Интерфейсы мозг-компьютер: обзор современных достижений
Технология интерфейса мозг-компьютер (ИМК) была впервые разработана как инструмент, обеспечивающий базовое взаимодействие, такое как общения, без движения. В последние несколько лет произошел сдвиг в сторону новых групп пациентов и приложений, таких как помощь пациентам с инсультом в восстановлении движения или помощь нейрохирургам в более точном картировании мозга для более быстрого и безопасного проведения операций.
Рассмотрим детальнее основные виды современных интерфейсов мозг-компьютер. Их можно разделить на четыре основных группы:
Речевые интерфейсы мозг-компьютер
Интерфейсы для управления киборгами (чипирование живых организмов)
Интерфейсы для реабилитации
Чем отличается мозг человека от компьютера
От автора: Мы всю жизнь пользуемся своим мозгом, но большая часть людей не очень понимают, как он работает. Мы больше разбираемся в компьютерах, чем в себе. Отсюда возникают психологические проблемы. В этой статье показаны основные отличия мозга от компьютера.Это одна глава из новой книги психофизиолога Юрия Щербатых «Как работает наш мозг. Популярная психология», которая выходит в ближайшее время. В17 — первый психологический сайт, где публикуется отрывок из новой книги.
В чем состоит сходство и различие мозга человека и компьютера?
Между мозгом человека и процессором в вашем компьютере много общего:
- Оба устройства могут обрабатывать информацию в виде электрических сигналов;
- И электронный процессор компьютера и нейропроцессор мозга сами по себе не могут воспринимать свет, звук и другие сигналы внешней среды. Для ввода информации им требуют специальные устройства (глаза, уши, тактильные и температурные рецепторы для нашего мозга, видеокамера, микрофон и клавиатура – для компьютера);
- Обоим устройствам нужно питание (только компьютер сразу питается электричеством, а нам нужно сначала съесть бутерброд, из которого митохондрии добудут АТФ, а уж потом за счет энергии АТФ К + /Na + -насос начет вырабатывать электричество).
Но хотя оба эти устройства сходны по выполняемым функциям (они предназначены для обработки информации), они все-таки очень сильно отличаются между собой. Вот семь главных отличий:
1.Начнем с происхождения: компьютеры придуманы учеными и инженерами, а мозг человека создавался в течение миллионов лет эволюции путем естественного отбора. Причем часть инноваций — следствие случайных мутаций, которые возникли в процессе эволюции.
- Второе отличие касается процесса создания этих устройств. Компьютеры производятся на заводах путем сборки из отдельных электронных деталей, а люди рождаются от других людей. Производство компьютеров и их процессоров идет строго по чертежам, и в процессе сборки не допускается малейшего отклонения от плана. Создание людей идет по-другому. Родители обмениваются половинками «чертежей» в виде ДНК, из которых складывается новый набор генов. Согласно этому набору создается мозг человека, который выращивается в организме матери.
- Все компьютеры одной серии похожи друг на друга как две капли воды, а вот мозги людей отличаются между собой. Например, это будут математические или музыкальные способности, способности к изучению языков или изобретательству. Можно сказать, что мозг каждого человека уникален!
- Четвертую особенность человеческого мозга обнаружил великий русский физиолог Иван Петрович Павлов. Он установил, что у человека имеются две сигнальные системы, с помощью которых информация загружается в мозг. Одна из них (он назвал ее «первой») обеспечивает загрузку информации непосредственно через органы чувств – глаза, уши, язык, нос и т.д. А «вторая» сигнальная система связана с речью (устной и письменной), и позволяет использовать опыт других людей. Например, если вы никогда не видели утконоса, то человек, побывавший в Австралии, сможет описать его словами, и эта информация будет загружена в ваш мозг.
- Следующее очень важное отличие состоит в том, что мы умеем испытывать эмоции! Мы радуемся, огорчаемся, переживаем, любим и сердимся, чего не умеет делать компьютер.
Японские инженеры создали робота, лицо которого «изображает» различные эмоции, но пока ученые не могут создать компьютер, который бы ощущал и переживал эмоции так, как это делают люди.
- Шестое отличие человека от компьютера состоит в том, что у человека есть воображение, с помощью которого мы может придумывать то, чего нет в настоящий момент или вообще не существует на свете – драконов, русалок, кентавров или фей. Это свойство очень важно не только для создания сказочных персонажей, но и для изобретателей, которые придумывают устройства, как были придуманы телефон, самолет или подводная лодка.
