Нейроинтерфейс: как и зачем |
 — Вспомните, как он назвал свою расу, — тихо произнес психолог. Тагобар замигал глазами очень медленно. Когда он заговорил, его голос был хриплым шепотом Существами с великой силой мысли. — Вот именно, — подтвердил Зендоплит Во многих фантастических романах есть сцены, когда герой управляет сложным техническим устройством, например, в романе Стивена Кинга «Томминокеры» космический корабль пришельцев управляется мысленными намерениями человека. Возникает вопрос: когда мы сможем прочитать мысли человека и создать устройства (или интерфейсы, говоря компьютерным языком), транслирующие наши мысленные намерения в те или иные команды? По крайней мере, название для них уже есть: нейроинтерфейсы или, для простоты — интерфейсы. До чтения мыслей нейрофизиологам и инженерам еще так далеко, что непонятно, сколько. Однако задача создания интерфейсов мозг—компьютер понемногу решается. Нейроинтерфейсы — это устройства и программы, которые используют эти устройства, то есть которые регистрируют активность в различных областях головного мозга и переводят эти сигналы в команды управления внешним устройством, например, компьютером. «Активность» мозга может проявляться по-разному, и ниже мы это обсудим. Сама разработка интерфейсов мозг—компьютер весьма востребована и поэтому быстро развивается. Области применения можно условно разделить на несколько групп. Первая — это наука, то есть исследование работы мозга. Вторая группа применений — это медицина: диагностика, лечение и реабилитация. Третья — это управление «силой мысли» всем на свете — экскаватором на Земле, исследовательским роботом на Луне, экзоскелетом для увеличения возможностей здорового человека, коляской для инвалида и автомобилем для них обоих. И вообще помощь частично или полностью парализованным во взаимодействии с внешними устройствами, например, технология , позволяющая людям с ограниченными возможностями общаться. Тут же, кстати, игровая индустрия — круто мочить монстров силой мысли! Четвертая, не очевидная область, — это тонкое взаимодействие мозга и внешних устройств, в том числе с обратной связью, когда не только человек управляет внешним устройством, но и внешний мир что-то сообщает человеку, как-то на него влияет. Сюда относятся тренировка устойчивости человека к факторам стресса, улучшение владения своим психофизиологическим состоянием, разработка возможности оценивать и передавать эмоции человека устройствам. Продвижение во всех этих направлениях зависит от понимания того, как работает наш мозг, как его работа отражается в том, что мы можем наблюдать. В современных интерфейсах регистрируют макроактивность головного мозга в виде сигналов электроэнцефалограмм (ЭЭГ), магнитоэнцефалограмм (МЭГ), ближней инфракрасной спектроскопии (NIRS). Мозг обрабатывает входящие сенсорные стимулы, например — звук, запах, цвет, вкус, принимаемые через периферические нервы, и подает импульсы на исполнительные механизмы, например, на мышцы и железы. Кроме того, он отвечает за мышление, обучение, обработку зрительной информации, речь, память, эмоции и тому подобное. Все эти действия мозга отражаются в регистрируемой активности головного мозга, например, движение конечностью отражается вполне определенным образом на ЭЭГ человека. Причем если движение не реальное, а только воображаемое, то на ЭЭГ это тоже отражается. При этом программа в компьютере может как угодно сложно обрабатывать сигнал, она может обучаться, адаптируясь как к задаче, так и к конкретному человеку. Для такого обучения необходима обратная связь — программа должна получать информацию о том, правильно ли она интерпретировала полученные сигналы, правильно ли она «поняла» тот конкретный мозг, с которым работает. При этом программа может отчасти управлять и пациентом, ориентируя его на работу с теми ситуациями, которые она распознает менее успешно. Можно даже сказать, что интерфейс мозг—компьютер использует искусственный интеллект для распознания типов активности мозга. Первые интерфейсы, упоминаемые в научной литературе, были разработаны в 1973–77 годах научной группой Калифорнийского университета при поддержке