Нейро-компьютерный интерфейс

Новосибирский государственный технический университет

Кафедра ВТ

Контрольная работа

по предмету «Интерфейсы ПУ»

на тему «Нейро-компьютерный интерфейс»

Факультет: АВТФ

Группа: ЗАМ-534

Студент: Соколов М.Н.

Преподаватель: Михашов А.И.

Новосибирск - 2009

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.

В реальности, скорее всего, ничего в воду окунать не придётся: организм содержит достаточно жидкости, которая прекрасно размягчит электрод на основе полимера. А в случае нейрохирургических операций её роль сможет сыграть спинномозговая жидкость.

Увы, создатели нового полимера ничего не рассказали о том, какова электропроводность их материала. Она ведь должна быть высокой, ибо электрод на то и нужен, чтоб проводить ток. Конечно, можно просто сделать кусочек такого полимера, с вставленными внутрь тонкими металлическими проводками (которые, в принципе, мягкие сами по себе). Можно использовать и бактериальные провода, но это уже совсем фантастика.

Внешние датчики

Вышеназванные проблемы побуждают задумываться об иных подходах к созданию НКИ. Главной альтернативой тут безусловно является внешнее детектирование мозговых импульсов человека.

Способы получения информации о состоянии мозга здесь разнятся. Вот основные из них:

? электроэнцифалография;

? функциональная магнитно-резонансная интроскопия;

? оптическая типография (инфракрасное детектирование потоков крови).

Суть подхода на основе ЭЭГ

Мозговые ритмы -- электрические процессы, протекающие в мозге, характеризующиеся амплитудой и частотой, позволяющие определить степень возбуждённости/активности мозга, а соответственно, -- и состояние сознания.

Амплитуда измеряется в микровольтах. Частота измеряется в герцах. По частотным характеристикам мозговые ритмы подразделяются в соответствии с буквами греческого алфавита. Так, дельта-ритмы -- самые медленные, то есть низкочастотные (до 1-2Гц). Тета-ритмы имеют частоту 3-6Гц, альфа-ритмы-- 7-13Гц, далее идут бета-ритмы -- самые быстрые, от 14Гц и выше.

Любое движение, восприятие или внутренняя мыслительная деятельность связаны с определенным паттерном активации нейронов, которые взаимодействуют друг с другом посредством электрических импульсов. Эти токи создают электромагнитное поле, которое можно зарегистрировать снаружи головы с помощью методов электроэнцефалографии (ЭЭГ) и магнитоэнцефалографии (МЭГ).

Страницы: 1, 2