Небольшая заметка о принципах работы, текущих технических ограничениях и возможном будущем нейроимплантов в частности и нейроинтерфейсов вообще.
Думаю для большинства не секрет, что нейроимплант — это уже реальность. Например: Кохлеарный имплантат. Есть бионические протезы и импланты для восстановления зрения.
Очень впечатляют видео с Найтжелом Экландом, натурально Deus EX:
Но с другой стороны, при таких очевидных успехах в протезировании, почему в плане передачи информации через нейроинтерфейс нынешний уровень — это «передавать лишь несколько бит информации в минуту»?
Казалось бы, то в реальном времени научились управлять бионическим протезом (да ещё с обратной связью в виде ощущений), то вдруг — еле-еле получается передать информацию?
Такая существенная разница возникает из-за того, что в одном случае работа идет с периферической, а в другом — центральной нервными системами.
В первом случае все относительно просто. Есть пучки нервов и достаточно хорошая модель (понимание) их работы. В случае с мышцами — есть импульс, есть сокращение мышцы, и наоборот. Передача ощущений — тоже «простая», путем присоединения к существующим нервам как к «портам». С кохлеарным/зрительными имплантами — примерно тоже самое.
Не сложно «прозвонить» нервы и научиться считывать/посылать сигналы
Но для создания «нейроинтерфейса» это мало применимо. Просто потому что нам нужен дополнительный интерфейс, а в данном случае при подключении через периферическую НС свободных «портов» не предусмотрено. Не составляет особой проблемы уже сейчас создать достаточно серьезный нейроинтерфейс, подключившись к нервам конечности (так же, как подключают бионические протезы). Придется потратить время на обучение, но в принципе можно переучиться и привыкнуть. Импульсы сокращения мышц будут кодировать произвольную информацию. Например, символы — «слепой беспальцевый» метод печати.
Но понятно, почти никто не захочет жертвовать конечностями или другими частями тела ради такого интерфейса…
Поэтому в основном сейчас пытаются прикрутить к собаке колесо — используя ЭЭГ и переводя паттерны активности головного мозга в команды/информацию.
По большому счету, этот подход либо тупиковый, либо очень нишевый.
Дело в том, что «разрешение» метода ЭЭГ на порядки ниже того, в чем кодируется информация мозгом. Если сильно утрировать, то состояние нейрона можно сравнить с байтом 0 — не активен, 1 — активен (передает эл. импульс). На деле нейрон и происходящие процессы значительно сложнее, но нам хватит пока такого упрощения. Т.е. на кодирование абстрактной идеи, при условии того, что мы можем воздействовать и воспринимать состояние отдельных нейронов — понадобятся десятки/сотни/тысячи нейронов. Сложно сказать конкретно из-за отсутствия достаточного понимания процессов, но вполне может оказаться, что хватит специализации десятков-сотен нейронов для создания устойчивого конкретного навыка. Навыка на уровне «подать уникальную команду для компьютера». Так же как мы можем подать команду пальцу нажать букву на клавиатуре, с той же степенью точности и безошибочности. И с минимальными затратами энергии. В идеале затраты «ментальной энергии» на передачу символа будут в разы меньше, чем на нажатие клавиши пальцем. За счет того, что не нужно будет активировать моторные нейроны и периферию.
Возвращаясь к ЭЭГ — с его помощью снимаются потенциалы с кожи головы 16-24-32 электродами. Ощутите разницу масштабов. Кол-во нейронов в коре и жалкие десятки электродов. ЭЭГ, как и МРТ, дают только очень общую картинку работы зон мозга, их активности. И разрешения ещё может хватить, чтобы сказать спит или бодрствует человек, оценить уровень внимания. Оценить суммарную активность достаточно крупного объема клеток.
Очевидный выход — фиксировать электрическую активность конкретных нейронов. Если удастся стабильно фиксировать индивидуальную активность некоторого числа нейронов в коре — можно научиться посылать любые команды. Создавать интерфейсы на столько же сложные, разнообразные и послушные, как собственный голос/движения.
