Новосибірський державний технічний університет
Кафедра ВТ
Контрольна робота
по предмету В«Інтерфейси ПУВ»
на тему В«Нейро-комп'ютерний інтерфейсВ»
Факультет: АВТФ
Група: ЗАМ-534
Студент: Соколов М.Н.
Викладач: Міхашов А.І.
Новосибірськ - 2009
Введення
Наш світ заполонений як комп'ютерами, так і різного роду технікою. І їх взаємодія людина вже давно налагодив. Зараз, в основному, лише відладжуються ці зв'язки, щоб бути здатними відповідати все зростаючим запитам людини.
Але є в світі інтерфейсів ще одна ніша, що знаходиться ще на ранній стадії свого розвитку, але має вже чималі і багатообіцяючі результати. Від однієї думки про перспективи цієї сфери, часом, навіть мурашки по шкірі пробігають.
Всі ми звикли користуватися мишею і клавіатурою як посередниками між нами і машиною. Але, часом, приходить думка, що по суті без цих посередників цілком можна обійтися. Адже вони лише допомагають втілюватися нашим думкам в обчислювальній машині. А що якщо втілювати цю саму думку без посередників?
Ось цим вже не одне десятиліття і зайняті різні дослідницькі групи в різних кінцях світу. І результати їх досліджень показують, наскільки, виявляється, реальні сцени, показані в фантастичних кінофільмах, де люди взаємодіяли з комп'ютером через порт, імплантований в потилицю або навіть через звичайні окуляри.
На цю тему і піде мова в даній роботі - інтерфейси, які здійснюють взаємодія людини і машини (будь то комп'ютер, інвалідна коляска або роботизована рука). Таким інтерфейсам навіть дана абревіатура - МКІ (Нейро-комп'ютерний інтерфейс) в російськомовній літературі і BCI (brain-computer interface), рідше BMI (brain-machine interface) в англомовній.
Практична необхідність в такому інтерфейсі назріла давно. Десятки тисяч хворих вже зараз потребують подібному інтерфейсі. В першу чергу - це повністю паралізовані люди (з так званим locked-in синдромом), наприклад, деякі пацієнти з АЛС (в США, наприклад, їх загальна кількість досягає 30 000 людина); пацієнти з тяжкими формами церебрального паралічу; пацієнти з важкими інсультами і травмами. Можна очікувати, що в міру розвитку ця технологія може бути використана і іншими пацієнтами з менш пошкодженими системами руху, такими як квадроплегія.
Технології МКІ
Нейро-комп'ютерний інтерфейс (званий також прямий нейронний інтерфейс або мозкової інтерфейс, в англомовній літературі brain-computer interface, BCI) - фізичний інтерфейс прийому або передачі сигналів між живими нейронами біологічного організму (наприклад, мозком тварини) з одного боку, і електронним пристроєм (наприклад, комп'ютером) з іншого боку. В односпрямованих інтерфейсах, пристрої можуть або приймати сигнали від мозку, або посилати йому сигнали (наприклад, імітуючи сітківку ока при відновленні зору електронним имплантантом). Двонаправлені інтерфейси дозволяють мозку і зовнішніх пристроїв обмінюватися інформацією в обох напрямках.
Всі існуючі технології МКІ можна розбити на два напрямки - безпосереднє взаємодія з нейронами з імплантацією в тіло спеціальних пристроїв і зняття зовнішніх сигналів (в основному, імпульсів мозкової активності) за допомогою зовнішніх датчиків.
вживляти сенсори та електроди
Початок цього напрямку було покладено дослідами на тваринах. Взагалі вивчення нейропроцессов зазвичай починається з вивчення нейронів равликів, як найпростіших і великих клітин такого типу. Але в сфері МКІ результати, що мають куди більшу значення, з'явилися в результаті дослідів на мавпах.
Саме тоді позначився принциповий ривок у розвитку пристроїв, які здатні інтерпретувати В«мозковий електрикуВ», простіше кажучи, нейронні імпульси (і хвилі) в логічний ряд команд за допомогою звичайних алгоритмів і транслювати ці команди в обчислювальні пристрої.
