Нейрокомпьютерный интерфейс (Нейроинтерфейс)

Привет, Вы узнаете о том , что такое нейрокомпьютерный интерфейс, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое нейрокомпьютерный интерфейс, нейроинтерфейс , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Computational Neuroscience (вычислительная нейронаука) Теория и приложения искусственных нейронных сетей.

нейрокомпьютерный интерфейс  (НКИ) (называемый также прямой нейронный интерфейс, мозговой интерфейс, интерфейс «мозг — компьютер» ) — система, созданная   для обмена информацией между мозгом 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-компьютерного интерфейса, часто используется метод биологической обратной связи.

Center for Sensorimotor Neural Engineering (CSNE), CC BY-NDДвунаправленный интерфейс «мозг-компьютер» (BBCI) может считывать сигналы из головного мозга и пересылать информацию обратно в мозг через стимуляцию.

Проще понять, что такое нейроинтерфейс , когда сталкиваешься с другим его названием: интерфейс «мозг-компьютер» или нейрокомпьютерный интерфейс (НКИ). Это связь между мозгом и компьютером, созданная для одностороннего или двустороннего обмена данными с помощью электрических сигналов.

Если выбирать трех самых влиятельных исследователей в истории разработки нейроинтерфейсов, то это будут Филипп Кеннеди, Уильям Добелл и компания «Кибернетикс».

Невролог Филипп Кеннеди (Philip Kennedy) первым внедрил НКИ в мозг обезьяны в 1987 году, а в 1998 году — в мозг человека. После запрета ставить эксперименты над людьми, Кеннеди вживил электроды в собственный мозг, а затем удалил их после нескольких дней успешных тестов.

Врач и исследователь Уильям Добелл (William Dobell) в 2002 году частично вернул зрение пациенту с помощью нейроимпланта. Система НКИ Добелла включала в себя черно-белую камеру, дальномер и компьютер весом в пять килограмм, соединенный с электродами в коре головного мозга. Этого было достаточно, чтобы пациент проехал за рулем машины по парковке. После гибели Добелла в 2004 году пациент снова потерял зрение.

В 2005 году компания «Кибернетикс» (Cybernetics, США) добилась впечатляющих результатов по вживлению НКИ в человеческий мозг, который позволил пациенту управлять роботизированной рукой.

НКИ бывают трех видов, каждый из которых определяется способом передачи сигналов.

Инвазивные интерфейсы предполагают вживление электродов в мозг и обеспечивают прямую нейронную связь. Несмотря на высокую эффективность и чистоту сигнала, у этого вида есть серьезный недостаток — со временем нейроны теряют чувствительность, и для продолжения использования приходится устанавливать их вновь уже в другом месте.

В полуинвазивных нейроинтерфейсах электроды прикрепляются к поверхности серого вещества.

В неинвазивных — электроды устанавливаются на голове методом электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Благодаря этому нет ограничений, связанных с потерей чувствительности, однако есть другие недостатки: продолжительность установки, смещение по мере использования, необходимость обновлять проводящий гель и невозможность прикрепить электрод к нужной группе нейронов. Из-за этих особенностей системам неинвазивных НКИ нужно обучаться определять сигналы каждого конкретного пользователя.

Для чего используют НКИ?

Наука. Открытие сигналов мозга и их связь с деятельностью человека в свое время получило научный вес, сравнимый с исследованиями ДНК и расшифровкой генома человека. До сих пор научное сообщество познает работу мозга через его электропроводность, и каждый год происходят новые открытия.

Протезирование. Нейропротезы считаются стандартным методом решения проблемы потери слуха, используются для лечения некоторых заболеваний. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . На подходе управление экзоскелетами и роботизированными протезами рук и ног.

Медицина. Восстановление после повреждений мозга, позвоночника, инсультов, паралича — все это сферы, где успешно применяется НКИ.

