Interfaz de neurocomputadora

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Una interfaz neurocomputadora (NCI) (también llamada interfaz neuronal directa, interfaz cerebral , interfaz cerebro-computadora [1] ) es un sistema creado [2] para intercambiar información entre el cerebro y un dispositivo electrónico (por ejemplo, una computadora ). En las interfaces unidireccionales, los dispositivos externos pueden recibir señales del cerebro o enviarle señales (por ejemplo, simulando la retina del ojo al restaurar la visión con un implante electrónico). Las interfaces bidireccionales permiten que el cerebro y los dispositivos externos intercambien información en ambas direcciones. La base de la interfaz cerebro-computadora es a menudo el método de biorretroalimentación .

Antecedentes

La posibilidad de una simbiosis hombre-ordenador fue barajada allá por 1960 por un investigador de la agencia DARPA , quien creía que en un principio, la inteligencia aumentada superaría por completo a la inteligencia artificial [3] .

El estudio de los fundamentos en los que se basa la interfaz neurocomputadora tiene sus raíces en las enseñanzas de IP Pavlov sobre los reflejos condicionados y el papel regulador de la corteza. Desarrollando estas ideas, P. K. Anokhin desde 1935 demostró que el principio de retroalimentación juega un papel decisivo en la regulación tanto de las reacciones adaptativas superiores de una persona como de su entorno interno. Hay obras de N. P. Bekhtereva de 1968 a 2008  . en descifrar los códigos cerebrales de la actividad mental, continuada hasta nuestros días por sus seguidores, incluso desde el punto de vista de la neurocibernética y la oftalmoneurocibernética .

La investigación sobre la interfaz neurocomputadora comenzó en la década de 1970 en la Universidad de California, Los Ángeles ( UCLA ). Después de muchos años de experimentos con animales a mediados de los noventa, se implantaron en el cuerpo humano los primeros dispositivos capaces de transmitir información biológica del cuerpo humano a una computadora. Con la ayuda de estos dispositivos, fue posible restaurar las funciones dañadas de la audición, la visión y las habilidades motoras perdidas. El funcionamiento exitoso de NCI se basa en la capacidad de adaptación de la corteza cerebral (propiedad de plasticidad), por lo que el dispositivo implantado puede servir como fuente de información biológica.

Intentos de creación

En 2004, se creó el primer chip de silicio artificial en el Centro de Neurocirugía de Cleveland , un análogo del hipocampo , que a su vez se desarrolló en la Universidad del Sur de California en 2003 . El silicio tiene la capacidad de conectar materia inanimada con neuronas vivas, y los transistores rodeados de neuronas reciben señales de las células nerviosas, mientras que los condensadores les envían señales. Cada transistor en el chip capta el cambio más pequeño y sutil en la carga eléctrica que ocurre cuando una neurona "dispara" en el proceso de transferir iones de sodio.

El nuevo microcircuito es capaz de recibir impulsos de 16 mil neuronas cerebrales de origen biológico y enviar señales a varios cientos de células. Dado que las neuronas se aislaron de las células gliales circundantes durante la producción del chip, se tuvieron que agregar proteínas que "pegan" las neuronas en el cerebro, formando también canales de sodio adicionales. Aumentar el número de canales de sodio aumenta las posibilidades de que el transporte de iones se convierta en señales eléctricas en el chip.

NCI y neuroprótesis

La neuroprótesis  es un campo de la neurología que se ocupa de la creación e implantación de dispositivos artificiales para restaurar las funciones deterioradas del sistema nervioso o de los órganos sensoriales ( neuroprótesis o neuroimplantes). El neuroimplante coclear más utilizado , que es utilizado por unas 100.000 personas en todo el mundo (a partir de 2006). También existen neuroprótesis para restaurar la visión, como los implantes de retina. El sistema de visión biónico Gennaris, gracias a un dispositivo implantado , evita los nervios ópticos dañados, lo que permite que las señales se transmitan al centro visual del cerebro.