Национального научного фонда США и Управления перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США. В экспериментах участвовали добровольцы, на головах которых в затылочной и теменной области размещали пять электродов, а затем обрабатывали получаемые сигналы. В тех работах авторы анализировали особенности структуры сигналов ЭЭГ, возникающие во время предъявления человеку разных изображений, так называемые зрительные вызванные потенциалы. Но это были самые первые попытки. Множество нейроинтерфейсов можно разделить на три группы: активные, реактивные и пассивный интерфейсы. Активный интерфейс использует изменения активности мозга, которая непосредственно и сознательно управляется человеком. Например, человек воображает, что двигает правой ногой и правой рукой. Это мысленное усилие приводит к изменениям в электрической активности мозга, на основе которых программа формирует управляющие команды, посылаемые на внешнее устройство, как в интерфейсе для печати текстов . Реактивный интерфейс формирует управляющие команды, изучая ответ мозга на внешний сигнал, например, свет или звук. Пример реактивного интерфейса — экранная клавиатура с мигающими по очереди символами: мозг откликается, когда мигает тот символ, который задумал человек. Пассивный интерфейс анализирует текущую активность головного мозга, которая возникает сама по себе, в процессе жизнедеятельности человека. Такие интерфейсы могут быть полезны для создания систем мониторинга, которые следят за эмоциональным состоянием, обнаруживают снижение концентрации внимания или потерю контроля над системой. Активные и реактивные интерфейсы в первую очередь представляют интерес в работе с людьми с ограниченными возможностями. Пассивные, оценивающие состояние человека, могут найти применение в индустрии развлечений, компьютерных играх, нейромаркетинге, а также мониторинге тех или иных эмоциональных и функциональных состояний оператора в человеко-машинных системах. Они могут следить за оператором — не отвлекается ли он, не перевозбужден, наконец, просто — на заснул ли он. Но как увидеть, что происходит в мозге? Исследование работы нейронов нужно далеко не только для создания интерфейсов. Наблюдение за их работой позволяет обнаруживать повреждения в ткани головного мозга, помогает в диагностике травм мозга, нейродегенеративных изменений в мозге, связанных с возрастом пациента, метаболических нарушений и поражений мозга в более мелком масштабе, в выявлении эпилептических очагов. В основе работы интерфейса лежит анализ информации, поступающей от пациента по четырем каналам. Это электрические импульсы нейронов, их магнитная активность, скорость течения крови внутри сосудов и изменение метаболизма. Рассмотрим их по очереди. Наверное, все уже знают, что такое электроэнцефалография. И все же напомним, что это запись электрической активности головного мозга с помощью электродов, расположенных на поверхности головы (неинвазивная, или скальповая ЭЭГ) или наложенных непосредственно на кору головного мозга (инвазивная ЭЭГ, или электрокортикограмма). Амплитуда сигнала составляет в первом случае порядка 100 мкВ, во втором — раз в десять больше. Электроды, наложенные непосредственно на кору, дают больше информации. Они позволяют регистрировать даже активность отдельных нейронов. Но этот метод ограниченно применим только в интерфейсах медицинского назначения, когда, скажем, необходимо контролировать активность мозга во время операции. Для широкого использования пригодна только неинвазивная ЭЭГ. Впрочем, и в медицине с ее помощью выявляют различные заболевания мозга, такие как болезнь Альцгеймера, эпилепсия, расстройства сна, внимания, а также отклик мозга при нейрохирургических вмешательствах. Сигналы электрической активности мозга снимают с помощью нескольких электродов, которые размещают на голове. Тут тоже есть свои тонкости. Если использовать влажные электроды, смазанные проводящей пастой, то сопротивление будет ниже и сигнал лучше, но проще работать с сухими электродами. Такая же проблема с количеством: чем электродов больше, тем больше информации, но проще рабо |
Marth 04th, 2020 |
| source |