Компьютеры пока не способны к настоящему творчеству, но ученые работают над этим, и возможно, что в будущем это отличие между мозгом и компьютером будет преодолено, и компьютеры будут писать картины или изобретать всякие полезные вещи. При этом желательно, чтобы «в голову» компьютера не пришла мысль уничтожить человечество, как это показано в фильме «Терминатор».
- Мозг человека обладает еще одним интересным отличием от компьютера – у нас в голове имеется особенный двухъядерный процессор, один из которых расположен в правом полушарии, а другой – в левом. Левый мозг обрабатывает информацию в виде цифр, букв и логики, а правый – в виде образов, эмоций и чувств. У математиков и бухгалтеров лучше работает левый процессор, а у художников и поэтов – правый. У гениальных людей – таких как Леонардо да Винчи, скорее всего, одновременно включались оба процессора, поэтому он мог и писать великолепные картины, и создавать изобретения, опередившие свое время.
Данная статья представляет собой главу из новой книги профессора Ю.В.Щербатых «Как работает наш мозг. Популярная психология для всех». Подробнее узнать об этой книге и заказать ее можно Здесь : https://youtu.be/jkuXgfGMtu4
В новой книге профессора психологии Юрия Щербатых даны ответы на несколько десятков вопросов о роли мозга в психической жизни человека. Вы узнаете, чем похожи мозг и компьютер, что такое «шестое чувство», существует ли телепатия, что означают сновидения, откуда берутся фобии, зачем людям нужны эмоции и многое другое. В этой книге вы найдете полезные рекомендации о том, как стать более уверенным в себе человеком, как победить лень и как справляться со стрессами. Чтение книги расширит ваши знания о себе и своем мозге, и поможет сделать жизнь более успешной и счастливой.
Приобрести данную книгу в бумажном формате можно написав заявку автору на почту email protected
История отношений «мозг – компьютер»
Можно сказать, что история интерфейса «мозг – компьютер» насчитывает более ста лет. Еще в 1875 году, задолго до изобретения самого компьютера, английский физиолог и хирург Ричард Кэтон обнаружил электрические сигналы на поверхности мозга животного. В 50-е годы прошлого века появился первый нейроинтерфейс. Им принято считать Stimoceiver – электродное устройство, которое управлялось по беспроводной сети с помощью FM-радио. Оно было изобретено испанским и американским ученым Хосе Дельгадо и испытано в мозге быка. Демонстрация возможностей нового устройства была очень эффектной – на арене для корриды. Дельгадо вышел против быка, а когда тот побежал на него, нажал кнопку на пульте управления – впервые удалось изменить направление движения животного с помощью нейроинтерфейса.
В 1998 году был внедрен первый нейроинтерфейс в мозг человека. Пациентом стал американский художник и музыкант Джонни Рей. Думая или представляя движения рук, Рей управлял курсором на экране компьютера.
Но настоящий прорыв случился несколько лет назад, когда появились достаточно мощные компьютеры и новые алгоритмы. Если раньше можно было расшифровывать только самые простые намерения, например, хочет человек пошевелить правой рукой или левой, то современный нейроинтерфейс может управлять даже отдельными пальцами протеза руки. Для этого нужно внедрить на участке мозга, отвечающем за движение рук, более 100 электродов.
Почему лучший компьютер по-прежнему уступает человеческому мозгу?
Печально осознавать, что в эпоху технического прогресса человеческий мозг по-прежнему остаётся загадкой. Кроме того, мы тратим миллионы долларов на развитие гигантских суперкомпьютеров и используем огромное количество энергии из невосполнимых ресурсов, чтобы обеспечить питанием эти приборы. А сравнительно маленький по размерам человеческий мозг по многим показателям по-прежнему превосходит самые мощные компьютеры.
Суперкомпьютеру требуется 82 944 процессоров и 40 минут работы, чтобы симулировать одну секунду мозговой активности человека.
В прошлом году суперкомпьютер K использовался учёными из Окинавского технологического университета в Японии и Исследовательского центра Юлих в Германии в попытке симулировать 1 секунду активности человеческого мозга.
Компьютер смог воссоздать модель из 1,73 миллиарда нейронов (нервных клеток). Однако в человеческом мозге около 100 миллиардов нейронов. То есть в человеческом мозге примерно столько нейронов, сколько звёзд в Млечном пути. Несмотря на то, что компьютеру удалось успешно симулировать 1 секунду мозговой активности, это заняло 40 минут.
Работник Корейского научного института проверяет суперкомпьютеры в Тэджоне, Южная Корея, 5 ноября 2004 г.