La principal diferencia entre la BCI y las neuroprótesis radica en las especificaciones de su aplicación: las neuroprótesis suelen "conectar" el sistema nervioso a un dispositivo implantado, mientras que la BCI suele conectar el cerebro (o el sistema nervioso) a un sistema informático. En la práctica, una neuroprótesis se puede conectar a cualquier parte del sistema nervioso, por ejemplo, a los nervios periféricos, mientras que el NCI es una clase más estrecha de sistemas que interactúan con el sistema nervioso central. Los términos neuroprótesis y NCI se pueden usar indistintamente, ya que ambos enfoques tienen el mismo objetivo: la restauración de la visión, la audición, las habilidades motoras, la capacidad de comunicarse y otras funciones cognitivas. Además, ambos enfoques utilizan técnicas experimentales similares, incluida la cirugía.

Pruebas en animales de NCIs

Varios laboratorios han podido registrar señales de la corteza cerebral de monos y ratas para controlar el NCI mientras se mueven. Los monos controlaban el cursor en la pantalla de la computadora y daban órdenes para realizar las acciones más simples a los robots que imitaban una mano, mentalmente y sin ningún movimiento. Otros estudios con gatos se han centrado en descifrar las señales visuales.

Primeros trabajos

La investigación que dio como resultado el desarrollo de algoritmos para la reconstrucción de movimientos a partir de las señales de las neuronas de la corteza motora que controlan las funciones motoras se remonta a la década de 1970 . Los equipos de investigación dirigidos por Schmidt, Fetz y Baker en la década de 1970 descubrieron que los monos podían aprender rápidamente a controlar selectivamente la tasa de respuesta de las neuronas individuales en la corteza motora primaria mediante operaciones de posicionamiento en bucle, un método de aprendizaje de castigo y recompensas.

En la década de 1980 , Apostolos Georgopoulos de la Universidad de Hopkins descubrió una relación matemática entre las respuestas eléctricas de las neuronas corticales individuales en los monos rhesus y la dirección en la que los monos movían sus extremidades (basada en la función coseno ). También descubrió que diferentes grupos de neuronas en diferentes áreas del cerebro controlaban conjuntamente los comandos motores, pero solo podían registrar señales eléctricas de neuronas excitadas en un área a la vez debido a las limitaciones técnicas impuestas por su equipo.

Desde mediados de la década de 1990, comenzó el rápido desarrollo de NCI. Varios grupos de científicos lograron capturar las señales del centro motor del cerebro usando grabaciones de señales de grupos de neuronas, y también usar estas señales para controlar dispositivos externos. Entre ellos se encuentran grupos liderados por Richard Andersen, John Donahue, Philip Kennedy, Miguel Nicolelis , Andrew Schwartz.

Exocorteza

La exocorteza ( griego antiguo ἔξω [exō]  - afuera, afuera; lat.  corteza  - corteza) es un sistema de procesamiento de información externo que ayudará a mejorar la inteligencia [4] o actuará como una neuroprótesis para la corteza cerebral [5] . Si el término "exocorteza" se entiende en sentido amplio, entonces podemos decir que sus funciones ya las realizan Internet , los teléfonos inteligentes [6] , varios dispositivos, y que su historia comenzó con la invención de la escritura [7] .

La posibilidad de una simbiosis hombre-ordenador fue barajada allá por 1960 por un investigador de la agencia DARPA , quien creía que en un principio, la inteligencia aumentada superaría por completo a la inteligencia artificial [3] .

El desarrollo de la bioingeniería puede conducir a la aparición de la exocorteza : la interfaz cerebro-computadora, dispositivos para restaurar las funciones de los nervios y los receptores; neurociencia : procesadores neuromórficos ; neurociencia computacional : software que emula procesos mentales .

Las personas con tales dispositivos implantados pueden llamarse cyborgs [8] o posthumanos . Los moduladores del estado de ánimo basados ​​en los principios de la estimulación eléctrica [9] se están preparando para ingresar al mercado , pero en ausencia de retroalimentación, solo pueden considerarse dispositivos para la terapia TES .