Развлекательная и игровая индустрии. С 2012 года произошел бум НКИ в игровой индустрии: от «перетягивания каната», а точнее, шарика в устройстве MindBall до управления шариком в тубе в Star Wars Force Trainer. К сожалению, многие девайсы в этой категории используют название нейроинтерфейса, не имея с ним ничего общего. В некоторых считывается напряжение лицевых нервов, другие измеряют напряжение на самой голове, не доходя до нейронов. В целом, большая часть устройств в этих сферах применяют интригующую приставку «нейро», но в действительности не используют сигналы мозга.

Что происходит на рынке: гиганты и независимые стартапы

Рынок нейроинтерфейсов по-своему похож на другие инновационные сферы: уже включились в работу гиганты вроде компании Facebook и Илона Маска, крупные производители набирают вес, а молодые стартапы поставляют свежие идеи. Давайте посмотрим на наиболее интересных игроков.

Neuralink — компания, которую выкупил и возглавил Илон Маск. Точные детали о назначении и сфере реализации объекта разработок пока неизвестны, но Маск уже заявил, что выпускаемое устройство представят в течении четырех ближайших лет. Предполагается, что это будет НКИ с двусторонней связью с мозгом. Маск также заявил, что не обязательно вживлять интерфейс в мозг, можно поместить его в организм через инъекцию в шею, а дальше он доберется до мозга самостоятельно.

Neurable — крайне интересная компания, которая занимается разработкой НКИ для управления гаджетами и программным обеспечением, включая компьютерные интерфейсы, шлемы и очки виртуальной реальности. Сочетая трехмерные изображения в шлеме или очках с управлением силой мысли, компания добилась уникальных игровых ощущений. 

Muse определяет состояние мозга во время медитации и, исходя из него, создает музыкальное сопровождение для более глубокого и осознанного погружения. Эргономичный дизайн устройства и предоставление доступа к исходным регистрируемым данным позволило начинающим разработчикам познакомиться с миром сигналов мозга и реализовать свои первые приложения.  

Устройство intendiX компании G.tec выполняет три функции:

— после короткого обучения в течение 10 минут НКИ позволяет печатать с помощью мысли, что помогает людям с нарушением речи после травм или заболеваний взаимодействовать с другими людьми;  

— управление курсором при работе с ПК, в том числе в компьютерных играх. Успешная реализация коснулась даже известной игры World of Warcraft проекта Blizzard: контролировать персонажа можно без помощи рук с точностью до 98 %;

— рисование с помощью мысли со скоростью 5-10 действий в минуту.

В России разработки ведут при исследовательских институтах и в университетах, а также в коммерческих компаниях. Отдельно стоит упомянуть компании NeuroG, iBrain, «Объединенная приборостроительная корпорация» (входит в «Ростех») и Cyber Myonics.

Мы взяли интервью у Константина Сонькина, генерального директора компании iBrain. Компания занимается разработкой нейроинтерфейса, применяемого для реабилитации пациентов, перенесших инсульт или травму мозга. Одна из успешно выполненных задач компании — устройство миниатюрных размеров, позволяющее использовать его дома или в реабилитационных центрах и пансионатах.

Со слов Константина, идея создания нейроинтерфейса возникла семь лет назад в процессе написания кандидатской диссертации под руководством профессора Льва Станкевича, эксперта в искусственном интеллекте. Верно сделанный прогноз развития индустрии позволил предвидеть годовой темп роста рынка почти на 40 % (к 2020 году рынок нейроинтерфейсов может достигнуть 350 миллиардов долларов). После завершения фундаментальных исследований, длившихся 7 лет, была создана компания iBrain, в которую вошли специалисты из разных областей науки.

«Мы создали интерфейс „мозг-компьютер“ на основе моторного воображения, то есть реализовали подход, который использует лишь воображение движения без его физического исполнения. Таким образом, на основе данных с электроэнцефалограммы мы можем отследить воображаемое движение пациента и дать обратную связь по нему», — говорит генеральный директор компании.

НКИ, разработанный iBrain, требуется пациентам широкого профиля, и в первую очередь это пациенты, перенесшие инсульт, травмы головного мозга и позвоночника. Во многих случаях есть основание полагать, что этот подход поможет замедлить развитие таких болезней, как болезнь Альцгеймера и АЛС (амиотрофический латеральный склероз, которым болен Стивен Хокинг).

