Neurotietokonerajapinta (NCI) (kutsutaan myös suoraksi hermorajapinnaksi , aivorajapinnaksi, aivo - tietokonerajapinnaksi [1] ) on järjestelmä, joka on luotu [2] tietojen vaihtamiseen aivojen ja elektronisen laitteen (esimerkiksi tietokoneen ) välillä. Yksisuuntaisissa liitännöissä ulkoiset laitteet voivat joko vastaanottaa signaaleja aivoista tai lähettää signaaleja niihin (esimerkiksi silmän verkkokalvoa simuloimalla kun näkö palautetaan elektronisella implantilla). Kaksisuuntaisten rajapintojen ansiosta aivot ja ulkoiset laitteet voivat vaihtaa tietoa molempiin suuntiin. Aivojen ja tietokoneiden välisen rajapinnan perustana on usein biofeedback -menetelmä .
DARPA -viraston tutkija pohti ihmisen ja tietokoneen symbioosin mahdollisuutta jo vuonna 1960 , ja hän uskoi, että lisätty älykkyys ylittäisi ensin täysin tekoälyn [3] .
Tutkimus perusteista, joille neuro-tietokone-rajapinta perustuu, juurtuu IP Pavlovin opetuksiin ehdollisista reflekseistä ja aivokuoren säätelyroolista. Näitä ideoita kehittäessään P. K. Anokhin osoitti vuodesta 1935 lähtien, että palauteperiaatteella on ratkaiseva rooli sekä ihmisen korkeampien adaptiivisten reaktioiden että hänen sisäisen ympäristönsä säätelyssä. Siellä on N. P. Bekhterevan teoksia vuosilta 1968-2008 . henkisen toiminnan aivokoodien tulkitsemisesta, jota hänen seuraajansa ovat jatkaneet nykypäivään, myös neurokybernetiikan ja oftalmoneurokybernetiikan näkökulmasta.
Neurotietokoneen rajapinnan tutkimus alkoi 1970- luvulla Kalifornian yliopistossa Los Angelesissa ( UCLA ). Monien vuosien eläinkokeiden jälkeen 1990-luvun puolivälissä ensimmäiset laitteet, jotka pystyivät välittämään biologista tietoa ihmiskehosta tietokoneelle, istutettiin ihmiskehoon. Näiden laitteiden avulla oli mahdollista palauttaa vaurioituneet kuulon, näön toiminnot sekä kadonneet motoriset taidot. NCI:n onnistunut toiminta perustuu aivokuoren sopeutumiskykyyn (plastisuuden ominaisuus), jonka ansiosta implantoitu laite voi toimia biologisen tiedon lähteenä.
Vuonna 2004 Cleveland Neurosurgical Centerissä luotiin ensimmäinen keinotekoinen piisiru - hippokampuksen analogi , joka puolestaan kehitettiin Etelä-Kalifornian yliopistossa vuonna 2003 . Piillä on kyky yhdistää elotonta ainetta eläviin hermosoluihin, ja neuronien ympäröimät transistorit vastaanottavat signaaleja hermosoluilta, kun taas kondensaattorit lähettävät signaaleja niille. Jokainen sirulla oleva transistori poimii pienimmän, hienovaraisen sähkövarauksen muutoksen, joka tapahtuu, kun neuroni "sytyttää" natriumionien siirtoprosessissa.
Uusi mikropiiri pystyy vastaanottamaan impulsseja 16 tuhannesta biologista alkuperää olevasta aivojen neuronista ja lähettämään signaaleja takaisin useisiin satoihin soluihin. Koska hermosoluja eristettiin ympäröivistä gliasoluista sirun valmistuksen aikana, piti lisätä proteiineja, jotka "liimaavat" hermosoluja aivoissa muodostaen samalla lisää natriumkanavia. Natriumkanavien määrän lisääminen lisää todennäköisyyttä, että ionikuljetus muuttuu sähköisiksi signaaleiksi sirulla.
Neuroprotetiikka on neurologian ala, joka käsittelee keinotekoisten laitteiden luomista ja implantointia hermoston tai aistielinten heikentyneen toiminnan palauttamiseksi ( neuroproteesit tai neuroimplantit). Yleisimmin käytetty sisäkorvaimplantti , jota käyttää noin 100 000 ihmistä maailmanlaajuisesti (vuodesta 2006). Näön palauttamiseksi on myös neuroproteeseja, kuten verkkokalvon implantteja. Bioninen näköjärjestelmä Gennaris ohittaa vaurioituneet näköhermot implantoidun laitteen ansiosta mahdollistaen signaalien välittämisen aivojen näkökeskukseen.