El cerebro de otra persona puede utilizarse como exocorteza [10] . Los investigadores finlandeses creen que la exocorteza puede brindar una oportunidad no solo para descargar la conciencia humana en una computadora, sino también para combinar la conciencia de varios organismos humanos [11] .

Logros de la investigación

El primer NCI fue creado por Phillip Kennedy y sus colegas utilizando electrodos implantados en la corteza cerebral de monos. En 1999, investigadores dirigidos por Yang Deng de la Universidad de California descifraron las señales de las neuronas en el sistema visual del gato y utilizaron los datos para reproducir las imágenes percibidas por los animales de experimentación. Estos experimentos utilizaron electrodos implantados en el tálamo (la estructura del mesencéfalo que transmite señales sensoriales de todos los sentidos a la corteza). Con su ayuda, se examinaron 177 células en el cuerpo geniculado lateral del tálamo y se decodificaron las señales provenientes de la retina. A los gatos se les mostraron ocho cortometrajes durante los cuales se registró la actividad neuronal. Usando filtros matemáticos, los investigadores descifraron las señales para reproducir imágenes que vieron los gatos y pudieron reproducir escenas reconocibles y objetos en movimiento. Investigadores de Japón obtuvieron resultados similares en humanos.

Para mejorar la eficiencia del control NCI, Miguel Nicolesis sugirió registrar la actividad eléctrica simultáneamente usando varios electrodos implantados en áreas remotas del cerebro. Los primeros estudios en ratas, que fueron realizados por Nicolelis y sus colegas en la década de 1990, fueron seguidos por experimentos similares en monos. Como resultado, se creó un NCI, con la ayuda del cual se decodificaron las señales de las células nerviosas de los monos y se usaron para controlar los movimientos del robot. Fueron los monos los que resultaron ser sujetos ideales para este tipo de trabajo, ya que tienen habilidades motoras y de manipulación bien desarrolladas y, en consecuencia, estructuras cerebrales altamente desarrolladas responsables de la implementación de las funciones motoras. Para el año 2000, el grupo de Nicolelis había creado un NCI que simulaba los movimientos de las extremidades anteriores de los monos durante la manipulación del joystick o durante la captura de alimentos. Este sistema funcionaba en tiempo real y se utilizaba para controlar de forma remota los movimientos del robot a través de una conexión a Internet. Al mismo tiempo, el mono no tuvo la oportunidad de ver los movimientos de sus propias extremidades y no recibió ninguna otra información de retroalimentación.

Más tarde, el grupo de Nicolesis usó los resultados de experimentos con monos rhesus para crear un algoritmo de movimiento de robot que imita los movimientos de una mano humana. Para controlar los movimientos del robot, utilizamos la información obtenida al registrar la actividad neuronal de los monos después de la decodificación. Los monos fueron entrenados para señalar objetos en la pantalla de una computadora manipulando un joystick. Los movimientos de las extremidades de los monos operadores fueron reproducidos por los movimientos del robot.

Desde 2009, el proyecto NeuroG ha estado operando en Rusia , cuyo objetivo es crear algoritmos universales para reconocer imágenes visuales por humanos. El 25 de abril de 2011, el proyecto NeuroG realizó la primera demostración del mundo de un experimento sobre el reconocimiento de patrones imaginarios en el Museo Politécnico de Moscú. [12]

El 9 de julio de 2015, la " Corporación Unida de Fabricación de Instrumentos " rusa comenzó a probar una interfaz neuronal no invasiva "cerebro-computadora" que permite que el poder del pensamiento controle las exoprótesis robóticas biológicas. Por el momento, se está probando la interfaz neuronal. Después de su finalización, se tomará una decisión sobre la producción en serie de exoprótesis robóticas. Según el servicio de prensa, la producción en serie tentativa de prótesis debería haber comenzado en 2016 [13] .

La retroalimentación en prótesis de mano se implementa de diferentes maneras: métodos invasivos, interfaces neurales implantadas, así como retroalimentación vibro- o mecano-táctil [14] . En 2019 se probó una mano protésica doble con retroalimentación basada en sensores intracorticales implantados en el cerebro del paciente. [quince]

Véase también

Notas

  1. ↑ Los investigadores académicos utilizan el término " interfaz cerebro-computadora ", ya que el término "neurocomputadora" se asigna a una gran clase de tecnologías basadas en una arquitectura específica de sistemas informáticos, J. Wolpaw, J. Donoghue, Birbaumer , 
  2. ↑ Los investigadores demuestran un cursor controlado por el pensamiento - Neurociencia - Noticias científicas . Fecha de acceso: 19 de mayo de 2011. Archivado desde el original el 4 de octubre de 2013.
  3. ↑ 1 2 Simbiosis hombre-computadora Archivado el 12 de mayo de 2011 en Wayback Machine JCR Licklider IRE Transactions on Human Factors in Electronics, volumen HFE-1, páginas 4-11, marzo de 1960
  4. ↑ Ciencias Filosóficas, Números 1-4;  Escuela Superior., 2008; página 103
  5. ↑ Exocortex Copia de archivo del 20 de noviembre de 2016 en Wayback Machine  : un dispositivo hipotético que está conectado de una forma u otra a una persona y realiza funciones similares a las de la corteza cerebral: es decir, imita la actividad nerviosa superior. Supuestamente puede usarse para prótesis o como un medio para "mejorar la mente"
  6. ↑ Simola - La mente itinerante: un enfoque moderno para la mejora cognitiva&dq=exocortex  La mente itinerante: un enfoque moderno para la mejora cognitiva, ST Press, 2015; ISBN 069240905X , ISBN 9780692409053
  7. ↑ Intelligence Unbound: The Future of Uploaded and Machine Minds  Editores Russell Blackford, Damien Broderick, John Wiley & Sons, 2014; ISBN 1118736451 , ISBN 9781118736456
  8. ↑ La raza humana, Versión 2.0 (20 de marzo de 2006). Archivado desde el original el 27 de julio de 2007.
  9. ↑ MEDTECH BOSTON - Prueba de Thync: un modulador cerebral personal calmante y energizante . Consultado el 16 de junio de 2019. Archivado desde el original el 24 de julio de 2015.
  10. ↑ INVESTIGADOR CONTROLA LOS MOVIMIENTOS DE SU COLEGA A TRAVÉS DE LA PRIMERA INTERFAZ NO INVASIVA DE CEREBRO HUMANO A HUMANO (VIDEO) Archivado el 23 de abril de 2016 en Wayback Machine con información de investigadores de la Universidad de Washington: "un investigador capaz de enviar una señal cerebral a través de Internet para controlar el movimientos de la mano de un compañero investigador".
  11. ↑ KAJ SOTALA, HARRI VALPOLA - MENTES COALESCENTES: ESCENARIOS DE MENTE GRUPAL RELACIONADOS CON LA CARGA DEL CEREBRO Archivado el 28 de octubre de 2017 en Wayback Machine , 2012; Revista internacional de conciencia de máquina
  12. ↑ Enikeeva, Alfiya "Los científicos rusos enseñarán a una computadora a leer la mente" Copia de archivo del 10 de marzo de 2014 en Wayback Machine , Science and Technology of Russia , consultado el 24 de julio de 2011.
  13. ↑ OPK "Rostec" comenzó a probar la interfaz neuronal de las prótesis robóticas . Consultado el 26 de agosto de 2015. Archivado desde el original el 9 de septiembre de 2015.
  14. ↑ Ulrika, Wijk, Ingela K., Carlsson, Christian, Antfolk, Anders, Björkman, Birgitta, Rosen. Retroalimentación sensorial en prótesis de mano: un estudio prospectivo del uso diario  //  Fronteras en neurociencia. - 2020. - T. 14 . — ISSN 1662-453X . -doi : 10.3389/ fnins.2020.00663 . Archivado desde el original el 24 de junio de 2021.
  15. ↑ Dos manos protésicas "por el poder del pensamiento" al mismo tiempo: con retroalimentación . Neuronovosti (19 de octubre de 2019). Consultado el 1 de julio de 2021. Archivado desde el original el 9 de julio de 2021.

Literatura

Lectura sugerida

Enlaces