Суперкомпьютер К в 2011 г. был самым быстрым компьютером в мире. Его мощность около 10,51 петафлопс, т. е. примерно 10 510 триллионов операций в секунду. Технологии развиваются стремительно, поэтому сейчас К уже на четвёртом месте, на первом месте ― Tianhe-2 (33,86 петафлопс, 33 860 триллионов операций в секунду). Таким образом, за три года нам удалось утроить вычислительную мощность самого продвинутого компьютера.
Чтобы сделать эти цифры понятнее, iPhone 5п производит примерно 0,0000768 петафлопс. Итого, самый быстрый в мире компьютер примерно в 440 000 быстрее, чем графика iPhone 5, но медленнее, чем человеческий мозг.
В исследовании Мартина Хильберта из школы коммуникации Анненберга при Университете Южной Калифорнии, опубликованном в журнале Science в 2011 г., подсчитана способность мира обрабатывать информацию. Хильберт сформулировал её следующим образом: «Люди всего мира могут осуществить 6,4*1018 операций в секунду на обычных компьютерах образца 2007 г., что сравнимо с максимальным количеством нервных импульсов, возникающих в одном человеческом мозге за секунду».
Мозг дёшево обходится: он достаётся бесплатно
За исключением редких врождённых патологий мы все рождаемся с мозгом. Чтобы построить Tianhe-2, потребовалось $390 миллионов, сообщает «Форбс». При интенсивной работе он потребляет свыше 17,6 мегаватт энергии, площадь компьютерного комплекса занимает 720 кв. метров. Другие суперкомпьютеры более экономичны и потребляют около 8 мегаватт.
Для сравнения: 1 мегаватт равен 1 миллиону ватт. 100-ваттная лампочка при включении берёт 100 ватт. В итоге самый быстрый компьютер потребляет столько же энергии, сколько 176 000 лампочек.
Д-р Джефф Лайтон, технолог Dell корпорации по производству компьютеров, пишет в блоге: «Эти системы очень громоздкие, дорогие и энергозатратные».
Конечно, мозгу тоже требуется энергия. Он получает её из еды, для производства которой в современной сельскохозяйственной системе требуется топливо.
Компьютеры, которые мы используем в повседневной жизни, полезны. Но некоторые эксперты сомневаются в полезности суперкомпьютеров.
Газета South China Morning Post опубликовала статью о китайском суперкомпьютере Tianhe-2: «В отличие от персональных компьютеров, которые могут выполнять самые разные задачи –– от обработки текстов до игр и просмотра вэб-страниц, суперкомпьютеры построены для специфических задач. Для изучения их полной вычислительной возможности учёные потратили месяцы, если не годы, для написания и переписывания кодов, чтобы обучить машину эффективно выполнять свою работу».
Старший научный сотрудник из Пекинского компьютерного центра, пожелавший остаться анонимным, сказал South China Morning Post: «Пузырь суперкомпьютеров хуже, чем пузырь рынка недвижимости. Здание простоит десятилетия после того, как его построили, а компьютер, вне зависимости от того, настолько он быстрый по сегодняшним меркам, превратится в хлам уже через пять лет».
Что быстрее: компьютерный модем или человеческий мозг?
Многие учёные пытались измерить скорость обработки информации человеческим мозгом. Цифры, которые они называют, различаются и зависят от использованного подхода. Сравнение скорости модема и «скорости» работы мозга едва ли можно отнести к разряду точных наук.
Во-первых, нужно рассмотреть, сколько битов в секунду может обработать ваш мозг, затем посмотреть, сколько битов в секунду в среднем обрабатывает современный компьютер. Говоря иными словами, надо сравнить, сколько времени компьютеру требуется для загрузки изображения из Интернета, и сколько времени вам нужно, чтобы проанализировать то, что вы видите перед глазами.
Д-р Тор Норретрандерс, профессор философии из Бизнес-школы Копенгагена, написал книгу под названием «Иллюзия пользователя: сокращаем объём сознания», в которой он утверждает, что сознание обрабатывает примерно 40 бит/с, а подсознание — 11 миллионов бит/с.
Австрийский физик-теоретик Герберт В. Франке утверждал, что человеческий разум может осознанно усваивать 16 бит/с и осознанно удерживать в уме 160 бит/с. Он отмечает, что по этой причине ум может упростить любую ситуацию до 160 бит/с.
Фермин Москозо дель Прадо Мартин, когнитивный психолог из Университета Прованса во Франции, определил, что мозг обрабатывает примерно 60 бит/с. В своей статье в журнале Technology Review он сказал, что не уверен насчёт верхнего предела. То есть он не может утверждать, что мозг неспособен обработать больше 60 бит/с.