Для нейронов особой разницы нет — у них два состояния активен/неактивен. А в принимающем устройстве не сложно прописать соответствие активности конкретных нейронов любому машинному коду.
Обратную связь легко организовать обычными способами — через изображение на мониторе и т.п.
А если удастся контролировать активность произвольных нейронов — можно наоборот «посылать информацию в мозг». Это, однако, намного сложнее. В отличии от первого способа тут понадобится гораздо бОльшие знания о индивидуальных особенностях строения каждого отдельного мозга.
Кстати, снимать активность отдельных нейронов уже научились. И воздействовать на них тоже. Проблема в том, что для этого приходится буквально втыкать очень тонкие электрод в мозг.
По понятным причинам с людьми это не делают. Поэтому проверить «достаточно ли несколько нейронов для создания нейроинтерфейса», думаю, никто ещё не смог. Обычно такими методами проверяют теории о работе мозга на животных.
Другие минусы:
За раз получается исследовать только несколько нейронов в течении нескольких недель.
Нейроны от соприкосновения с электродом могут механически разрушаться.
В плане человеческих нейроимплантов:
В целом потенциально реально уже сейчас. Но сложно, опасно для здоровья и сопряжено с этическими проблемами.
Другие потенциальные направления:
Таково настоящее нейроимплантантов:
Бионика (нейроимпланты периферической НС) — уже впечатляет и будет стремительно развиваться. Бурный прогресс, принципиальных проблем нет, знания достаточны.
Нейроимпланты центральной НС — из разряда «фантастика» перешли в категорию «реально, но на другом уровне прогресса». Необходимо совершенствование медицинских технологий и развитие знаний психофизиологии.
Нейроинтерфейсы в целом — основанные на ЭЭГ, МРТ — тупиковая ветвь, без создания принципиально другого уровня аппаратов сканирования. Как интерфейсы для отображения состояния сознания и биологической обратной связи, однако, вполне оправданы.
Думаю для большинства не секрет, что нейроимплант — это уже реальность. Например: Кохлеарный имплантат. Есть бионические протезы и импланты для восстановления зрения.
Очень впечатляют видео с Найтжелом Экландом, натурально Deus EX:
Но с другой стороны, при таких очевидных успехах в протезировании, почему в плане передачи информации через нейроинтерфейс нынешний уровень — это «передавать лишь несколько бит информации в минуту»?
Казалось бы, то в реальном времени научились управлять бионическим протезом (да ещё с обратной связью в виде ощущений), то вдруг — еле-еле получается передать информацию?
Такая существенная разница возникает из-за того, что в одном случае работа идет с периферической, а в другом — центральной нервными системами.
В первом случае все относительно просто. Есть пучки нервов и достаточно хорошая модель (понимание) их работы. В случае с мышцами — есть импульс, есть сокращение мышцы, и наоборот. Передача ощущений — тоже «простая», путем присоединения к существующим нервам как к «портам». С кохлеарным/зрительными имплантами — примерно тоже самое.
Не сложно «прозвонить» нервы и научиться считывать/посылать сигналы
Но для создания «нейроинтерфейса» это мало применимо. Просто потому что нам нужен дополнительный интерфейс, а в данном случае при подключении через периферическую НС свободных «портов» не предусмотрено. Не составляет особой проблемы уже сейчас создать достаточно серьезный нейроинтерфейс, подключившись к нервам конечности (так же, как подключают бионические протезы). Придется потратить время на обучение, но в принципе можно переучиться и привыкнуть. Импульсы сокращения мышц будут кодировать произвольную информацию. Например, символы — «слепой беспальцевый» метод печати.
Но понятно, почти никто не захочет жертвовать конечностями или другими частями тела ради такого интерфейса…
Поэтому в основном сейчас пытаются прикрутить к собаке колесо — используя ЭЭГ и переводя паттерны активности головного мозга в команды/информацию.
По большому счету, этот подход либо тупиковый, либо очень нишевый.
