Нейронная искусственная сеть «UNANA», успешно имплантированная человеку


ЧТО ЭТО 
Нейро-искусственная сеть (НИС), или для простоты (называемый также прямой нейронный интерфейс, мозговой интерфейс (BCI или BMI - brain-computer interface и brain-machine interface), интерфейс «мозг-компьютер») – электронно-кибернетическая система, созданная для обмена информацией между мозгом человека и электронным устройством (например, компьютером). В однонаправленных интерфейсах внешние устройства могут либо принимать сигналы от мозга, либо посылать ему сигналы (например, имитируя сетчатку глаза при восстановлении зрения электронным имплантатом). Двунаправленные интерфейсы позволяют мозгу и внешним устройствам обмениваться информацией в обоих направлениях. В основе нейро-искусственной сети используется метод биологической обратной связи. Согласно прогнозам, ключевую роль в появлении ИИ сыграет продвинутый тип программ, так называемые глубокие нейронные сети (deep neural nets, DNNs). Они позволят создавать системы, способные самообучаться и воспринимать окружающий мир самостоятельно. DNNs самостоятельно проанализирует всю ту неструктурированную информацию, в которой человек просто не разберется или же будет очень долго разбираться...
 
ОПИСАНИЕ
Согласитесь, венцом творения человеко-машинного интерфейса может стать возможность управления гаджетом одним только усилием мысли. А получение данных прямо в мозг - это уже вершина того, чего может достичь виртуальная реальность. Идея эта не нова и уже много лет фигурирует в самой разнообразной фантастической литературе. Тут и практически все киберпанки с прямым подключением к «кибердекам» и «биософтам». И управление любой техникой посредством стандартного мозгового разъема и массой всяких других интересных вещей. Но фантастика - это хорошо, а что делается в реальном мире?
  /media/images/logo.png
Помните, в начале 1990-х годов особо популярен был киберпанк, где различные имплантаты, «нейрошунты» и «нейромодули», улучшающие работу мозга и тела, казались делом ближайшего будущего. Но потом выяснилось, что люди не слишком хотят внедрять в свой организм искусственные предметы, и тема имплантатов на какое-то время сошла с первых полос научных журналов. Правда, ненадолго... 
 
Сейчас, в начале ХХІ века,  понимание «дополненной реальности», обеспеченной внешними устройствами, кажется недостаточным. А развитие нейрологии и понимание того, на какие зоны мозга можно воздействовать для получения желаемого эффекта, только подталкивают ученых, футурологов, инженеров к созданию эффективных имплантатов (или нейромодулей, по нашей терминологии), для улучшения работы памяти, зрения, когнитивных способностей и способностей к обучению.
 
…Как правило, важные научные эксперименты осуществляются на строго засекреченных объектах (военных базах). Например, на одной из них, сочетая «конвектор вещества» в качестве источника энергии, позволяющий использовать все достижения сервомеханики, и искусственные нейромодули, создаются образцы техники будущего. Впоследствии, боевые испытания андроидов, проводившиеся на территории восточного государства, окончиваются провалом: сервомеханизмы, идеально подготовленные, замаскированные пеноплотью, прошедшие все тесты на полигонах, не справляются с задачей, устроив вместо адресной зачистки массовую бойню…
 
…Оказалось, нейронные системы боевых машин различают людей исключительно по степени их активности, оперируя понятием «потенциальной угрозы». Данные о признаках, присущих «мирным гражданам» хранятся в параллельной архитектуре нейромодуля, но не могут быть востребованы, так как отсутствует их прямая взаимосвязь...
 
…Объем нервных тканей головного мозга человека сопоставим с объемом четырех нейромодулей…
 
…Ни два, ни даже четыре нейромодуля не содержат достаточного количества биологических нейросетей для возникновения и развития личности…
 
…Исследуя строение киборга, обратите внимание на тонкие серебристые нити небывалой прочности, которые соединяют  нейромодули с физическими каналами обмена данными, расположенными внутри защитного сферического кожуха, предохраняющего аппаратное ядро системы от влаги и пыли…
 
