УДК 004.5

Анализ внедрения технологии нейроинтерфейсов, возможности, ограничения и области применения

Литовченко Матвей Дмитриевич – студент Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики.

Коваленко Татьяна Анатольевна – кандидат технических наук, доцент кафедры Информатики вычислительной техники Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики.

Аннотация: В статье рассматривается тема нейроинтерфейсов, определение основных областей их использования, рассмотрение примеров успешного применения данной технологии на практике, а также проблем, с которыми возможно столкнуться, при внедрении подобного рода интерфейсов. Актуальность данной темы заключается в необходимости усовершенствования современных систем реабилитации пациентов с ограниченными мобильными функциями, а также проблема взаимодействия пользователя с различными технологическими устройствами, требующими нагруженного графического интерфейса. В работе были рассмотрены следующие вопросы: определение нейроинтерфейса, его типы и области применения, проблемы возникающие в процессе применения, успешные проекты в данной области, а также возможности внедрения технологии искусственного интеллекта для оптимизации работы нейроинтерфейсов.

Ключевые слова: интуитивное управление, нейроинтерфейс, искусственный интеллект, нейрочип, цифровой мост.

Нейроинтерфейсы – это системы, позволяющие взаимодействовать с компьютером или другим устройством, при помощи нервной системы человека. Основная особенность подобных систем - возможность получать и интерпретировать сигналы от мозга, а также обеспечивать передачу сигналов обратно для управления устройством. Возможность управления устройством с помощью прямой мысленной команды позволяет создавать интуитивно понятные интерфейсы для взаимодействия с техникой, так как не требуется создавать графический интерфейс и обучать пользователя работать с ним.

Есть ряд причин обратить внимание на такую прогрессивную отрасль разработки интерфейсов, например:

  1. Возможность организовать людям с ограниченными возможностями, такими как ограничение подвижности или тяжелые нарушения зрения или слуха, более комфортные условия жизни
  2. Применение в области науки и медицины для исследования мозга и развития новых методов лечения нейрологических заболеваний
  3. Использование в виртуальной и дополненной реальности, где подобные технологии могут повысить качество взаимодействия с виртуальным окружением и расширить возможности виртуального присутствия.

Принципы работы нейроинтерфейсов

Нейроинтерфейсы(НИ) работают на основе считывания электрических сигналов, генерируемых нейронами в мозге, и их приведения к понятному для передачи команд устройствам или приложениям типу.

Согласно статье на сайте "neuralink.com", технология, разрабатываемая компанией Neuralink для имплантированных нейроинтерфейсов, включает в себя тонкие электроды, которые имплантируются в мозг и записывают электрические сигналы нейронов. Эти сигналы затем передаются через интерфейс, соединяющий имплант с компьютером, где они анализируются и декодируются.

Существует несколько методов для считывания электрических сигналов мозга.

  1. Электроэнцефалография (ЭЭГ), которая использует электроды, накладываемые на кожу головы, для измерения электрической активности мозга.
  2. Ээлектрокортикография (ЭКоГ), который требует имплантации электродов непосредственно на поверхность мозга. Оба метода позволяют считывать сигналы мозга, которые затем могут быть декодированы и использованы для передачи команд устройствам или приложениям.

Соглассно данным приведенным в материалах на сайте "openbci.com", неимплантируемые нейроинтерфейсы также используют электроды для считывания электрических сигналов мозга. Электроды могут быть расположены на коже головы, в шлеме или другом устройстве, без необходимости инвазивного вмешательства для их установки. Сигналы могут быть переданы по беспроводному каналу на компьютер для дальнейшей обработки и декодирования.

В обоих случаях, как в имплантируемых, так и неимплантируемых нейроинтерфейсах, сигналы могут быть декодированы с использованием алгоритмов машинного обучения, что позволяет переводить электрические сигналы мозга в команды для управления устройствами или приложениями.

Основные типы нейроинтерфейсов

  1. Имплантируемые

Имплантированный нейроинтерфейс (ИНИ) – это устройство, устанавливаемое в мозг или нервную систему человека для обмена информацией с внешним миром. При помощи электродов возможно регистрировать активность нейронов в мозге, а также передавать импульсы в них. Что позволяет людям, у которых есть ИНИ, управлять техникой или своим телом, используя мысли.

Одной из областей, где ИНИ доказали свою эффективность, является медицина. ИНИ используются для лечения людей с болезнями и травмами спинного мозга, такими как квадриплегия(паралич всех конечностей и тела ниже шеи). Это открывает людям с ограниченной мобильностью возможность восстановить часть своей способности к движению и лучше контролировать протезы. ИНИ также используются для лечения некоторых видов эпилепсии, позволяя обнаруживать и предотвращать приступы, вовремя обнаруживая и подавляя очаги избыточной активности мозга. Кроме медицины, ИНИ также могут применяться в игровой индустрии, виртуальной реальности и других областях для улучшения взаимодействия человека и компьютера.

Пример – это чип Neuralink Brain Machine Interface (BMI) разрабатываемый Neuralink, для лечения ряда заболеваний, связанных с мозгом, а также для улучшения когнитивных функций, таких как память и концентрация.

Нейробиолог Грегуар Куртин (Grégoire Courtine) и его коллеги создали «цифровой мост», соединяющий головной и спинной мозг, и таким образом заместили нервные пути, которые были повреждены. Устройство испытали на мужчине 38 лет, который получил неполную травму спинного мозга, упав с велосипеда 10 лет назад, и перестал ходить. Для создания такого «цифрового моста» исследователи и врачи из Швейцарии, Великобритании, США и Франции объединили электростимуляцию спинного мозга и расшифровку сигналов головного мозга. Результаты были опубликованы в журнале Nature. Пациент с травмой позвоночника смог ходить по лестнице, опираясь на брусья, и ходить по пандусам - опираясь на «ходунки» с колёсами. Благодаря данному эксперименту пациент с повреждением спинного мозга смог лучше ходить – сначала со стимуляцией, а потом и без нее.