А теперь посмотрим, насколько быстро работает ваш компьютер дома.
Один мегабит в секунду равен 1 миллиону бит в секунду. Домашние модемы могут работать со скоростью от 50 мегабит в секунду до нескольких сотен мегабит в секунду. Это в миллион раз быстрее, чем ваше сознание, и, по крайней мере, в пять раз быстрее, чем ваше подсознание. То есть в этом отношении компьютеры однозначно превосходят мозг. Разумеется, эти цифры неточные, потому что с человеческим подсознанием многое до конца неясно.
Однако, хотя люди сравнительно медленно воспринимают информацию, то, как они умеют её обрабатывать, впечатляет.
Мы учимся и мы изобретаем
Учёные работают над созданием компьютеров, которые бы обладали творческими способностями. Но в настоящее время самый продвинутый искусственный интеллект в этом отношении уступает даже мозгу людей, живших тысячи лет назад.
Автор и инженер-электромеханик Райан Дьюб в статье для сайта MakeUseOf.com комментирует высказывание писателя Гэри Маркуса: «Фундаментальное различие между компьютерами и человеческим разумом ― это организация памяти».
Дьюб писал: «Чтобы найти информацию, компьютер использует расположения виртуальной памяти. В свою очередь человеческий мозг помнит, где находится информация благодаря намёкам. Они сами по себе являются единицей информации или памяти, связанной с информацией, которую надо найти.
«Это означает, что человеческий разум в состоянии связать между собой практически безграничное количество концепций самыми разными способами, а затем при получении новой информации убрать или восстановить эти связи. Эта особенность позволяет людям выйти за пределы уже изученной информации и создавать новые изобретения и искусство, что является отличительной особенностью человеческой расы».
Мозг мало изучен, и его преимущества до конца не раскрыты
National Geographic иллюстрирует, насколько сложно создать точную модель человеческого мозга. В февральском номере журнала в статье «Новая наука мозга» рассказывается, как учёные создали трёхмерную модель части мозга мыши размером с крупинку соли. Чтобы детально отобразить этот крошечный отдел, они использовали электронный микроскоп и разделили его на 200 секций, каждая толщиной в человеческий волос.
«Чтобы отобразить человеческий мозг схожим образом, потребовалось бы количество данных, превосходящее все тексты во всех библиотеках мира», ―пишет National Geographic.
В 2005 г. исследователи из Калифорнийского университета и Калифорнийского технологического института обнаружили, что лишь некоторые из 100 миллиардов нейронов в мозгу используются для хранения информации о конкретном человеке, месте или концепции. Например, они обнаружили, что когда людям показали фото актрисы Дженнифер Энистон, в мозгу реагировал один конкретный нейрон. А на фото актрисы Хэлли Берри реагировал уже другой нейрон.
Интерфейсы «мозг-компьютер»: практика применения и перспективы
Разработка различных вариантов интерфейса «мозг-компьютер» (BCI) в последние годы перестала быть чисто экспериментальным направлением и находит всё большее практическое применение. Каковы были ожидания, что удалось воплотить уже сейчас и чего ждать от этой технологии в ближайшем будущем?
Методы регистрации электрической активности мозга были разработаны в 1929 году немецким физиологом Гансом Бергером. Уже в тридцатые годы электроэнцефалография стала восприниматься не только как диагностическая процедура, а как нечто гораздо более универсальное и перспективное. Появилась даже идея читать мысли и использовать ЭЭГ для мысленного управления внешними устройствами.
Несмотря на значительный интерес, заметных успехов в расшифровке отдельных сенсорных импульсов и управляющих сигналов мозга учёные достигли только к семидесятым годам. Большой вклад внесли исследования Натальи Петровны Бехтеревой и работы Эдмонда Девана.
Примерно тогда же стало окончательно ясно, что регистрация потенциалов никакого отношения к чтению мыслей не имеет даже в перспективе. Зато была показана возможность распознавать шаблоны суммарной электрической активности мозга и использовать их для формирования мысленных приказов электронике.
Повсеместное распространение персональных компьютеров сильно ускорило прогресс в данной области. Одним из первых практических применений BCI считается «виртуальная клавиатура» Фарвела и Дончина, созданная в 1988 году.
С середины девяностых начался настоящий бум развития нейрокомпьютерных интерфейсов. Они стали излюбленной темой фантастов, но реальность порой превосходила ожидания. К примеру, роботы стали слушаться не только мысленных приказов от находящегося поблизости человека, но и воспринимать отправляемые через интернет команды от удалённых на многие километры лабораторных животных.
