Поступово в наше життя входить багато нового. Розвиток техніки не стоїть на місці, і завтра може бути можливо те, про що вчора ми не насмілювався мріяти. Нейрокомпьютерный інтерфейс (МКІ) робить реальною зв'язок людського мозку з технікою, їх часткове взаємодія.

Що таке МКІ?

МКІ – це система обміну інформацією між мозком людини та електронним пристроєм. Обмін може бути двостороннім, коли електричні імпульси надходять від пристрою в мозок і назад, або одностороннім, коли інформацію отримує тільки один об'єкт. Більш простою мовою, МКІ являє собою те, що називається «управління силою думки». Дуже важливе відкриття, яке вже зараз широко використовується у багатьох сферах життя.

Як працює МКІ?

Нейрони мозку передають один одному інформацію за допомогою електричних імпульсів. Це дуже складна і заплутана мережа, яку вчені поки не можуть проаналізувати до кінця. Але з допомогою МКІ стало можливим зчитувати частина інформації імпульсів мозку і передавати її на електронні пристрої. Вони, в свою чергу, можуть перетворювати імпульси в дію.

Історія вивчення МКІ

Примітно, що основою для розвитку ПК-інтерфейсу стали праці російського вченого В. П. Павлова про умовних рефлексах. Також важливу роль у вивченні МКІ зіграла його ж робота по темі регулюючої ролі кори головного мозку. Дослідження В. П. Павлова проходили на початку двадцятого століття в Інституті експериментальної медицини у Санкт-Петербурзі. Пізніше ідеї Павлова в напрямку ПК-інтерфейсу розвинули радянський фізіолог П. К. Анохін і радянський і російський нейрофізіолог Н. П. Бехтерева. Глобальні дослідження МКІ почалися тільки в 1970-х роках у США. Експерименти проводили на мавп, щурів та інших тварин. В ході досліджень вчені, що працюють з піддослідними мавпами, з'ясували, що за їхні рухи кінцівок відповідають певні зони мозку. З цього моменту відкриття подальша доля МКІ була вирішена.

Електроенцефалографія (ЕЕГ)

Електроенцефалографія являє собою спосіб зчитування електронних імпульсів мозку за допомогою неінвазивного прикріплення електродів на голові людини. Неінвазивний метод – це такий метод, при якому електроди кріпляться на голову людини чи тварини, без безпосереднього введення в кору мозку. Метод ЕЕГ з'явився порівняно давно і вніс великий внесок у розвиток нейрокомпьютерного інтерфейсу. Метод ЕЕГ використовується донині, тому що він недорогий і дієвий.

Етапи МКІ

Інформація, що виходить з людського мозку, обробляється електронним пристроєм в чотири етапи:

Отримання сигналу.

Попередня обробка.

Інтерпретація та класифікація даних.

Виведення даних.

Перший етап

При першому етапі електроди або вводяться безпосередньо в кору головного мозку (інвазивний метод), або кріпляться на поверхню голови (неінвазивний метод). Починається процес зчитування інформації клітин головного мозку. Електроди збирають дані окремих систем нейронів, що відповідають за різні дії.

Попередня обробка

На другому етапі інтерфейсу «мозок – комп'ютер» відбувається попередня обробка отриманих сигналів. Пристрій отримує характеристики сигналів, щоб спростити складний склад даних, відсіяти зайву інформацію і шум, що заважають чітко виділити сигнали мозку.

Третій етап

На третьому етапі ПК-інтерфейсу інформація інтерпретується з електричних імпульсів в цифровий код. Він позначає дію, сигнал до якого дав мозок. Потім отримані коди класифікуються.

Висновок даних

Висновок інформації відбувається на четвертому етапі. Оцифровані дані виводяться на поєднане з мозком пристрій, яке виконує подумки задану команду.

Нейропротезирование

Одна з головних сфер впровадження мозкового інтерфейсу – медицина. Нейронні протези покликані відновити зв'язок між мозком людини та дією її органів, замінити пошкоджені хворобою або травмою органи з подальшим відновленням функцій здорового тіла. Особливо добре МКІ може допомогти людям з паралічем або втратою кінцівок. У використанні нейронних протезів використовується принцип роботи нейрокомпьютерного інтерфейсу. Якщо говорити дуже спрощено, людині встановлюють протези рук або ніг, електронні імплантати від яких ведуть до області мозку, що відповідає за рух даної кінцівки. Нейропротезирование пройшло багато тестування, але складність його масового використання полягає в тому, що МКІ не може повністю прочитати сигнали мозку, а управління протезами в звичайному житті поза лабораторії викликає складності. Кілька років тому в Росії хотіли налагодити виробництво нейропротезов, але досі це не здійснено.

Слухові протези

Якщо протези кінцівок ще не з'явилися на масовому ринку, то кохлеарний імплантат (протез, який допомагає відновити слух) використовують досить давно. Щоб його отримати, пацієнт повинен мати виражену ступінь сенсоневральної приглухуватості (тобто такої втрати слуху, при якій порушена здатність слухового апарату приймати і аналізувати звуки). До відновлення слуху за допомогою кохлеарного імплантату вдаються тоді, коли звичайний слуховий апарат не дає очікуваних результатів. Імплантат імплантується в апарат вуха і прилеглу до нього частину голови в результаті хірургічної операції. Як і будь-який інший нейрокомпьютерный інтерфейс, кохлеарний імплантат повинен повністю підійти власнику. Щоб навчитися ним користуватися і почати сприймати імплантат як нове вухо, пацієнту слід пройти тривалий курс реабілітації.

