Neuroliidesed - aju ja arvutit ühendavad tehnoloogiad - on järk-järgult muutumas rutiiniks: oleme juba näinud, kuidas vaimsete korralduste abil saab inimene proteesi kontrollida või teksti arvutisse trükkida. Kas see tähendab, et ulmekirjanike lubadused, mis kirjutasid mõtete täieõiguslikust lugemisest arvuti abil või isegi inimteadvuse ülekandmisest arvutisse, saavad peagi reaalsuseks? Sama teema - "liitreaalsus" - on 2019. aastal pühendatud heategevusliku sihtasutuse Sistema korraldatud ulmejuttude võistlusele "Tuleviku aeg". Koos võistluse korraldajatega nuputasid N + 1 toimetajad välja, milleks tänapäevased närviliidesed on võimelised ja kas me saame tõesti luua täisväärtusliku aju-arvuti ühenduse. Ja Aleksander Kaplan aitas meid selles,Moskva Riikliku Ülikooli Lomonosovi esimese vene liideselabori asutaja.
Haki keha
Neil Harbissonil on kaasasündinud akromatopsia, mis on temalt kaotanud värvide nägemise. Britt, otsustades loodust petta, implanteeris spetsiaalse kaamera, mis teisendab värvi heliinformatsiooniks ja saadab selle sisekõrva. Neil peab end esimeseks küborgiks, mida riik on ametlikult tunnustanud.
2012. aastal demonstreeris Ameerika Ühendriikides Pittsburghi ülikoolist pärit Andrew Schwartz halvatud 53-aastast patsienti, kes saatis ajusse implanteeritud elektroodide abil signaale robotile. Ta õppis robotit nii palju juhtima, et suutis end serveerida šokolaaditassina.
2016. aastal ulatas 28-aastane raske selgroo vigastusega patsient samas laboris aju juhitud tehiskäe teda külastanud Barack Obama poole. Käe peal olevad andurid võimaldasid patsiendil tunda Ameerika Ühendriikide 44. presidendi käepigistust.
Kaasaegne biotehnoloogia annab inimestele võimaluse "murda" oma keha piirangud, luues inimese aju ja arvuti vahel sümbioosi. Näib, et kõik liigub selle poole, et bioenergeetikast saaks peagi igapäevaelu osa.
Reklaamvideo:
Mis saab edasi? Filosoof ja futurist Max More, kes on eelmise sajandi lõpust alates olnud transhumanismi idee järgija, on arendanud ideed inimese üleminekust uuele evolutsiooni etapile, kasutades muu hulgas arvutitehnoloogiat. Viimase kahe sajandi kirjanduses ja kinos on sarnane näide futuristlikust kujutlusvõimest libisenud.
William Gibbsoni 1984. aastal ilmunud ulmeromaani Neuromancer maailmas on välja töötatud implantaadid, mis võimaldavad nende kandjal Interneti-ühenduse luua, intellektuaalseid võimeid laiendada ja mälestusi taaselustada. Hiljuti USA-s filmitud Jaapani kultusliku sci-fi manga "Ghost in the Shell" autor Masamune Shiro kirjeldab tulevikku, milles ükskõik millise organi saab asendada bioonikaga kuni teadvuse täieliku ülekandumiseni roboti kehasse.
Kui kaugele võivad närviliidesed minna maailmas, kus ühelt poolt teadmatus korrutab fantaasiaid ja teisalt osutuvad fantaasiad sageli provintsiks?
Potentsiaalne erinevus
Kesknärvisüsteem (CNS) on keeruline suhtlusvõrk. Ainuüksi ajus on üle 80 miljardi neuroni ja nende vahel on triljoneid ühendusi. Igas millisekundis närvirakkudes ja väljaspool neid muutub positiivsete ja negatiivsete ioonide jaotus, määrates, kuidas ja millal see uuele signaalile reageerib. Puhkeseisundis on neuronil keskkonna suhtes negatiivne potentsiaal (keskmiselt -70 millivolt) või "puhkepotentsiaal". Teisisõnu, see on polariseeritud. Kui neuron saab elektrilise signaali teiselt neuronilt, peavad selle edasiseks edastamiseks positiivsed ioonid sisenema närvirakku. Depolarisatsioon toimub. Kui depolarisatsioon saavutab läviväärtuse (umbes -55 millivolt, võib see väärtus siiski varieeruda),rakk erutab ja laseb sisse üha enam positiivselt laetud ioone, mis loob positiivse potentsiaali ehk "aktsioonipotentsiaali".
Tegevuspotentsiaal.