Дело в том, что «разрешение» метода ЭЭГ на порядки ниже того, в чем кодируется информация мозгом. Если сильно утрировать, то состояние нейрона можно сравнить с байтом 0 — не активен, 1 — активен (передает эл. импульс). На деле нейрон и происходящие процессы значительно сложнее, но нам хватит пока такого упрощения. Т.е. на кодирование абстрактной идеи, при условии того, что мы можем воздействовать и воспринимать состояние отдельных нейронов — понадобятся десятки/сотни/тысячи нейронов. Сложно сказать конкретно из-за отсутствия достаточного понимания процессов, но вполне может оказаться, что хватит специализации десятков-сотен нейронов для создания устойчивого конкретного навыка. Навыка на уровне «подать уникальную команду для компьютера». Так же как мы можем подать команду пальцу нажать букву на клавиатуре, с той же степенью точности и безошибочности. И с минимальными затратами энергии. В идеале затраты «ментальной энергии» на передачу символа будут в разы меньше, чем на нажатие клавиши пальцем. За счет того, что не нужно будет активировать моторные нейроны и периферию.
Возвращаясь к ЭЭГ — с его помощью снимаются потенциалы с кожи головы 16-24-32 электродами. Ощутите разницу масштабов. Кол-во нейронов в коре и жалкие десятки электродов. ЭЭГ, как и МРТ, дают только очень общую картинку работы зон мозга, их активности. И разрешения ещё может хватить, чтобы сказать спит или бодрствует человек, оценить уровень внимания. Оценить суммарную активность достаточно крупного объема клеток.
Очевидный выход — фиксировать электрическую активность конкретных нейронов. Если удастся стабильно фиксировать индивидуальную активность некоторого числа нейронов в коре — можно научиться посылать любые команды. Создавать интерфейсы на столько же сложные, разнообразные и послушные, как собственный голос/движения.
Для нейронов особой разницы нет — у них два состояния активен/неактивен. А в принимающем устройстве не сложно прописать соответствие активности конкретных нейронов любому машинному коду.
Обратную связь легко организовать обычными способами — через изображение на мониторе и т.п.
А если удастся контролировать активность произвольных нейронов — можно наоборот «посылать информацию в мозг». Это, однако, намного сложнее. В отличии от первого способа тут понадобится гораздо бОльшие знания о индивидуальных особенностях строения каждого отдельного мозга.
Кстати, снимать активность отдельных нейронов уже научились. И воздействовать на них тоже. Проблема в том, что для этого приходится буквально втыкать очень тонкие электрод в мозг.
По понятным причинам с людьми это не делают. Поэтому проверить «достаточно ли несколько нейронов для создания нейроинтерфейса», думаю, никто ещё не смог. Обычно такими методами проверяют теории о работе мозга на животных.
Другие минусы:
За раз получается исследовать только несколько нейронов в течении нескольких недель.
Нейроны от соприкосновения с электродом могут механически разрушаться.
В плане человеческих нейроимплантов:
- слишком мало электродов;
- необходимость операции на мозге;
- недостаток знаний.
В целом потенциально реально уже сейчас. Но сложно, опасно для здоровья и сопряжено с этическими проблемами.
Другие потенциальные направления:
- Нанотехнологии. Если получится сделать некий датчик наноразмеров в прикрепить его к нейрону и считывать импульсы — то не нужно будет тыкать электродом в мозг, вскрывая череп. Кроме проблемы создания наноробота придется решить проблему его адресной доставки. Явно не ближайшее будущее;
- Совершенствование сканирования. Научиться сканировать активность отдельных нейронов в коре головного мозга. Учитывая нынешнии размеры и возможности МРТ — явно не ближайшее будущее.
Таково настоящее нейроимплантантов:
Бионика (нейроимпланты периферической НС) — уже впечатляет и будет стремительно развиваться. Бурный прогресс, принципиальных проблем нет, знания достаточны.
Нейроимпланты центральной НС — из разряда «фантастика» перешли в категорию «реально, но на другом уровне прогресса». Необходимо совершенствование медицинских технологий и развитие знаний психофизиологии.
Нейроинтерфейсы в целом — основанные на ЭЭГ, МРТ — тупиковая ветвь, без создания принципиально другого уровня аппаратов сканирования. Как интерфейсы для отображения состояния сознания и биологической обратной связи, однако, вполне оправданы.
