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:
- Возможность организовать людям с ограниченными возможностями, такими как ограничение подвижности или тяжелые нарушения зрения или слуха, более комфортные условия жизни
- Применение в области науки и медицины для исследования мозга и развития новых методов лечения нейрологических заболеваний
- 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.
- Электроэнцефалография (ЭЭГ), которая использует электроды, накладываемые на кожу головы, для измерения электрической активности мозга.
- 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
- 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.
- 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:
- 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.
- 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.
- Оптимизация интерфейса: ИИ может помочь в автоматической настройке параметров интерфейса под индивидуальные особенности пользователя, улучшая точность и скорость обратной связи.
- 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:
- 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.
- 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.
- 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.
- 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
- Нейронные интерфейсы: от восприятия к управлению/ Nicholas G. Hatsopoulos, John P. Donoghue [Электронный ресурс] // URL: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/19400719.
- 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.
- Естественная ходьба после травмы спинного мозга с использование интерфейса «мозг – позвоночник» [Электронный ресурс] // URL: https://www.nature.com/articles/s41586-023-06094-5.
- 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.
- Информационный сайт компании Neuralink [Электронный ресурс] // URL: https://neuralink.com/approach.
- Документация к продуктам OpenBCI [Электронный ресурс] // URL: https://docs.openbci.com.