Lisaks edastatakse aktsioonipotentsiaal piki aksonit (raku kommunikatsioonikanal) järgmise lahtri vastuvõtjakanalisse dendriti. Kuid akson ja dendriit ei ole otseselt ühendatud ja elektriline impulss ei saa lihtsalt ühelt teisele üle minna. Nende vahelist kokkupuutekohta nimetatakse sünapsiks. Synapses toodavad, edastavad ja võtavad vastu neurotransmittereid - keemilisi ühendeid, mis "edastavad" signaali ühe raku aksonist teise dendriidini.
Kui impulss jõuab aksoni lõpuni, vabastab see neurotransmitterid sünaptilisse lõhesse, ületades rakkude vahelise ruumi ja kinnitudes dendriidi otsa. Need sunnivad dendritit laskma positiivselt laetud ioone, liikuda puhkepotentsiaalilt aktsioonipotentsiaalile ja edastama signaali rakukehale.
Neurotransmitteri tüüp määrab ka selle, milline signaal edastatakse. Näiteks põhjustab glutamaat neuronite tulistamist, gamma-aminovõihape (GABA) on oluline inhibeeriv vahendaja ja atsetüülkoliin võib sõltuvalt olukorrast teha mõlemat.
Nii näeb neuron skemaatiliselt välja:
Neuroni diagramm.
Ja kuidas see reaalsuses välja näeb:
Neuron mikroskoobi all.
Lisaks sõltub vastuvõtjaraku vastus sissetulevate impulsside arvust ja rütmist, teistest rakkudest tuleva teabe hulgast, samuti ajupiirkonnast, kust signaal saadeti. Erinevad abirakud, endokriinsed ja immuunsussüsteemid, väliskeskkond ja eelnev kogemus - kõik see määrab kesknärvisüsteemi hetkeseisundi ja mõjutab seeläbi inimese käitumist.
Ja kuigi, nagu me aru saame, pole kesknärvisüsteem "juhtmete" komplekt, põhineb neuro-liideste töö täpselt närvisüsteemi elektrilisel aktiivsusel.
Positiivne hüpe
Neuro-liidese põhiülesanne on ajust tuleva elektrisignaali dekodeerimine. Programmil on komplekt "malle" või "sündmusi", mis koosnevad erinevatest signaali karakteristikutest: vibratsiooni sagedused, piigid (aktiivsuse piigid), asukohad ajukoores jne. Programm analüüsib sissetulevaid andmeid ja proovib neid sündmusi neis tuvastada.
Edastatud käsud sõltuvad lisaks saadud tulemusest, samuti süsteemi kui terviku funktsionaalsusest.
Sellise mustri näiteks on P300 (positiivne 300) esile kutsutud potentsiaal, mida sageli kasutatakse nn spellerite jaoks - mehhanismid teksti tipimiseks ajusignaalide abil.
Kui inimene näeb ekraanil vajalikku sümbolit, saab aju aktiivsuse registreerimisel pärast 300 millisekundit tuvastada positiivse elektripotentsiaali hüppe. P300 tuvastamisel saadab süsteem käsu vastava märgi printimiseks.
Sel juhul ei suuda algoritm juhusliku elektrilise aktiivsuse kaudu signaali müratasemest tulenevat potentsiaali ühe korraga tuvastada. Seetõttu tuleb sümbolit esitada mitu korda ja saadud andmete keskväärtus tuleb arvutada.
Lisaks üheastmelisele potentsiaalimuutusele võib neuro-liides otsida muutusi aju rütmilises (s.o ostsillaarses) tegevuses, mis on põhjustatud teatud sündmusest. Kui piisavalt suur neuronite rühm siseneb aktiivsuse kõikumiste sünkroonsesse rütmi, saab seda tuvastada signaalispektrogrammil ERS-i kujul (sündmusega seotud sünkroniseerimine). Kui vastupidi, toimub võnkumiste desünkroniseerimine, siis sisaldab spektrogramm ERD-d (sündmusega seotud desünkroniseerimine).
Sel hetkel, kui inimene teeb käeliigutust või lihtsalt seda ette kujutab, täheldatakse ERD vastaspoolkera motoorses ajukoores võnkesagedusega umbes 10–20 hertsi.
Selle ja muud mallid saab programmile käsitsi määrata, kuid sageli luuakse need iga konkreetse inimesega töötamise käigus. Meie aju, nagu ka selle tegevuse omadused, on individuaalne ja nõuab süsteemi kohandamist sellega.