ДЛЯ ЧЕГО
Нейромодуль UNANA способен достоверно имитировать принцип работы нервных клеток человеческого мозга и выполнять его главные функции. Сами нейроформные чипы уже доказали свою работоспособность – в ходе лабораторных испытаний собранная из них система смогла решить ряд примитивных задач, которые были под силу мозгу обезьяны. В настоящем, ученые планируют на основе новых чипов создать полноценный искусственный аналог головного мозга обезьяны. Возможно, будет создана электронная копии человеческого мозга, хотя это уже является задачей на ближайшую  перспективу…
 
ДЛЯ КОГО
Практическая необходимость в таком инновационном артефакте давно назрела. 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, 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.
Очевидно, что в основе BCI должно лежать распознавание паттернов биопотенциалов мозга. Если испытуемый может изменять характер своих биопотенциалов, например, выполняя определенные умственные задачи, то система BCI могла бы транслировать эти изменения в контрольные коды, например по перемещению курсора мыши на экране компьютера или руки робота-манипулятора. Также эти коды можно использовать для выбора букв на «виртуальной клавиатуре» или для контроля инвалидной коляски...
 
ВОЗМОЖНОСТИ 
…существуют разные типы кибернетических систем. В нашем случае первичны нейросети. Но, когда нейромодули подчинены общей программе, они – лишь экспертные подсистемы, способные предлагать нестандартные решения возникшей проблемы. Это не опыт. Это иная логика. Непонятная нам, людям… 
 
…функциональность одной нейросети, обученной лишь для ведения боевых действий, заранее исключает разностороннее осмысление ситуации…
 
…структурирование информации в программных модулях протекает в миллионы раз быстрее, чем аналогичный природный процесс…
 
…возникновение и развитие нового сознания возможно только при одном условии: все ресурсы системы, начиная от вычислительных мощностей и заканчивая устройствами хранения информации, должны подчиняться нейромодулям, работать на их обслуживание…
 
ХРОНОЛОГИЯ 
начало ХХ века – факт изучения основ нейро-компьютерных интерфейсов, уходит корнями в учение И. П. Павлова об условных рефлексах и регулирующей роли коры головного мозга…
 
1929 год - разработанные ученым Гансом Бергером методы электроэнцефалографии (ЭЭГ) и  магнитоэнцефалографии (МЭГ)…
 
1935 год – русский ученый П. К. Анохин в своих работах показал, «…что принципу обратной связи принадлежит решающая роль в регулировании как высших приспособительных реакций человека, так и его внутренней среды». В результате была разработана теория функциональных систем, потенциал использования которой в нейро-компьютерных интерфейсах далеко не исчерпан… 
 
1943 год - первые шаги в области искусственных нейронных сетей. Ученые  В. Мак-Калах  и В. Питс показали, что с помощью пороговых нейронных элементов можно реализовать алгоритмы логических функций для распознавания пространственных образов…    
 
1949 год - предложено оригинальное правило математики, ставшее основой для обучения  ряда сетей, и алгоритмов нейронных связей…
 
начало 1950-х годов -  выдвигаются предположения (научные и околонаучные), что ЭЭГ (электроэнцефалографию)  можно также использовать для чтения мыслей или для управления внешними устройствами напрямую. Такое применение ЭЭГ получило название brain-computer interface (BCI), а в русскоязычной литературе - нейро-компьютерного интерфейса (НКИ). Ряд ученых неоднократно предпринимали  попытки по управлению устройствами с помощью ЭЭГ (Dewan 1967, Vidal 1973), а интерес широкой публики к этому направлению постоянно подогревается фантастическими фильмами, где используются аналоги подобного интерфейса, например, фильмы  «Johnny Mnemonic», «Matrix», «X-Man» и многие другие…
 
начало 1960-х годов - исследование модели нейронной сети, впоследствии названной «персептроном»… 
 
1968 год – публикуются работы Н. П. Бехтеревой по расшифровке мозговых кодов психической деятельности, продолжающиеся до настоящего времени, в том числе, с позиций нейрокибернетики… 
 
1969 год - анализ однослойных персептронов, проведенный  учеными,  показал присущие им ограничения, связанные с невозможностью представления «исключающего или» такими сетями, что сыграло негативную роль для дальнейшего развития исследований в области нейронных сетей…
 