Всё это время предпринимались попытки приспособить BCI для более актуальных практических задач. Основным направлением была выбрана реабилитационная медицина. С помощью интерфейса «мозг–компьютер» многие научные коллективы пытались вернуть утратившим конечности или парализованным людям способность к движению.
Ранее «Компьютерра» писала о том, как интерфейс BCI помогает парализованным людям вновь учиться ходить, создавая обходной путь для нервных импульсов к нижним конечностям.
Помимо восстановления моторных функций активно велись разработки и в направлении сенсорных. Десятилетиями группы учёных пытались наделить слепых хоть каким-то подобием зрения.
В каждом из этих направлений сегодня есть заметные успехи, но сложностей в практическом применении ещё масса. Главные из них касаются больших габаритов всей системы, малого времени её автономной работы и многочисленных проводных подключений. По этой причине, а также в силу высокой стоимости такие устройства до сих пор единичны.
Весной 2013 года стало известно, что исследователи из университета Брауна (штат Род-Айленд), похоже, смогли решить многие из указанных проблем. Коллективу учёных удалось создать первый беспроводной имплантируемый интерфейс «мозг-компьютер».
Новый BCI работает от бесконтактно подзаряжаемого автономного источника питания. Помимо миниатюрности он отличается мобильностью, возможностью долговременного использования и надёжностью передачи сигналов, сравнимой с проводной реализацией.
В проводных вариантах кабели ограничивали возможности дизайна и задавали жёсткие рамки для самих условий испытаний. Добровольцы фактически были привязаны к креслу, поэтому раньше экспериментальная часть обычно ограничивалась анализом ЭЭГ при выполнении ими простых движений. Теперь, благодаря беспроводному интерфейсу, появилась возможность сконцентрироваться на изучении работы мозга во время сложных процессов в более естественных условиях и реальных сценариях. Беспроводная реализация BCI была успешно опробована на свиньях и обезьянах в течение более 13 месяцев. Следующий шаг – испытания на добровольцах.
Электроника нового интерфейса (за исключением микроантенн) размещается в герметичном титановом корпусе. Она питается от литий-ионной батареи с индуктивной схемой зарядки. Чип соединяется с различными отделами коры больших полушарий головного мозга при помощи микроэлектродов. В текущей версии интерфейса используется сто штук. Электроды имплантируются в соматосенсорные и двигательные области коры, соответственно передавая сигналы от органов чувств и управляющие команды мозга.
От чипа оцифрованные данные передаются на частоте 3,2 и 3,8 ГГц со скоростью 24 Мбит/с на расположенный поблизости компьютер. Потребляемая мощность трансмиттера составляет всего 100 мВт, поэтому двухчасовой индуктивной зарядки всей имплантированной части системы хватает на шесть часов непрерывной работы. Исследователям удалось даже создать и вживить миниатюрную систему водяного охлаждения для того, чтобы нагрев прибора во время зарядки не вызывал неприятных ощущений.
Проделанная работа важна не столько для выполнения более сложной экспериментальной части, сколько для нужд практической медицины. В рамках другой инициативы того же университета (BrainGate) разрабатывается интерфейс управления роботизированными манипуляторами «силой мысли». Его более сложный вариант будет использоваться для контроля движений собственных рук у лиц с травмой шейного отдела позвоночника.
В перспективе такое применение интерфейса «мозг-компьютер» сможет улучшить качество жизни тысяч людей. Конечно, до чудес симбиоза с компьютером, описанных Николаем Горькавым в романе «Астровитянка», ещё очень далеко. Пока все эти системы выглядят крайне неуклюже (см. видео), однако избавление от проводов уже может существенно повысить удобство работы с ними.
В России работы в направлении BCI ведутся разными научными коллективами, но чаще других в последнее время упоминается лаборатория нейрофизиологии и нейрокомпьютерных интерфейсов биологического факультета МГУ. Под руководством профессора Александра Каплана были разработаны методики игрового обучения управлению BCI и различные компьютерные программы. Благодаря одной из них лишённые возможности печатать люди могут набирать текст, мысленно выбирая нужную букву на пересечении символьных строк и рядов. Другие программы созданы для посттравматической реабилитации методами биологической обратной связи и направлены на восстановление функций самого мозга.
К сожалению, несмотря на хорошую научную базу и наличие квалифицированных кадров, по уровню технической реализации отечественные разработки ещё значительно уступают рассмотренным выше примерам. Даже простое упоминание числа одновременно используемых у зарубежных коллег отведений (128 — 256) вызывает в наших соотечественниках разноцветную зависть.