Elektroodide salvestamine
Enamik neuro-liideseid kasutab aktiivsuse registreerimiseks elektroentsefalograafiat (EEG), see tähendab mitteinvasiivset neuroimaging meetodit, selle suhteliselt lihtsuse ja ohutuse tõttu. Pea pinnale kinnitatud elektroodid registreerivad elektrivälja muutuse, mis on tingitud dendriitide potentsiaali muutumisest pärast seda, kui aktsioonipotentsiaal on "ületanud" sünapsi.
Sel hetkel, kui positiivsed ioonid tungivad dendritesse, moodustub ümbritsevas keskkonnas negatiivne potentsiaal. Neuroni teises otsas hakkavad sama laenguga ioonid rakust lahkuma, luues positiivse potentsiaali väljapoole ja neuronit ümbritsev ruum muutub dipooliks. Dipoolist leviv elektriväli registreeritakse elektroodi abil.
Kahjuks on meetodil mitmeid piiranguid. Kolju, nahk ja muud kihid, mis eraldavad närvirakke elektroodidest, ehkki nad on juhid, pole nii head, et mitte moonutada signaali kohta käivat teavet.
Elektroodid on võimelised salvestama ainult paljude naaberneuronite koguaktiivsust. Mõõtmistulemuse peamine panus on ajukoore ülemistes kihtides paiknevatel neuronitel, mille protsessid on selle pinnaga risti, sest just nemad loovad dipooli, mille elektrivälja saab sensor kõige paremini hõivata.
Kõik see viib sügavate struktuuride teabe kaotamiseni ja täpsuse vähenemiseni, mistõttu süsteem on sunnitud töötama mittetäielike andmetega.
Invasiivsed elektroodid, implanteeritud pinnale või otse aju sisemusse, võimaldavad palju suuremat täpsust.
Kui soovitud funktsioon on seotud aju pinnakihtidega (näiteks motoorne või sensoorne aktiivsus), siis piirdub implanteerimine trepanatsiooni ja elektroodide kinnitamisega ajukoore pinnale. Andurid loevad paljude rakkude kogu elektrilist aktiivsust, kuid see signaal pole nii moonutatud kui EEG-s.
Kui oluline on sügavamal paiknev aktiivsus, sisestatakse elektroodid ajukooresse. Spetsiaalsete mikroelektroodide abil on võimalik registreerida isegi üksikute neuronite aktiivsus. Kahjuks kujutab invasiivne tehnika inimestele potentsiaalset ohtu ja seda kasutatakse meditsiinipraktikas ainult äärmuslikel juhtudel.
Siiski on lootust, et tehnika muutub tulevikus vähem traumeerivaks. Ameerika ettevõte Neuralink plaanib viia ellu idee viia laserkiire abil ohutult sisse tuhandeid õhukesi painduvaid elektroode ilma kolju puurimata.
Mitmed teised laborid töötavad biolagunevate sensorite kallal, mis eemaldavad ajust elektroodid.
Banaan või apelsin?
Signaali salvestamine on alles esimene samm. Järgmisena peate selle "läbi lugema", et teha kindlaks selle taga olevad kavatsused. Aju aktiivsuse dekodeerimiseks on kaks võimalikku viisi: laske algoritmil andmekogumist endast sobivad tunnused välja valida või andke süsteemile parameetrite kirjeldus, mida otsida.
Esimesel juhul klassifitseerib algoritm, mida otsingparameetrid ei piira, "toores" signaali ise ja leiab elemente, mis ennustavad kavatsusi suurima tõenäosusega. Kui näiteks mõni subjekt mõtleb vaheldumisi parema ja vasaku käega liikumisest, siis suudab programm leida signaali parameetrid, mis eristavad maksimaalselt üht võimalust teisest.
Selle lähenemisviisi probleem on see, et aju elektrilist aktiivsust kirjeldavad parameetrid on liiga mitmemõõtmelised ja erinevate mürade puhul on andmed liiga mürarikkad.
Teise dekodeerimise algoritmi abil on vaja ette teada, kust ja mida otsida. Näiteks ülalkirjeldatud P300 spelleri näites teame, et kui inimene näeb sümbolit, muutub elektripotentsiaal teatud viisil. Õpetame süsteemi neid muudatusi otsima.
Sellises olukorras on inimese kavatsuste dešifreerimise võime seotud meie teadmistega, kuidas ajufunktsioonid on närvitegevuses kodeeritud. Kuidas see või see kavatsus või olek signaalis avaldub? Kahjuks pole enamikul juhtudel sellele küsimusele vastust.
Kognitiivse funktsiooni neurobioloogilised uuringud on käimas, kuid sellegipoolest võime dešifreerida väga väikese osa signaalidest. Aju ja teadvus jäävad meile praegu "mustaks kasti".
