Нейрокомп'ютерний інтерфейс (НКІ) (нейронний інтерфейс, мозковий інтерфейс) — система, створена для обміну інформацією між мозком і електронним пристроєм (наприклад, комп'ютером).

Дослідження і розробка НКІ є напрямком міждисциплінарної співпраці таких наукових дисциплін, як нейронаука, біомедична інженерія, біомедицина та інженерія, що охоплює різноманітний набір методологій, спрямованих на встановлення прямого зв’язку між мозком людини та зовнішніми пристроями, революціонізуючи нашу взаємодію з технологіями та розширюючи людські можливості. За своєю суттю, пристрої НКІ використовують розуміння сигналів мозку, декодування нейронних патернів і перетворення їх у дієві команди. Цей процес передбачає глибоке розуміння нейрофізіології, у поєднанні з передовими інженерними рішеннями для захоплення, обробки та інтерпретації цих складних нейронних сигналів.

Удосконалення сенсорних технологій, алгоритмів обробки сигналів і матеріалознавства стимулювали розвиток інвазивних НКІ (проникаючих в мозок), частково інвазивних (проникаючих в мозковий череп — електрокортикографічні та ендоваскулярні), і неінвазивних НКІ (завдяки ЕЕГ тощо), розширюючи їх застосування в різних областях. Також, НКІ можуть бути одно- чи двонаправленні. У односпрямованих інтерфейсах зовнішні пристрої можуть або приймати сигнали від мозку, або посилати йому сигнали (наприклад, імітуючи сітківку ока при відновленні зору зоровим нейропротезом). Двонаправлені інтерфейси дозволяють мозку і зовнішнім пристроям обмінюватися інформацією в обох напрямках. В основі нейро-комп'ютерного інтерфейсу часто використовується принцип біологічного зворотного зв'язку.

Застосування НКІ в медицині та охороні здоров'я включають нейропротезування, допоміжні технології для людей з обмеженими можливостями та застосування в нейрореабілітації. Завдяки НКІ можливо досліджувати, картографувати, асистувати, посилювати і відновлювати когнітивні або сенсорно-моторні функції людини.

Окрім застосування в сферах медицини та охорони здоров'я, НКІ є перспективною технологією для розширення можливостей людини, забезпечуючи прямий зв’язок між мозком і зовнішніми пристроями, сприяючи розширеному сенсорному сприйняттю, когнітивним здібностям і моторному контролю. Крім того, НКІ мають потенціал відігравати ключову роль у встановленні зв’язку між індивідуальним пізнанням людини та величезними можливостями штучного інтелекту, включно з сильним штучним інтелектом (AGI), сприяючи синергічній співпраці для розширення когнітивних горизонтів і можливостей вирішення проблем в еру технологічної сингулярності.

Історія Вивчення підстав, на яких базується нейро-комп'ютерний інтерфейс, сягає корінням у вчення І. П. Павлова про умовні рефлекси і регулюючої ролі кори мозку. Розвиваючи ці ідеї, П. К. Анохін з 1935 року показав, що принципу зворотного зв'язку належить вирішальна роль в регулюванні як вищих пристосувальних реакцій людини, так і його внутрішнього середовища. У результаті була розроблена , потенціал використання якої в нейро-комп'ютерних інтерфейсах далеко не вичерпаний.

Пол Бах-і-Ріта показав в середині 1960-х, що різні ділянки мозку людини можуть реорганізовуватись для компенсації різних сенсорних дефектів областей, пошкоджених інсультом, фактично довевши практичну нейропластичність в реабілітації. Він створив прилади, які дозвляли сліпим людям "бачити" спиною, а пацієнтам з пошкодженим вестибулярним апаратом утримувати рівновагу.

Великий внесок внесли роботи Н. П. Бехтеревої з 1968 по 2008 рр. з розшифровки мозкових кодів психічної діяльності, що продовжуються до теперішнього часу її послідовниками, в тому числі, з позицій нейрокібернетики і офтальмонейрокібернетики.

