Нейрокомпьютерлердің тарихы

• Симптомдар бойынша аурулардыы;

• Пайдалы қазбаларды іздеуге болатын жерлерді;

• Құрылымы бойыншша химиялық қоспалардың қасиеттерін ;

• Ауа райын;

• Емдеу нәтижесін;

• Саяси оқиғаларды;

• Әскери қақтығыста немесе экономикалық бәсекелестіктегі қарама-қарсы жақтың іс-әрекетін;

• Жұбайлық қарым-қатынастың төзімділігін;

• Оптимизация-ең жақсы шешімдерді іздеу;

• Техникалық құралдарды құрастырғанда;

• Экономикалық стратегияны таңдағанда;

• Команданы таңдағанда;

• Ауру адамды емдегенде;

3. Жоғары шу кезіндегі сигналдарды өңдеу;

4. Протездеу және табиғи функцияларды жоғарылату, оған қоса адамның нерв жүйесін тікелей компьютерге қосу(Нейро-компьютерлік интерфейс);

5. Психодиагностика;

6. Телекоммуникациялық аялақтық

7. Ақпарат қауіпсіздігі;

 

Әдебиеттер тізімі:

1. Neurocomputing, Elsevier ISSN 0925-2312
2. Журнал «Нейрокомпьютеры: разработка, применение», ИПРЖР Радиотехника ISSN 1999-8554
3. Аляутдинов М. А., Галушкин А. И., Казанцев П. А., Остапенко Г. П. Нейрокомпьютеры: от программной к аппаратной реализации. — М.: Горячая линия - Телеком, 2008. — 152 с. — ISBN 978-5-9912-0044-8
4. Нейрокомпьютерная парадигма и общество. / Под ред. Ю. Ю. Петрунина. — М.: Издательство Московского университета, 2012. — 304 с. — ISBN 978-5-211-06375-4
5. Чечкин А. В., Савельев А. В. Нейрокомпьютеры в 2012 году: новая парадигма
6. Донской Д.А., Слепцов Н.В. Нейрокомпьютерное моделирование в образовании. Труды научно-методического симпозиума «Компьютерное моделирование в обучении точным наукам». М.; 2003. С.34-38.
7. Донской Д.А., Слепцов Н.В. Нейрокомпьютеры и искусственные нейронные сети в преподавании вузовской информатики. Педагогическая информатика.2004,№1. — С.30-35.
8. Википедия (ru.wikipedia.org).
9. MEMBRANA (www.membrana.ru).
10. Элементы (www.elementy.ru).
11. Журнал «КомпьютерПресс» (www.compress.ru).
12. www.ve-group.ru.
13. www.neurobotics.ru

 

 

Введение

Наш мир заполонён как компьютерами, так и различного рода техникой. И их взаимодействие человек уже давно наладил. Сейчас, в основном, лишь отлаживаются эти связи, дабы быть способными отвечать всё возрастающим запросам человека.

Но есть в мире интерфейсов ещё  одна ниша, находящаяся ещё на ранней стадии своего развития, но имеющая уже немалые и многообещающие результаты. От одной мысли о перспективах этой сферы, порой, даже мурашки по коже пробегают.

Все мы привыкли пользоваться мышью  и клавиатурой как посредниками между нами и машиной. Но, порой, приходит мысль, что по сути без этих посредников вполне можно обойтись. Ведь они лишь помогают воплощаться нашим мыслям в вычислительной машине. А что если воплощать эту самую мысль без посредников?

Вот этим уже не одно десятилетие  и заняты различные исследовательские группы в разных концах мира. И результаты их исследований показывают, насколько, оказывается, реальны сцены, показанные в фантастических кинофильмах, где люди взаимодействовали с компьютером через порт, вживлённый в затылок или даже через обычные очки.

На эту тему и пойдёт речь в  данной работе - интерфейсы, осуществляющие взаимодействие человека и машины (будь то компьютер, инвалидная коляска или  роботизированная рука). Таким интерфейсам  даже дана аббревиатура — НКИ (нейро-компьютерный интерфейс) в русскоязычной литературе и BCI (brain-computer interface), реже BMI (brain-machine interface) в англоязычной.