1970-е года - исследования нейро-компьютерного интерфейса. После многолетних экспериментов на животных в организм человека были имплантированы первые устройства, способные передавать биологическую информацию от тела человека к компьютеру. С помощью этих устройств удалось восстановить поврежденные функции слуха, зрения, а также утраченные двигательные навыки (например, слуховой имплантат). В основе успешной работы НКИ лежит способность коры больших полушарий к адаптации (свойство пластичности), благодаря которому имплантированное устройство может служить источником биологической информации…
 
1970-е года - разработаны алгоритмы для реконструкции движений из сигналов нейронов моторной зоны коры головного мозга, которые контролируют двигательные функции (по материалам Википедии). Исследователи установили, что обезьяны могут быстро обучаться избирательно контролировать скорость реакции отдельных нейронов в первичной двигательной коре головного мозга, используя замкнутое позиционирование операций, обучающий метод наказания и наград...
 
1978 год – первая имплантация зрительного протеза. Это была  проверка идеи на практике (компьютер, обрабатывающий изображение, тогда занимал почти целую комнату, и ни о какой мобильности речь даже не шла, да и картинка состояла всего из нескольких точек)…
 
1980-е года - установлена математическая зависимость между электрическими ответами отдельных нейронов коры головного мозга у обезьян и направлением, в котором они двигали свои конечности (на основе функции косинуса). Было также обнаружено, что разные группы нейронов в различных областях головного мозга совместно контролировали двигательные команды, но были способны регистрировать электрические сигналы от возбужденных нейронов только в одной области одновременно из-за технических ограничений, налагаемых его оборудованием…
 
1988 год – ученые Фарвел и Дончин (Farwell 1988) реализовали систему “виртуальной клавиатуры», позволившей печатать текст, распознавая компоненты при съеме зрительных вызванных потенциалов (ВП). В дальнейшем разработаны модификации системы с все возрастающими возможностями, нашедшими применение как в клинике для общения с пациентами, полностью утратившими возможность движения, так и инновационные технологические проекты по дистанционному управлению роботами…
 
с середины 1990-х годов началось быстрое развитие нейро-компьютерного интерфейса (НКИ). Нескольким группам ученых удалось зафиксировать сигналы двигательного центра мозга, используя записи сигналов от групп нейронов, а также использовать эти сигналы для управления внешними устройствами... 
 
1999 год – ученые расшифровали сигнал нейронов зрительной системы кошки. В экспериментах были использованы электроды, вживленные в таламус (структура среднего мозга, передающая в кору сенсорные сигналы от всех органов чувств). Кошкам демонстрировали восемь коротких фильмов, в течение которых проводили запись активности нейронов. Используя математические фильтры, исследователи расшифровали сигналы для воспроизведения образов, которые видели кошки и были способны воспроизвести узнаваемые сцены и двигающиеся объекты. Схожие результаты на человеке были получены исследователями из Японии…
 
1999-2001 года - Европейский Союз финансирует международный проект по созданию адаптивной BCI системы (brain-computer interface – BCI), в русскоязычной литературе - нейро-компьютерного интерфейса (НКИ), способной к дальнейшему обучению в ходе ее использования - Adaptive Brain Interface (ABI)…
 
2000 год -  произведена имплантация системы пациенту,  в которой  массив электродов позволял формировать порядка 60 точек (пикселей), что значительно улучшило воспроизводимую картинку…
 
2000 год - проведена операция по вживлению в глаза пациентов микросхем искусственной сетчатки. Собственно говоря, искусственная сетчатка - это слишком громко сказано. Была имплантирована кремниевая микросхема (диаметр около 2.5 миллиметров, толщина 0.002 мм), которая содержит порядка 3500 фоточувствительных ячеек (наподобие солнечной батареи)… 
 
2000-е года – создан нейро-компьютерный интерфейс (НКИ), который воспроизводит движения передних конечностей обезьяны во время манипуляций джойстиком или во время захвата пищи. Данная система работает в режиме реального времени и используется для дистанционного управления движениями робота посредством интернет-связи…
 
начало XXI века - учеными был создан компактный универсальный нейромодуль, позволяющие строить искусственные нейросетевые структуры сложной конфигурации… 
 