Дослідження нейро-комп'ютерного інтерфейсу почалися в 1970-х роках в Каліфорнійському університеті в Лос-Анджелесі (UCLA), з експериментів, проведених на тваринах, щоб створити новий, прямий шлях зв’язку між зовнішнім середовищем (або пристроями) і мозком. Дослідницькі групи, що очолювалися Шмідтом, Фетзом і Бейкером в 1970-х встановили, що мавпи можуть швидко навчатися вибірково контролювати швидкість реакції, використовуючи замкнене операційне позицінування, навчальний метод покарання і нагород. Дослідження Хосе Дельгадо стимуляції мозку в 1960-1970-хх роках також привнесли значне розуміння в цю галузь.

В 1980-х Апостолос Георгопоулос з Університету Хопкінса виявив математичну залежність між електричними відповідями окремих нейронів кори головного мозку макаки і напрямком, в якому тварини рухали свої кінцівки. Він також виявив, що різні групи нейронів у різних областях головного мозку спільно контролювали рухові команди, але були здатні реєструвати електричні сигнали від збуджених нейронів тільки в одній області одночасно. Причиною того є технічно обмежене обладнання дослідника.

З середини 1990-х років почався швидкий розвиток НКІ. Після багаторічних експериментів на тваринах у середині дев'яностих років в організм людини були імплантовані перші пристрої, здатні передавати біологічну інформацію від тіла до комп'ютера. За допомогою цих пристроїв вдалося відновити пошкоджені функції слуху, зору, а також втрачені рухові навички. В основі успішної роботи НКІ лежить здатність кори великих півкуль до адаптації (властивість пластичності), завдяки якому імплантований пристрій може слугувати джерелом біологічної інформації. Кільком групам вчених вдалося зафіксувати сигнали рухового центру мозку, використовуючи записи сигналів від груп нейронів, а також використовувати ці сигнали для управління зовнішніми пристроями. Серед них можна назвати групи, що очолювалися Річардом Андерсеном, Джоном Донахью, Філіпом Кеннеді, Мігелем Ніколеліс, Ендрю Шварцом.

На думку Ілона Маска, тісна взаємодія зі своїми смартфонами вже перетворила нас на кіборгів. Та ми не такі розумні, якими можемо бути, бо інформація від гаджета до нашого мозку доходить надто повільно. На думку Маска, об'єднати людей зі штучним інтелектом, — це найкращий варіант боротьби з останнім: «Злиття зі ШІ — це ідеальний сценарій, бо, як-то кажуть, приєднуйся, якщо не можеш перемогти.»

Перший в історії НКІ був створений Філіпом Кеннеді і його колегами з використанням електродів, імплантованих в кору головного мозку мавп. У 1999 році дослідники під керівництвом Яна Дена з Університету Каліфорнії розшифрували сигнали нейронів зорової системи кішки і використовували ці дані для відтворення зображень, що сприймалися піддослідними тваринами. У цих експериментах були використані електроди, вживлені в таламус (структура середнього мозку. За їх допомогою було досліджено 177 клітин в латеральному колінчастому тілі в таламусі і розшифровані сигнали, що приходять від сітківки. Кішкам демонстрували вісім коротких фільмів, протягом яких проводили запис активності нейронів. Використовуючи математичні фільтри, дослідники розшифрували сигнали для відтворення образів, які бачили кішки і були здатні відтворити впізнавані сцени і об'єкти, що рухаються. Схожі результати на людині були отримані дослідниками з Японії.

Для підвищення ефективності управління НКІ Мігель Ніколесіс запропонував реєструвати електричну активність одночасно за допомогою декількох електродів, імплантованих в віддалені області головного мозку. Під час перших досліджень на щурах, які в дев'яностих роках проводили Ніколеліс і його колеги, почалися аналогічні експерименти на мавпах. В результаті був створений НКІ, за допомогою якого сигнали нервових клітин мавп були розшифровані і використані для управління рухами робота. Саме мавпи виявилися ідеальними піддослідними для такого роду робіт, оскільки у них добре розвинені рухові і маніпуляційні навички, і, відповідно, високо розвинені структури головного мозку, що відповідають за реалізацію моторних функцій. До 2000 року група Ніколеліс створила НКІ, який відтворював рухи передніх кінцівок мавп під час маніпуляцій джойстиком або під час захоплення їжі. Дана система працювала в режимі реального часу і була використана для дистанційного керування рухами робота за допомогою інтернет-зв'язку. При цьому мавпа не мала можливості побачити руху власних кінцівок і не отримувала будь-якої іншої інформації для зворотного зв'язку.