Neurofüsioloog, bioloogiateaduste doktor ning Moskva Riikliku Ülikooli Lomonosovi ülikooli neurofüsioloogia ja neuro-liideste laboratooriumi asutaja Aleksander Kaplan, kes sai Venemaal esimese stipendiumi aju ja arvuti vahelise suhtluse neuro-liidese arendamiseks, ütleb, et teadlased suudavad EEG põhjal automaatselt lahti mõtestada inimese poolt ettekujutatud inimese kavatsused või pildid. …
Praegu pole aga selliseid kavatsusi ja pilte rohkem kui tosin. Need on reeglina seisundid, mis on seotud lõõgastumise ja vaimse pingega või kehaosade liikumiste kajastamisega. Ja isegi nende äratundmine toimub vigadega: näiteks EEG abil teha kindlaks, et inimene kavatseb oma parema käe rusikasse suruda, isegi parimates laborites on see võimalik mitte rohkem kui 80–85 protsenti kogu katsete arvust.
Ja kui proovite EEG-st aru saada, kas inimene kujutleb banaani või apelsini, siis ületab õigete vastuste arv vaid pisut juhuslike arvamiste taset.
Kõige kurvem on see, et pole suutnud parandada neuro-liidesesüsteemide töökindlust EEG poolt inimese kavatsuste äratundmisel ja laiendada selliste kavatsuste loetelu rohkem kui 15 aastat, hoolimata samal ajal saavutatud olulistest edusammudest algoritmide ja arvutustehnoloogia väljatöötamisel.
Ilmselt peegeldab EEG ainult väikest osa inimese vaimsest tegevusest. Seetõttu tuleks neuro-liidesesüsteemidele läheneda mõõdukate ootustega ja visandada selgelt nende tegeliku kasutamise valdkonnad.
Tõlkes kaduma läinud
Miks me ei saaks luua süsteemi, mis teeb seda, mida aju saab hõlpsalt teha? Lühidalt öeldes on aju töömeetod meie analüütilise ja arvutusvõime jaoks liiga keeruline.
Esiteks ei tea me seda keelt, milles närvisüsteem suhtleb. Lisaks impulssseeriatele iseloomustavad seda paljud muutujad: radade ja rakkude iseärasused, info edastamise ajal toimuvad keemilised reaktsioonid, naabernärvivõrkude ja muude kehasüsteemide töö.
Lisaks asjaolule, et selle "keele" grammatika on iseenesest keeruline, võib see erineda närvirakkude erinevates paarides. Olukorda raskendab asjaolu, et suhtlemisreeglid, samuti rakkude funktsioonid ja nendevahelised suhted on kõik väga dünaamilised ja pidevalt muutuvad uute sündmuste ja tingimuste mõjul. See suurendab eksponentsiaalselt arvestatava teabe hulka.
Aju tegevust täielikult kirjeldavad andmed uputavad lihtsalt iga algoritmi, mis kohustub seda analüüsima. Seetõttu on kavatsuste, mälestuste, liikumiste dekodeerimine praktiliselt lahendamatu ülesanne.
Teine takistus on see, et me ei tea väga palju nende ajufunktsioonide kohta, mida proovime tuvastada. Mis on mälu või visuaalne pilt, millest need on valmistatud? Neurofüsioloogia ja psühholoogia on püüdnud neile küsimustele pikka aega vastata, kuid seni on uuringutes tehtud vähe edusamme.
Selles mõttes on eeliseks ka kõige lihtsamad funktsioonid, näiteks motoorsed ja sensoorsed funktsioonid, kuna neid mõistetakse paremini. Seetõttu suhtlevad praegu saadaolevad närviliidesed peamiselt nendega.
Nad on võimelised ära tundma taktiilset aistingut, jäseme kujuteldavat liikumist, reageerimist visuaalsele stimulatsioonile ja lihtsaid reaktsioone keskkonnasündmustele, näiteks reaktsiooni veale või oodatava stiimuli ja tegeliku mittevastavusele. Kuid kõrgem närviline aktiivsus on meie jaoks täna suur saladus.
Kahesuunaline suhtlus
Siiani oleme arutanud ainult teabe ühesuunalise lugemise olukorda ilma tagurpidi mõjutamata. Tänapäeval on aga juba olemas tehnoloogia signaalide edastamiseks arvutist ajju - CBI (arvuti-aju liides). See muudab neuro-liidese suhtluskanali kahesuunaliseks.
Teave (näiteks heli, puutetundlikud aistingud ja isegi andmed aju toimimise kohta) siseneb arvutisse, seda analüüsitakse ja kesk- või perifeerse närvisüsteemi rakkude stimuleerimise kaudu edastatakse see aju. Kõik see võib toimuda täiesti mööda minnes looduslikest tajuorganitest ja seda kasutatakse edukalt nende asendamiseks.
Aleksander Kaplani sõnul pole praegu enam teoreetilisi piiranguid inimese varustamiseks kunstlike sensoorsete "organitega", mis on otse ühendatud aju struktuuridega. Pealegi võetakse neid aktiivselt inimese igapäevaellu sisse näiteks häiritud looduslike organite asendamiseks.
Kuulmispuudega inimestele on juba saadaval nn kohleaarsed implantaadid: mikrokiibid, mis ühendavad mikrofoni kuulmisretseptoritega. Võrkkesta implantaatide testimine nägemise taastamiseks on alanud.
Kaplani sõnul puuduvad tehnilised piirangud muude ajuga andurite ühendamiseks, mis reageerivad ultrahelile, radioaktiivsuse, kiiruse või rõhu muutustele.
Probleem on selles, et need tehnoloogiad peavad täielikult põhinema meie teadmistel aju toimimise kohta. Mis, nagu me juba teada saime, on üsna piiratud.
Ainus viis sellest probleemist mööda pääseda on Kaplani sõnul luua oma suhtluskeelega põhimõtteliselt uus suhtluskanal ja õpetada mitte ainult arvutit, vaid ka aju uusi signaale ära tundma.
Sellised arengud on juba alanud. Näiteks katsetasid nad mitu aastat tagasi Johns Hopkinsi ülikooli rakendusfüüsika laboris bioonilist kätt, mis on võimeline edastama kombatavat teavet ajule.
Kunstkäe andureid puudutades stimuleerivad elektroodid perifeerse närvisüsteemi radu, mis edastavad signaali seejärel aju sensoorsetesse piirkondadesse. Inimene õpib sissetulevaid signaale ära tundma kui erinevat tüüpi puudutusi. Seega luuakse inimesele loomuliku signaalide kombatava süsteemi paljundamise asemel uus suhtluskanal ja -keel.
Seda arenguteed piirab aga uute kanalite arv, mida saame luua, ja kui informatiivsed need aju jaoks on, ütleb Alexander Kaplan.
Tulevik
Kaplan usub, et praegu pole neuro-liideste tehnoloogiate arendamiseks uut viisi. Tema sõnul avastati aju ja arvuti vahelise suhtluse liidese võimalus juba eelmise sajandi 70. aastatel ning aju põhimõtteid, millel tänapäeva areng põhineb, kirjeldati umbes kolmkümmend aastat tagasi ning sellest ajast peale pole uusi ideid praktiliselt ilmunud.
Nii avastati P300 nüüd laialdaselt kasutatav potentsiaal 1960. aastatel, motopildid 1980. – 1990. Aastatel ja ebakõla negatiivsus 1970. aastatel).
Teadlased lootsid kunagi, et suudavad luua aju ja protsessoritehnoloogia vahel tihedama informatsioonilise kontakti, kuid täna sai selgeks, et need ei saanud tõeks.
Kaplani sõnul on aga selgeks saanud, et neuro-liideseid saab rakendada meditsiiniliseks kasutamiseks. Teadlase sõnul kulgeb neuro-liideste arendamine praegu kõige enam tehnoloogia juurutamise kaudu kliinilisse sfääri.
Teadlased lootsid kunagi, et suudavad luua aju ja protsessoritehnoloogia vahel tihedama informatsioonilise kontakti, kuid täna sai selgeks, et need ei saanud tõeks.
Kaplani sõnul on aga selgeks saanud, et neuro-liideseid saab rakendada meditsiiniliseks kasutamiseks. Teadlase sõnul kulgeb neuro-liideste arendamine praegu kõige enam tehnoloogia juurutamise kaudu kliinilisse sfääri.
Tänu aju-uuringutele ja tehnoloogia arengule on tänapäeva neuro-liidesed siiski võimelised selleks, mis kunagi tundus teostamatu. Me ei tea kindlalt, mis juhtub 30, 50 või 100 aasta pärast. Teaduse ajaloolane Thomas Kuhn esitas idee, et teaduse areng on tsükkel: stagnatsiooniperioodid asendatakse järgnenud paradigmaatiliste nihete ja teaduslike revolutsioonidega. On täiesti võimalik, et tulevikus toimub meil revolutsioon, mis viib aju mustast kastist välja. Ja ta tuleb kõige ootamatumalt küljelt.
Maria Ermolova