На текущий момент, компанией Shanghai HeartCare Medical Technology, успешно проведен эксперимент по имплантации датчиков через сосуды мозга и сагиттальный синус в моторную кору мозга обезьяны, что позволило ей управлять роборукой. Основное преимущество данного эксперимента – отсутствие необходимости трепанации мозга, так как имплантация происходит через сосуды.

  1. Неимплантируемые

Неимплантированный нейроинтерфейс (ННИ) – отличается от имплантированного нейроинтерфейса тем, что не требует вмешательства в ткани мозга и может быть использован как временное устройство.

При рассмотрении применения ННИ, следует обратить внимание на мозговой компьютерный интерфейс (BCI), который с помощью ЭЭГ(Электроэнцефалограмма), позволяет контролировать различные устройства, не прибегая к использованию графического интерфейса. Например, управление курсором на экране компьютера.

Еще одним примером является использования неимплантированных нейроинтерфейсов в реабилитационных целях после инсульта или травмы головного мозга. Это позволяет пациентам восстановить потерянные функции и повысить их качество жизни.

ННИ используются в научных исследованиях для изучения мозга и понимания, как он функционирует. Например, исследователи могут использовать ННИ для изучения, как мозг обрабатывает информацию о зрительном стимуле, или для исследования механизмов, лежащих в основе восприятия и понимания речи.

Нейроинтерфейсы и искусственный интеллект

Технология искусственного интеллекта (ИИ) может быть применена для оптимизации работы нейроинтерфейсов. В частности, с помощью подобного инструмента можно решить следующие задачи:

  1. Классификация мозговой активности: ИИ может быть использован для разработки алгоритмов, которые классифицируют мозговую активность на основе электроэнцефалограмм (ЭЭГ) или других нейрофизиологических сигналов. Подобное решение сможет помочь в распознавании намерений пользователя и управлении устройствами с помощью мыслей.
  2. Прогнозирование и адаптация: ИИ может анализировать мозговую активность и прогнозировать намерения пользователя на основе предыдущих образцов. Получив типовые шаблоны поведения, можно создавать адаптивные нейроинтерфейсы, которые могут предугадывать действия пользователя и реагировать соответствующим образом.
  3. Оптимизация интерфейса: ИИ может помочь в автоматической настройке параметров интерфейса под индивидуальные особенности пользователя, улучшая точность и скорость обратной связи.
  4. Анализ и обработка данных: ИИ может использоваться для анализа больших объемов данных, собранных с помощью нейроинтерфейсов, позволяя выявлять закономерности, понимать особенности мозговой активности и разрабатывать более точные и эффективные методы обработки сигналов.

Подобные решения позволяют оптимизировать работу нейроинтерфейсов, сделать их более точными, надежными и удобными для пользователя.

Ограничения нейроинтерфейсов

Технология нейроинтерфейсов сталкивается с рядом ограничений, которые могут затруднить ее развитие и применение в полной мере. Некоторые из этих ограничений включают:

  1. Безопасность: это, возможно, одно из самых критических ограничений нейроинтерфейсов. Имплантация нейроинтерфейсов в мозг может быть опасной так как в процессе операции возможны серьезные осложнения, включая инфекции, кровотечения и даже проблемы с функционированием мозга.
  2. Этика: Разработка нейроинтерфейсов также вызывает этические вопросы, связанные с приватностью и защитой персональных данных пациента. Кроме того, использование нейроинтерфейсов для улучшения когнитивных способностей или других аспектов человеческой функции может привести к неравенству и существенным социальным изменениям.
  3. Точность: Точность интерпретации сигналов мозга, получаемых нейроинтерфейсами, является еще одним ограничением. В настоящее время существует ряд проблем, связанных с точностью распознавания и интерпретации этих сигналов.
  4. Цена: В связи с тем, что технология нейроинтерфейсов находится еще в разработке и требует значительных финансовых вложений, имеются серьезные ограничения в доступности их использования.

Выводы

Несмотря на несомненную актуальность и достаточно долгую историю исследований и разработки, в связи с трудоемким и дорогим процессом создания, рисками при внедрении, а также этическими вопросами, нейроинтерфейсы на данный момент остаются экспериментальной технологией, которая активно развивается и обеспечит совершенно новый опыт в области управления как техническими устройствами, так и своим телом.

Список литературы

  1. Нейронные интерфейсы: от восприятия к управлению/ Nicholas G. Hatsopoulos, John P. Donoghue [Электронный ресурс] // URL: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/19400719.
  2. Состояние глубокого обучения для приложений интерфейса мозг-компьютер на основе ЭЭГ/ Khondoker Murad Hossain, Md. Ariful Islam, Shahera Hossain, Anton Nijholt, Md Atiqur Rahman Ahad [Электронный ресурс] // URL: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fncom.2022.1006763/full.
  3. Естественная ходьба после травмы спинного мозга с использование интерфейса «мозг – позвоночник» [Электронный ресурс] // URL: https://www.nature.com/articles/s41586-023-06094-5.
  4. Китай завершил первый в мире эксперимент по внедрению интерфейса мозг - компьютер на приматах [Электронный ресурс] // URL: https://www.chinadaily.com.cn/a/202305/05/WS6454eb0aa310b6054fad14dc.html.
  5. Информационный сайт компании Neuralink [Электронный ресурс] // URL: https://neuralink.com/approach.
  6. Документация к продуктам OpenBCI [Электронный ресурс] // URL: https://docs.openbci.com.

Интересная статья? Поделись ей с другими: