Темы

Австролоиды Альпийский тип Америнды Англия Антропологическая реконструкция Антропоэстетика Арабы Арменоиды Армия Руси Археология Аудио Аутосомы Африканцы Бактерии Балканы Венгрия Вера Видео Вирусы Вьетнам Гаплогруппы генетика Генетика человека Генетические классификации Геногеография Германцы Гормоны Графики Греция Группы крови Деградация Демография в России Дерматоглифика Динарская раса ДНК Дравиды Древние цивилизации Европа Европейская антропология Европейский генофонд ЖЗЛ Живопись Животные Звёзды кино Здоровье Знаменитости Зодчество Иберия Индия Индоарийцы интеллект Интеръер Иран Ирландия Испания Исскуство История Италия Кавказ Канада Карты Кельты Китай Корея Криминал Культура Руси Латинская Америка Летописание Лингвистика Миграция Мимикрия Мифология Модели Монголоидная раса Монголы Мт-ДНК Музыка для души Мутация Народные обычаи и традиции Народонаселение Народы России научные открытия Наши Города неандерталeц Негроидная раса Немцы Нордиды Одежда на Руси Ориентальная раса Основы Антропологии Основы ДНК-генеалогии и популяционной генетики Остбалты Переднеазиатская раса Пигментация Политика Польша Понтиды Прибалтика Природа Происхождение человека Психология Разное РАСОЛОГИЯ РНК Русская Антропология Русская антропоэстетика Русская генетика Русские поэты и писатели Русский генофонд Русь Семиты Скандинавы Скифы и Сарматы Славяне Славянская генетика Среднеазиаты Средниземноморская раса Схемы США Тохары Тураниды Туризм Тюрки Тюрская антропогенетика Укрология Уралоидный тип Филиппины Фильм Финляндия Фото Франция Храмы Хромосомы Художники России Цыгане Чехия Чухонцы Шотландия Эстетика Этнография Этнопсихология Юмор Япония C Cеквенирование E E1b1b G I I1 I2 J J1 J2 N N1c Q R1a R1b Y-ДНК

Поиск по этому блогу

среда, 21 декабря 2016 г.

Как работает киберпротез?

Психофизиолог Александр Каплан о нейроинтерфейсах, функционировании киберпротезов и управлении внешними исполнительными устройствами


(flickr // University of Washington Office of News and Information)
 
Киберпротезы — это продукт нескольких дисциплин: медицины, нейрофизиологии, инженерии и программирования. Это протезы нового поколения, в которые встроены механизмы автоматического управления, ведь, когда человек переставляет ногу при ходьбе, он не думает о том, какова совокупная работа по переносу ступни, изменению ее наклона в цикле шага, синхронному изменению угла сгибания в колене и так далее.
Все перечисленное — это автоматические механизмы.
На сегодняшний день самое лучшее, что может позволить себе большинство инвалидов, потерявших, например, ногу от колена, — это прикрепленный к культе бедра вертикальный стержень с присоединенной внизу на шарнире горизонтальной планкой, заменяющей ступню. Проблема таких механических протезов заключается в том, что человек вместо ноги получает механический упор, который усилием оставшихся мышц переносит в цикле шага. Киберпротез, оснащенный движителями и аккумулятором, — это фактически самостоятельно шагающая нога. Плотно присоединенный к культе протез не только будет требовать меньше усилий при ходьбе, но сделает движение человека более естественным и удобным. При этом темп, размер шага и другие параметры движения могут быть подогнаны для конкретного пользователя.
Однако даже точно настроенный протез, позволяющий человеку без палочки и костылей с легкостью ходить по ровной поверхности, не справится, если потребуется идти по ступеням или повернуть в ту или иную сторону. Для каждого нового режима движения свои настройки. Переключение режимов движения протеза уже не может быть автоматическим, так как намерение изменить движение рождается в голове у человека, киберпротезу об этом не может быть известно.
Таким образом, совершенные киберпротезы при всех своих автоматических механизмах должны еще иметь систему управления непосредственно от мозга, хотя бы для переключения режимов. К счастью, к настоящему времени разработана специальная технология — интерфейс «мозг — компьютер», позволяющий на основе регистрации биопотенциалов мозга считывать простейшие команды человека (налево-направо, вперед-назад и так далее). Преобразованные в сигналы для механизмов протеза, они позволяют переключать режимы его активности. Таким образом, человек может прямо по ходу движения естественным образом, то есть мысленными командами, регулировать режимы протеза в зависимости от характера местности и цели своего движения, не используя для этого какие-то дополнительные пульты управления.
В расшифровке мысленных команд нет никакой мистики. Предварительно человеку предлагается много раз мысленно воспроизводить нужные движения, при этом алгоритмические системы распознавания образов находят соответствие между этими намерениями и определенными признаками в электрической активности его мозга. Натренированные таким образом алгоритмы в дальнейшем, уже при свободном проявлении намерений человека по ходу движения, с хорошей надежностью детектируют признаки того или иного намерения в коррекции движения, которые тут же транслируются к протезу как команды для переключения его автоматики в нужный режим: движение вверх по лестнице, поворот направо и так далее. Такие же принципы управления закладываются и в киберпротезы верхних конечностей. Например, в протезы кисти встраиваются 5–6 моторчиков, которые хорошо управляют пальцами. На рынке уже имеются киберпротезы кисти с управлением их режимами, хотя пока не от мозга, но от самих оставшихся на конечности мышц.

Перспективы использования технологии нейроинтерфейсов

Полнофункциональные киберпротезы еще не сделаны, но во многих лабораториях мира, в том числе и в нашей, уже идет исследовательская работа в этом направлении.
Что касается самой технологии регистрации электрической активности мозга, то она взята из медицины и в настоящее время очень практична: на голову накладывается несколько датчиков, надевается специальная шапочка со встроенными в нее несколькими сенсорами биопотенциалов, которые соединены с тут же расположенным процессорным устройством, расшифровывающим эти биопотенциалы и передающим команды для исполнительных устройств.
Конечно, есть перспективы использования таких технологий «мысленного» управления автоматикой не только для пациентов, потерявших конечность. Можно, например, вынести такое управление за тело человека: управлять внешними исполнительными устройствами. Возможно, это будет хорошим решением для разных сфер гражданской и военной индустрии, например для удаленного управления разного рода кибернетическими устройствами — от манипуляторов до роботов.
Киберпротезы могут заменять не только утраченные конечности. Всем известно, что уже много десятилетий при некоторых сложных хирургических операциях приходится останавливать сердце. В это время к человеку подключают фактически протез сердца, который в ходе операции выполняет его функцию — перекачивает кровь. Однако мало кто называет киберпротезом этот аппарат искусственного комплекса «сердца — легкие», потому что по габаритам он скорее напоминает шкаф, чем само сердце. В этом проблема — сделать подобные комплексы малогабаритными, встраиваемыми прямо в организм. Это касается не только сердца, но и любых других органов: печени, почек, поджелудочной железы и других. Мне представляется, что наука и технологии уже очень близко подошли к тому, чтобы создать компактные протезы внутренних органов. И уже практически устранены основные трудности создания искусственных схем управления этими органами непосредственно от мозга на основе технологии интерфейсов «мозг — компьютер».
Исключением в этом движении к протезированию органов является, скорее всего, сам мозг, потому что мозг — это информационно-аналитическое устройство. В нем хранится память, навыки, масса информации, фактически наши знания о мире. Какой бы совершенной ни была электроника искусственного кибермозга, в него не удастся перенести опыт жизни отдельного человека. Это не кибернетическая нога, которая не требует переноса в нее памяти естественной ноги для выполнения опорной функции. Поэтому тотальное протезирование мозга человека, скорее всего, невозможно. Разве что протезированию поддадутся отдельные области мозга, очень ограниченные в размерах и по выполняемой функции.
Если вы хотите узнать больше об основных вопросах, связанных с современными нейротехнологиями и расшифровкой мозговой активности, записывайтесь на интенсив Александра Каплана «Нейроинтерфейсы: новые технологии контакта с мозгом», который состоится 14 мая в Академии ПостНауки.
Александр Каплан
доктор биологических наук, психофизиолог, профессор кафедры физиологии человека и животных, заведующий лабораторией нейрофизиологии и нейроинтерфейсов на биологическом факультете МГУ им. М.В.Ломоносова