Пізніше група Ніколесіса використовувала результати експериментів з макаками для створення алгоритму руху робота, що імітує рухи руки людини. Для управління рухами робота використовували інформацію, отриману при записі нейронної активності мавп після декодування. Мавпи були навчені вказувати на об'єкти на екрані комп'ютера, маніпулюючи джойстиком. Рухи кінцівок мавп-операторів були відтворені рухами робота.

У нейрохірургічному центрі в Клівленді в 2004 був створений перший штучний кремнієвий чип-аналог, який, в свою чергу, був розроблений в університеті Південної Каліфорнії в 2003. Кремній володіє можливістю з'єднувати неживу матерію з живими нейронами, а оточені нейронами транзистори отримують сигнали від нервових клітин, одночасно конденсатори відсилають до них сигнали. Кожен транзистор на чипі вловлює найменшу, ледве помітну зміну електричного заряду, яка відбувається при «пострілі» нейрона в процесі передачі іонів натрію. Нова мікросхема здатна отримувати імпульси від 16 тисяч мозкових нейронів біологічного походження і посилати назад сигнали до кількох сотень клітин. Враховуючи те, що при виробництві чипу нейрони були виділені з оточуючих їх гліальних клітин, то довелося додати білки, які «склеюють» нейрони в мозку, утворюючи додаткові натрієві канали. Збільшення числа натрієвих каналів підвищує шанси на те, що транспорт іонів перетвориться в електричні сигнали в чипі.

Основні принципи

Основи нейронауки Складна мова мозку, що складається з електричних імпульсів потенціалів дій в нейронах нейронних ансамблів і нейронних мереж, являє собою основу для взаємодії з нейрокомп'ютерними інтерфейсами (НКІ). Ці інтерфейси декодують і інтерпретують нейронні сигнали, щоб полегшити зв’язок між мозком і зовнішніми пристроями.

Розуміння сигналів мозку

Нейронні сигнали, які зазвичай отримують за допомогою таких методів, як електроенцефалографія (ЕЕГ), (МЕГ) та (fNIRS), дають змогу зрозуміти функціонування мозку. ЕЕГ, наприклад, фіксує електричну активність за допомогою електродів, розміщених на шкірі голови, виявляючи патерни, пов’язані з когнітивними функціями та станами, руховими намірами та сенсорними сприйняттями.

Нейрональний зв'язок і закономірності Синхронізована активація нейронів генерує чіткі шаблони, які передають інформацію про рухові команди, сенсорні вхідні дані та когнітивні процеси. Розшифровка цих патернів передбачає вивчення фізіології нейронних ансамблів, картографування областей мозку, відповідальних за певні функції, та виявлення нейронних корелятів намірів або дій.

Технологічні та інженерні аспекти

Сенсорні технології Удосконалення сенсорних технологій, включаючи матриці ЕЕГ високої щільності, функціональну ближньо-інфрачервону спектроскопію (fNIRS) та інвазивні нейронні імплантати, дозволяють фіксувати нейронні сигнали з різним ступенем просторової та часової роздільної здатності. Ці датчики пропонують уявлення про локалізовану мозкову активність і сприяють вилученню значущої інформації з нейронних сигналів.

Методи обробки сигналів

Складні алгоритми обробки сигналів, які часто ґрунтуються на машинному навчанні та розпізнаванні образів, використовуються для інтерпретації та декодування нейронних сигналів. Ці методи перетворюють необроблені нейронні дані в дієві команди або інформацію, забезпечуючи взаємодію в реальному часі між мозком і зовнішніми пристроями. Також, застосування штучного інтелекту може вдосконалити аналіз і декодування нейронної активності: за останнє десятиліття з’явився широкий спектр додатків НКІ за допомогою ШІ.

Апаратні компоненти НКІ містять підсилювачі, аналого-цифрові перетворювачі та обчислювальні блоки, необхідні для отримання, обробки та передачі сигналу. Апаратні компоненти забезпечують точність сигналу, зменшують шум і сприяють бездоганній інтеграції між нейронними сигналами та керуванням пристроєм.

Сучасність