Suurin ero BCI:n ja neuroproteesin välillä piilee niiden sovelluksen erityispiirteissä: neuroproteesit useimmiten "liittävät" hermoston istutettuun laitteeseen, kun taas BCI yhdistää yleensä aivot (tai hermoston) tietokonejärjestelmään. Käytännössä neuroproteesi voidaan liittää mihin tahansa hermoston osaan, esimerkiksi ääreishermoihin, kun taas NCI on suppeampi luokka keskushermoston kanssa vuorovaikutuksessa olevia järjestelmiä. Termejä neuroprotetiikka ja NCI voidaan käyttää vaihtokelpoisesti, koska molemmilla lähestymistavoilla on sama tavoite - näön, kuulon, motoristen kykyjen, kommunikaatiokyvyn ja muiden kognitiivisten toimintojen palauttaminen. Lisäksi molemmissa lähestymistavoissa käytetään samanlaisia kokeellisia tekniikoita, mukaan lukien leikkaus.
Useat laboratoriot ovat pystyneet tallentamaan signaaleja apinoiden ja rottien aivokuoresta ohjatakseen NCI:tä liikkuessaan. Apinat ohjasivat osoitinta tietokoneen näytöllä ja antoivat käskyjä suorittaa yksinkertaisimmat toiminnot kättä jäljitteleville roboteille henkisesti ja ilman liikkeitä. Muut kissoja koskevat tutkimukset ovat keskittyneet visuaalisten vihjeiden tulkitsemiseen.
Tutkimus, joka johti liiketoimintoja ohjaavien motoristen aivokuoren hermosolujen signaaleista liikenteiden rekonstruoimiseen algoritmien kehittämiseen, on peräisin 1970-luvulta . Schmidtin, Fetzin ja Bakerin johtamat tutkimusryhmät 1970- luvulla havaitsivat, että apinat pystyivät nopeasti oppimaan ohjaamaan selektiivisesti yksittäisten hermosolujen vastenopeutta ensisijaisessa motorisessa aivokuoressa käyttämällä silmukkapaikannusoperaatioita, rangaistusten ja palkkioiden oppimismenetelmää.
1980 -luvulla Apostolos Georgopoulos Hopkinsin yliopistosta havaitsi matemaattisen suhteen rhesus-apinoiden yksittäisten aivokuoren hermosolujen sähkövasteiden ja apinoiden raajojen liikkumissuunnan välillä ( kosinifunktion perusteella ). Hän havaitsi myös, että eri neuroniryhmät aivojen eri alueilla ohjasivat yhdessä motorisia komentoja, mutta pystyivät rekisteröimään vain yhdeltä alueelta peräisin olevia sähköisiä signaaleja hänen laitteidensa asettamien teknisten rajoitusten vuoksi.
NCI:n nopea kehitys alkoi 1990-luvun puolivälistä lähtien. Useat tutkijaryhmät onnistuivat vangitsemaan aivojen motorisen keskuksen signaaleja käyttämällä neuroniryhmien signaalien tallenteita ja käyttämään näitä signaaleja myös ulkoisten laitteiden ohjaamiseen. Heidän joukossaan on ryhmiä, joita johtavat Richard Andersen, John Donahue, Philip Kennedy, Miguel Nicolelis ja Andrew Schwartz.
Exocortex ( muinaiskreikaksi ἔξω [exō] - ulkopuolella, ulkopuolella; lat. cortex - cortex) on ulkoinen tiedonkäsittelyjärjestelmä, joka auttaa parantamaan älykkyyttä [4] tai toimii aivokuoren neuroproteesina [ 5] . Jos termi "eksokortex" ymmärretään laajasti, voidaan sanoa, että sen toiminnot suorittavat jo Internet , älypuhelimet [6] ja erilaiset vempaimet ja että sen historia alkoi kirjoittamisen keksimisestä [7] .
DARPA -viraston tutkija pohti ihmisen ja tietokoneen symbioosin mahdollisuutta jo vuonna 1960 , ja hän uskoi, että lisätty älykkyys ylittäisi ensin täysin tekoälyn [3] .
Biotekniikan kehittyminen voi johtaa ulkokuoren ilmestymiseen : aivo-tietokone-rajapinta, laitteet hermojen ja reseptorien toimintojen palauttamiseksi; neurotiede : neuromorfiset prosessorit ; laskennallinen neurotiede : ohjelmisto, joka emuloi henkisiä prosesseja .
Ihmisiä, joille on istutettu tällaisia laitteita, voidaan kutsua kyborgeiksi [8] tai post-ihmisiksi . Sähköstimulaation [9] periaatteisiin perustuvat mielialamodulaattorit valmistautuvat markkinoille , mutta palautteen puuttuessa niitä voidaan pitää vain TES-hoidon laitteina .
Toisen ihmisen aivoja voidaan käyttää eksokorteksina [10] . Suomalaiset tutkijat uskovat, että exocortex voi tarjota mahdollisuuden paitsi ladata ihmisen tietoisuutta tietokoneeseen, myös yhdistää useiden ihmisorganismien tajunnan [11] .
