor technológiája között, de ma világossá vált, hogy ezek nem valósultak meg.
Kaplan szerint azonban világossá vált, hogy a neuro interfészek orvosi használatra is megvalósíthatók. A tudós szerint a neurointerfészek fejlesztése most a legnagyobb mértékben a technológia bevezetésével jár a klinikai szférában.
Az agykutatásnak és a technológiai fejlődésnek köszönhetően azonban a mai neurointerfészek képesek arra, ami egyszerre kivitelezhetetlennek tűnt. Nem tudjuk biztosan, mi fog történni 30, 50 vagy 100 év múlva. A tudomány történésze, Thomas Kuhn azt állította, hogy a tudomány fejlődése ciklus: a stagnálási periódusokat helyettesítik a paradigmatikus változások és az azt követő tudományos forradalmak. Valószínű, hogy a jövőben forradalom lesz, amely az agyat kiszabadítja a fekete dobozból. És ő lesz a legváratlanabb oldalról.
Maria Ermolova