Практическая необходимость в  таком интерфейсе назрела давно. Десятки тысяч больных уже  сейчас нуждаются в подобном интерфейсе. В первую очередь – это полностью парализованные люди (с так называемым locked-in синдромом), например, некоторые пациенты с АЛС (в США, например, их общее количество достигает 30 тысяч человек); пациенты с тяжелыми формами церебрального паралича; пациенты с тяжелыми инсультами и травмами. Можно ожидать, что по мере развития эта технология может быть использована и другими пациентами с менее поврежденными системами движения, такими как квадроплегия.

 

Технологии НКИ 

 

Нейро-компьютерный интерфейс (называемый также прямой нейронный интерфейс или мозговой интерфейс, в англоязычной литературе brain-computer interface, BCI) — физический интерфейс приёма или передачи сигналов между живыми нейронами биологического организма (например, мозгом животного) с одной стороны, и электронным устройством (например, компьютером) с другой стороны. В однонаправленных интерфейсах, устройства могут либо принимать сигналы от мозга, либо посылать ему сигналы (например, имитируя сетчатку глаза при восстановлении зрения электронным имплантантом). Двунаправленные интерфейсы позволяют мозгу и внешним устройствам обмениваться информацией в обоих направлениях.

Все существующие технологии НКИ можно  разбить на два направления —  непосредственное взаимодействие с  нейронами с вживлением в тело специальных устройств и снятие внешних сигналов (в основном, импульсов мозговой активности) с помощью наружных датчиков.  

 

Вживляемые  сенсоры и электроды

Начало  этого направления было положено опытами на животных. Вообще изучение нейропроцессов обычно начинается с  изучения нейронов улиток, как самых простых и крупных клеток такого типа. Но в сфере НКИ результаты, имеющие куда большее значение, появились в результате опытов на обезьянах.

Именно  тогда обозначился принципиальный рывок в развитии устройств, которые  способны интерпретировать «мозговое электричество», проще говоря, нейронные импульсы (и волны) в логичный ряд команд посредством обычных алгоритмов и транслировать эти команды в вычислительные устройства.

 

Опыты на обезьянах

В 2001 году Мигель Николелис из университета Дюка (Durham, South Carolina) проводил одни из самых известных в этой области эксперименты. Николелис, вводя электроды в мозг и «перекодируя сигналы», сумел синхронизировать движения «руки» обезьяны и «киборг-руки» — искусственного механизма, повторяющего форму и функции «руки».

В 2004 году Ричард Андерсен и его коллеги  из Калифорнийского технологического института (California Institute of Technology) научились  с помощью мозговых имплантатов  «читать мысли» обезьян: предсказывать, что они собираются делать, и даже узнавать, насколько им это нравится. Познавательные мозговые сигналы такого высокого уровня были расшифрованы впервые.

Учёные  внедрили в париетальную кору мозга  обезьяны 96 электродов, что дало возможность  с 67-процентной точностью прогнозировать действия животного. Точность предсказания достигла 88 процентов, когда исследователи выясняли, какую именно награду обезьяна хочет получить за выполнение задачи, например, желает она сок или воду.

В 2008 году был проведён ещё один эксперимент  с обезьянами. Идеи и методы, придуманные авторами, должны помочь медикам и инженерам в разработке протезов нового поколения с «мысленным» управлением.

Две обезьяны с вживленными в мозг электродами научились управлять  механической рукой, имеющей 5 степеней свободы, одной лишь «силой мысли». Успех эксперимента был обеспечен оригинальной методикой обучения, в ходе которого контроль над искусственной рукой постепенно переходил от компьютерного «автопилота» к обезьяне. При этом «обучалось» не только животное, но и программа, интерпретирующая мозговые импульсы и преобразующая их в движения механической руки. 

 

 

Вживление имплантантов в человека

В октябре 2004 года американская компания Cyberkinetics завершила начатое в июне 2004 года испытание своей системы BrainGate: чип, внедрённый в мозг 24-летнего паралитика, позволил ему «силой мысли» управлять телевизором и компьютером, в частности — пользоваться электронной почтой, играть в компьютерные игры.

Чип BrainGate внедряется непосредственно в  кору головного мозга. По мнению авторов устройства, это более эффективно, чем другие подходы, используемые создателями аналогичных по назначению интерфейсов человек-машина (внешние электроды, снятие мозговых волн). Хирурги внедрили чип в определённый «моторный» участок коры мозга. Это устройство снимает сигнал одновременно со ста нейронов.