2002-2003 года – уже использовались два массива электродов (242 электрода в каждом), имплантированных в оба полушария мозга. Такая система позволила получить картинку, состоящую из нескольких сотен пикселов (матрицу 15 на 15). Считается, что для создания более-менее приличной зрительной картины необходимо хотя бы порядка 1000 пикселов (то есть матрица 30 на 30) и не меньшее количество электродов…
 
2004 год - создан первый искусственный кремниевый чип. Кремний обладает возможностью соединять неживую материю с живыми нейронами, а окруженные нейронами транзисторы получают сигналы от нервных клеток, одновременно конденсаторы отсылают к ним сигналы. Каждый транзистор на чипе улавливает малейшее, едва заметное изменение электрического заряда, которое происходит при «выстреле» нейрона в процессе передачи ионов натрия. Новая микросхема способна получать импульсы от 16 тысяч мозговых нейронов биологического происхождения и посылать обратно сигналы к нескольким сотням клеток. Так как при производстве чипа нейроны были выделены из окружающих их глиальных клеток, то пришлось добавить белки, которые «склеивают» нейроны в мозге, также образуя дополнительные натриевые каналы. Увеличение числа натриевых каналов повышает шансы на то, что транспорт ионов преобразуется в электрические сигналы в чипе…
 
2007 год – согласно статистических данных, каждый пятый ученый в Америке «сидит» на нейростимуляторах, чтобы повысить свою эффективность в атмосфере общей конкуренции... 
 
2009 год – запуск уникального проекта, целью которого является создание универсальных алгоритмов для распознавания зрительных образов человеком…

2010 год - ученые установили больному синдромом Меньера имплантат для борьбы с приступами головокружения…
 
2011 год - проведена успешная демонстрация эксперимента по распознаванию воображаемых образов…
 
2015 г. - ученые объявили о создании так называемого «электронного мозга» - искусственного аналога человеческого мозга. Речь идет не о разработке какой-либо программы и даже не о создании очередного суперкомпьютера, а о сборке компактных нейроморфных чипов.  Они имитируют свойства и функции нервных клеток в мозге. Необходи-мость в подобных чипах возникла из-за того, что современные микропроцессоры очень плохо справляются с эмуляцией нейронов, зачастую требуют ресурсов суперкомпьютера для имитации работы мозга рыб или беспозвоночных… 
 
2016 год – проведены испытания нейроинтерфейса «мозг-компьютер», позволяющего силой мысли управлять биологическими роботизированными экзопротезами… 
 
ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ РЕАЛИЗУЕМОСТЬ ИННОВАЦИОННОГО АРТЕФАКТА
 ≥10%
 
КПЧ (критерий полезности чтения)
более 50%
 
КРИТЕРИЙ: БАРЪЕР ВНЕДРЕНИЯ ИННОВАЦИИ
средний
 
РЕСУРС ВДОХНОВЕНИЯ
Internet
 
НАША АННОТАЦИЯ
 Мы полагаем, что разработка мозговых интерфейсов (BCI или BMI - brain-computer interface и brain-machine interface) идет полным ходом, хотя об этом мало кто знает. Конечно, успехи весьма далеки от того, про что пишут в фантастических романах, но, тем не менее, они вполне заметны. Сейчас работы над мозговыми и нервными интерфейсами, в основном, ведутся в рамках создания различных протезов и устройств для облегчения жизни частично или полностью парализованным людям. Все проекты можно условно поделить на интерфейсы для ввода (восстановление или замена поврежденных органов чувств) и вывода (управление протезами и другими устройствами). Еще один важный критерий, по которому можно разделить существующие разработки, - степень травматичности, или необходимости хирургического вмешательства. Во всех случаях прямого ввода данных необходимо производить операцию по вживлению в мозг или нервы электродов. В случае вывода можно обойтись внешними датчиками для съема электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Впрочем, ЭЭГ - инструмент достаточно ненадежный, поскольку череп сильно ослабляет мозговые токи и получить можно только очень сильно обобщенную информацию. В случае вживления электродов можно снимать данные непосредственно с нужных мозговых центров (например, двигательных). Но такая операция - дело нешуточное, так что пока эксперименты ведутся только на животных. 
Следите за нашими обновлениями…