Phillip Kennedy ja hänen kollegansa loivat ensimmäisen NCI:n käyttämällä apinoiden aivokuoreen istutettuja elektrodeja. Vuonna 1999 Kalifornian yliopiston Yang Dengin johtamat tutkijat selvittivät kissan näköjärjestelmän hermosolujen signaalit ja käyttivät tietoja toistaakseen koe-eläinten havaitsemat kuvat. Näissä kokeissa käytettiin talamukseen istutettuja elektrodeja (väliaivojen rakenne , joka välittää sensorisia signaaleja kaikista aisteista aivokuoreen). Heidän avullaan tutkittiin 177 solua talamuksen lateraalisessa geniculate-kehossa ja dekoodattiin verkkokalvolta tulevat signaalit. Kissoille näytettiin kahdeksan lyhytelokuvaa, joiden aikana tallennettiin hermosolujen aktiivisuutta. Matemaattisten suodattimien avulla tutkijat selvittivät signaalit toistaakseen kissojen näkemiä kuvia ja pystyivät toistamaan tunnistettavia kohtauksia ja liikkuvia kohteita. Japanilaiset tutkijat saivat samanlaisia tuloksia ihmisillä.
NCI-ohjauksen tehokkuuden parantamiseksi Miguel Nicolesis ehdotti sähköisen toiminnan rekisteröintiä samanaikaisesti käyttämällä useita aivojen syrjäisille alueille istutettuja elektrodeja. Ensimmäiset rotilla tehdyt tutkimukset, jotka Nicolelis ja hänen kollegansa suorittivat 1990-luvulla, seurasivat samankaltaisia kokeita apinoilla. Tuloksena syntyi NCI, jonka avulla dekoodattiin apinoiden hermosolujen signaalit ja ohjattiin robotin liikkeitä. Juuri apinat osoittautuivat ihanteellisiksi kohteiksi tällaiseen työhön, koska heillä on hyvin kehittyneet motoriset ja manipulointitaidot ja vastaavasti erittäin kehittyneet aivorakenteet, jotka vastaavat motoristen toimintojen toteuttamisesta. Vuoteen 2000 mennessä Nicolelisin ryhmä oli luonut NCI:n, joka simuloi apinoiden eturaajojen liikkeitä ohjaussauvan manipuloinnin tai ruoan sieppauksen aikana. Tämä järjestelmä toimi reaaliajassa ja sitä käytettiin robotin liikkeiden etäohjaukseen Internet-yhteyden kautta. Samanaikaisesti apinalla ei ollut mahdollisuutta nähdä omien raajojensa liikkeitä eikä hän saanut muuta palautetta.
Myöhemmin Nicolesisin ryhmä käytti reesusapinoilla tehtyjen kokeiden tuloksia luodakseen robotin liikealgoritmin, joka matkii ihmisen käden liikkeitä. Robotin liikkeiden ohjaamiseen käytimme tietoja, jotka saatiin tallentamalla apinoiden hermotoiminta dekoodauksen jälkeen. Apinoita koulutettiin osoittamaan esineitä tietokoneen näytöllä manipuloimalla ohjaussauvaa. Käyttäjäapinoiden raajojen liikkeet toistettiin robotin liikkeillä.
Vuodesta 2009 lähtien Venäjällä on toiminut NeuroG- projekti , jonka tarkoituksena on luoda universaaleja algoritmeja ihmisen visuaalisten kuvien tunnistamiseen. NeuroG-projekti suoritti 25. huhtikuuta 2011 Moskovan ammattikorkeakoulun museossa maailman ensimmäisen imaginaarisen kuviontunnistuskokeen esittelyn . [12]
9. heinäkuuta 2015 venäläinen " United Instrument-Making Corporation " alkoi testata ei-invasiivista "aivo-tietokone"-hermorajapintaa, joka mahdollistaa ajatuksen voiman ohjata biologisia robottieksoproteeseja. Tällä hetkellä hermorajapintaa testataan. Niiden valmistumisen jälkeen tehdään päätös robottieksoproteesien sarjatuotannosta. Lehdistöpalvelun mukaan proteesien alustava sarjatuotanto olisi pitänyt aloittaa vuonna 2016 [13] .
Käsiproteesien palautetta toteutetaan eri tavoin: invasiivisilla menetelmillä, implantoiduilla hermoliitännöillä sekä vibro- tai mekano-taktiilipalautteena [14] . Vuonna 2019 testattiin palautteen sisältävää kaksoisproteesia potilaan aivoihin istutettujen aivokuorensisäisten sensorien perusteella. [viisitoista]
Neurotiede | |
---|---|
Perustiede |
|
Kliininen neurotiede |
|
Kognitiivinen neurotiede |
|
Muut alueet |
|