С помощью  специальных программ этот человек  смог играть в некоторые компьютерные игры, читать и отправлять электронную  почту, управлять телевизором исключительно  с помощью «силы мыслей».

В 2006 году группа нейрохирургов, нейробиологов и инженеров из Университета Вашингтона в Сент-Луисе, США (Washington University in St. Louis) провела эксперимент, главным участником которого стал подросток, страдающий эпилепсией. Чтобы выявить участок мозга, в котором зарождаются эпилептические припадки, подростку хирургическим путем поместили на поверхность мозга сеть электродов. Электрические импульсы с поверхности мозга передаются в компьютер и анализируются при помощи специальных программ.

Исследователи воспользовались этой ситуацией и разработали специальное  программное обеспечение, позволяющее  подростку управлять движением  курсора на мониторе силой воображения. Подросток быстро освоил мысленное  управление компьютером. Не прикасаясь к клавиатуре и не совершая вообще никаких движений, он играет в популярную в 70-е годы игру Atari's Space Invaders, в которой нужно из пушки расстреливать спускающихся с неба космических пришельцев.

В 2009 году Группа ученых из Университета Брауна (Brown University) в Род-Айленде приступила ко второй фазе испытаний на людях в сфере BCI. Несколько сверхтонких электродов вживляются в мозг пациента. Нервные импульсы испускаемые мозгом прибор превращает в команды для компьютера. Пациент силой мысли будет способен передвигать курсор мышки или другими подключенными устройствами.  

 

Проблемы методики вживления датчиков

Несмотря на все достоинства  метода вживления электродов и чипов  непосредственно в головной мозг, есть у него и значительные недостатки.

Самый очевидный недостаток в том, что при использовании «контактного» варианта существенна опасность инфекции.

Другой минус замечен в процессе экспериментов. Имплантаты, в основном, требует значительного времени  настройки перед включением, да и  само управление даётся нелегко.

Наиболее явно недостатки проявляются  при манипуляциях с курсором на экране. Такое, казалось бы, несложное действие – переместить курсор и выбрать  объект — реализуется не без труда. В одном из вариантов такой  технологии для передвижения требуется 2,5 секунды (обычный пользователь делает аналогичное перемещение за одну), а попадание на нужный объект происходит только в 73-95% случаев (а в норме — практически 100%).

В одной статье в Nature специалистами  из Стэндфордского университета (Stanford University) высказана чуть отличающаяся концепция сенсора, который была бы намного удобней.

Суть идеи заключается в том, что нужно получать сигналы вовсе  не от нейронов, ответственных за движение, а из тех зон коры, что отвечают за намерение совершения действий. Это могло бы сделать работу системы намного более быстрой.

К примеру, чтобы сделать что-то с объектом на экране, совсем не нужно  двигать к нему курсор – достаточно мысленно назначить нужный объект, находящийся в поле зрения, и курсор сразу же, безо всяких перемещений, окажется там, где нужно.

Ещё одна проблема заключается в  том, что электроды, внедрённые в  мозг, повреждают ткани. Причём разрушение происходит не только в момент введения электрода, но и при его нахождении в мозге.

Поделать с этим ничего нельзя, ведь сейчас электроды металлические, но даже если их изготавливать из более мягких материалов, они всё равно будут травмировать. И даже если это не вредит нервной системе, то мешает работе самого электрода: в месте его внедрения образуется рубцовая ткань, которая ухудшает контакт. Из-за этого, спустя какое-то время, мозг начинает хуже воспринимать импульсы от внешней аппаратуры.

Существуют попытки решить эту  проблему. Например, учёные из исследовательского коллектива одного Кливлендского медицинского центра считают, что справиться с проблемой поможет биомиметическая (то есть подражающая живой природе) стратегия. По их мысли, для электродов нужно использовать материал, который будет, как и полагается, «втыкаться» в кору мозга, а потом размягчаться. Интересно, что этот материал они разработали, опираясь на знания о структуре кожи морского огурца.

Как можно узнать из их статьи, вышедшей в журнале Science, полимер, созданный  учёными, в обычном состоянии  по твёрдости напоминает пластик, из которого делают компакт-диски. В другом состоянии он сравним с мягкой резиной. Чтобы уменьшить твёрдость материала, нужно всего лишь опустить его в очищенную воду. Ценно то, что "переключение" между этими состояниями происходит достаточно быстро.