Майбутнє МКІ

Останнім часом всюди можна почути і прочитати про штучний інтелект. Це означає, що мрія багатьох людей збувається – скоро наш мозок увійде в симбіоз з технікою. Безсумнівно, це буде нова ера розвитку людства. Новий рівень знань і можливостей. Завдяки інтерфейсу мозок-комп'ютер, в багатьох областях науки з'явиться велика кількість нових і важливих відкриттів. Крім використання в медичних цілях, МКІ вже може з'єднувати користувача з пристроями віртуальної реальності. Такими, як віртуальна комп'ютерна миша, клавіатура, герої в іграх віртуальної реальності і т. д.

Управління без рук

Головним завданням нейрокомпьютерного інтерфейсу є пошук можливості управління технікою без допомоги м'язів. Відкриття в цій області дадуть людям з паралічем кінцівок більше можливостей у пересуванні, керуванні транспортом і гаджетами. Вже зараз МКІ без проблем об'єднує мозок людини і комп'ютерний штучний інтелект. Це стало можливо завдяки глибокому вивченню принципів роботи людського мозку. Саме на їх основі складаються програми, на яких працюють МКІ і штучний інтелект.

МКІ в робототехніці

Так як вчені з'ясували, що за рух м'язів відповідальні певні зони мозку, у них відразу виникла думка про те, що людський мозок може управляти не тільки своїм тілом, але і контролювати людиноподібну машину. Зараз створюється багато різних роботизованих машин. В тому числі і гуманоїдів. Робототехніки прагнуть у своїх людиноподібних роботах повторити поведінку живих людей. Але поки програмування і штучний інтелект справляються з цим завданням трохи гірше, ніж МКІ. З допомогою ПК-інтерфейсу можна управляти роботизованими кінцівками на відстані. Наприклад, в таких місцях, куди доступ людини неможливий. Або на роботах, які вимагають ювелірної точності.

НКИ при паралічах

Безсумнівно, самим затребуваним є нейрокомпьютерный інтерфейс в медицині. Управління протезами рук, ніг, контроль інвалідної коляски з допомогою думки, управління інформацією в смартфонах, комп'ютерах без рук і т. д. Якщо ці нововведення стануть повсюдними, підвищиться рівень життя людей, в даний час обмежені в можливостях пересування. Мозок відразу буде передавати команди в пристрої, оминаючи тіло, що допоможе людині з інвалідністю краще адаптуватися в середовищі. Але при спробах нейропротезирования фахівці стикаються з деякими проблемами, яким не можуть знайти рішення по сьогоднішній день.

Плюси і мінуси нейрокомпьютерного інтерфейсу

Незважаючи на те, що плюсів у використання ПК-інтерфейсу багато, мінуси в його застосуванні теж є. Плюсом у розвитку МКІ в медицині є той факт, що головний мозок людини (в особливості його кора) дуже добре адаптується до змін, завдяки чому можливості ПК-інтерфейсу практично безмежні. Питання стоїть тільки за розвитком і відкриттям нових технологій. Але тут виникають деякі проблеми.

Несумісність тканин організму з пристроями

По-перше, якщо вводити імплантати інвазивним способом (всередину тканин), дуже складно добитися їх повної сумісності з тканинами пацієнта. Ті матеріали і волокна, які повинні повністю вживиться в органічну тканину, тільки створюються.

Недосконалість техніки порівняно з мозком

По-друге, електроди все ж влаштовані набагато простіше, ніж нейрони мозку. Вони поки що не здатні передавати і приймати всю ту інформацію, з якою нервові клітини мозку справляються з легкістю. Тому рух кінцівок здорової людини відбувається набагато швидше і точніше, ніж рух нейропротезов, а здорове вухо сприймає звуки чіткіше і правильніше, ніж вухо з кохлеарним імплантатом. Якщо наш мозок знає, яку інформацію відсіювати, а яку вважати за головну, то в пристроях з штучним інтелектом це роблять написані людиною алгоритми. Поки вони не можуть повторити складні алгоритми людського мозку.

Велика кількість змінних, які потребують контролі

Деякі наукові інститути планують у недалекому майбутньому створити не окремий нейропротез ноги або руки, а цілий екзоскелет для людей з церебральним паралічем. При такій формі протеза екзоскелет повинен отримувати інформацію не тільки з головного мозку, але і з спинного. З таким пристроєм, підключеним до всіх важливих нервових закінченнях тіла, людину можна буде назвати справжнім кіборгом. Носіння екзоскелету дозволить повністю паралізованому людині набути здатність рухатися. Але проблема в тому, що реалізація руху – не все, що потрібно від МКІ. Екзоскелет повинен враховувати також рівновагу, координацію рухів, орієнтацію в просторі. Поки завдання одночасно реалізувати всі ці команди ускладнена.

Страх людей перед новим

Неінвазивний метод установки імплантатів ефективний в лабораторних умовах, але в звичайному житті цей спосіб навряд чи зможе виправдати покладені на нього надії. Контакт при такому з'єднанні слабкий, використовують його в основному для зчитування сигналів. Тому в медицині і в нейропротезировании, як правило, користуються хірургічним методом введення електродів в організм. Але мало хто погодиться об'єднувати своє тіло і невідому техніку. Начулися про термінаторів і киборгах з голлівудських фільмів, люди бояться прогресу та нововведень, тим більше коли вони стосуються людини безпосередньо.