Досліди на мавпах
В 2001 Мігель Ніколеліс з університету Дюка (Durham, South Carolina) проводив одні з найвідоміших в цій області експерименти. Ніколеліс, вводячи електроди в мозок і В«перекодіруя сигналиВ», зумів синхронізувати руху В«РукиВ» мавпи і В«кіборг-рукиВ» - штучного механізму, який повторює форму і функції В«рукиВ».
В 2004 Річард Андерсен і його колеги з Каліфорнійського технологічного інституту (California Institute of Technology) навчилися за допомогою мозкових імплантатів В«Читати думкиВ» мавп: пророкувати, що вони збираються робити, і навіть дізнаватися, наскільки їм це подобається. Пізнавальні мозкові сигнали такого високого рівня були розшифровані вперше.
Вчені впровадили в парієтальних кору мозку мавпи 96 електродів, що дало можливість з 67-процентною точністю прогнозувати дії тварини. Точність передбачення досягла 88 відсотків, коли дослідники з'ясовували, яку саме нагороду мавпа хоче отримати за виконання завдання, наприклад, бажає вона сік або воду.
В 2008 році був проведений ще один експеримент з мавпами. Ідеї вЂ‹вЂ‹і методи, придумані авторами, повинні допомогти медикам і інженерам у розробці протезів нового покоління з В«уявнимВ» управлінням.
Дві мавпи з імплантованими в мозок електродами навчилися управляти механічною рукою, має 5 ступенів свободи, однієї лише В«силою думкиВ». Успіх експерименту був забезпечений оригінальною методикою навчання, в ході якого контроль над штучною рукою поступово переходив від комп'ютерного В«автопілотаВ» до мавпі. При цьому В«навчалосяВ» не тільки тварину, але й програма, інтерпретуюча мозкові імпульси і перетворююча їх у руху механічної руки.
Імплантація імплантантів в людини
В жовтні 2004 року американська компанія Cyberkinetics завершила розпочате в червні 2004 випробування своєї системи BrainGate: чіп, впроваджений в мозок 24-річного паралітика, дозволив йому В«силою думкиВ» керувати телевізором і комп'ютером, зокрема - Користуватися електронною поштою, грати в комп'ютерні ігри.
Чіп BrainGate впроваджується безпосередньо в кору головного мозку. На думку авторів пристрою, це більш ефективно, ніж інші підходи, використовувані творцями аналогічних за призначенням інтерфейсів людина-машина (зовнішні електроди, зняття мозкових хвиль). Хірурги впровадили чіп в певний В«моторнийВ» ділянку кори мозку. Це пристрій знімає сигнал одночасно зі ста нейронів.
З допомогою спеціальних програм ця людина змогла грати в деякі комп'ютерні гри, читати і відправляти електронну пошту, керувати телевізором виключно за допомогою В«сили думокВ».
В 2006 році група нейрохірургів, нейробіологів і інженерів з Університету Вашингтона в Сент-Луїсі, США (Washington University in St. Louis) провела експеримент, головним учасником якого став підліток, що страждає епілепсією. Щоб виявити ділянку мозку, в якому зароджуються епілептичні напади, підліткові хірургічним шляхом помістили на поверхню мозку мережу електродів. Електричні імпульси з поверхні мозку передаються в комп'ютер і аналізуються за допомогою спеціальних програм.
Дослідники скористалися цією ситуацією і розробили спеціальне програмне забезпечення, що дозволяє підлітку управляти рухом курсору на моніторі силою уяви. Підліток швидко освоїв уявне управління комп'ютером. Чи не торкаючись до клавіатури і не здійснюючи взагалі ніяких рухів, він грає в популярну в 70-і роки гру Atari's Space Invaders, в якій потрібно з гармати розстрілювати спускаються з неба космічних прибульців.
В 2009 році Група вчених з Університету Брауна (Brown University) в Род-Айленді приступила до другої фази випробувань на людях у сфері BCI. Кілька надтонких електродів імплантуються в мозок пацієнта. Нервові імпульси випускаються мозком прилад перетворює в команди для комп'ютера. Пацієнт силою думки буде здатний пересувати курсор мишки або іншими підключе...