Константин приводит пугающую статистику: только в России от инсульта страдает более полумиллиона человек ежегодно, а в мире за тот же период становятся инвалидами 5 000 000 человек. Возраст тех, кто становится жертвой инсульта, постоянно снижается: сейчас мы встречаем инсульт у 25-летних. У больных повреждаются отделы мозга и отмирают некоторые структуры, что часто приводит к поражению моторных функций: обездвиживанию конечностей, нарушению мелкой моторики и даже параличу половины тела.

Современные решения основаны на физиотерапии — массаже, физическом сгибании и разгибании конечностей. «Такие решения нужны, и мы не вытесняем, а дополняем эти методики, потому что сами по себе они не восстанавливают структуры мозга, в которых произошли нарушения. Наша система распознавания воображаемых движений и предоставления обратной связи по ней направлена именно на это», — объясняет Константин.

Исследования iBrain подтверждают научные предположения о том, что при планомерной работе структуры мозга консолидируются и формируются новые структуры взамен утраченных при травме.  

«Для повышения мотивации пациентов в сторону использования системы нейрореабилитации мы разрабатываем уникальные в своем роде реабилитационные компьютерные игры, где управление осуществляется путем воображения движений, которые необходимо восстановить», — рассказывает Константин.

«Актуальность усиливается тем, что из-за невозможности управлять конечностями в течение года оставшиеся структуры мозга, отвечающие за движение, начинают деградировать. Необходимо как можно раньше приступать к нейрореабилитации, что, в случае своевременного использования, может в 2-3 раза ускорить процесс восстановления. Если восстановить двигательную функцию невозможно, например, при переломе позвоночника, эту технологию применяют для управления инвалидной коляской или экзоскелетом», — рассказывает руководитель проекта.

В своей работе iBrain используют ЭЭГ-усилители российской компании MITSAR, которая разработала для проекта уникальную модификацию мобильного беспроводного энцефалографа. Все вычисления выполняет обычный ноутбук или планшет.

«Реабилитация может проходить в больнице или санатории, но необходимость приходить на приемы или держать место для пациента может привести к сильным ограничениям, и самое важное — время будет упущено. Поэтому одна из наших задач — создание возможности прийти к пациенту домой и проводить реабилитацию в том месте, где он находится. Наше устройство позволяет это сделать за счет компактности и простоты использования».

Проект сталкивается со стандартными сложностями, бюрократическими и финансовыми.

«Это замкнутый круг — без инвестиций не выйти на производство, без производства не прийти к инвестициям. Мы могли бы вести разработку значительно быстрее, но нам приходится искать баланс между поиском ресурсов и продвижением вперед. Несмотря на это, мы не готовы пустить в проект любого инвестора, нам важно сохранить научную обоснованность разработки, а не присоединиться к гонке по достижению финансовых показателей любой ценой», — говорит Константин.

Пилотное испытание запланировано на осень 2017 года. Мы уверены, что еще не раз услышим об успехах компании iBrain, которой благодарны за возможность рассказать о таких разработках уже сегодня.

Несмотря на невероятный успех отдельных нейроинтерфейсов, мы находимся в самом начале их применения. В наши дни ожидания от НКИ многократно выросли, как и технические возможности устройств, которые формируют фундамент разработки. Но в ближайшие годы не стоит ждать революции в применении нейроинтерфейсов для решения бытовых проблем.

Происходит постепенная эволюция нейропротезов, систем восстановления и реабилитации пациентов с повреждениями мозга и моторных функций. И в ближайшие пять лет ожидается появление роботизированных протезов, управляемых командами мозга, а вот контролировать курсор мыши с помощью мысли — пока сложная задача.

Анализ данных, представленных в статье про нейрокомпьютерный интерфейс, подтверждает эффективность применения современных технологий для обеспечения инновационного развития и улучшения качества жизни в различных сферах. Надеюсь, что теперь ты понял что такое нейрокомпьютерный интерфейс, нейроинтерфейс и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Computational Neuroscience (вычислительная нейронаука) Теория и приложения искусственных нейронных сетей