0,1
рейтинг
7 марта 2014 в 17:58

Логика мышления. Часть 7. Интерфейс человек-компьютер



Для тех, кто только присоединился, я советую начать с первой части или хотя бы с описания волновой модели коры. Наша волновая модель показывает как вызванная активность нейронов коры порождает волны фоновой активности, распространяющиеся как внутри зон коры, так и через проекционные связи по всему пространству мозга. Проходя по какому-либо участку коры, волна, кодирующая определенное явление, воспроизводит свой уникальный узор. Это позволяет нейронам в любом месте коры получать информацию о том, что происходит в других частях мозга.

Такой механизм передачи данных можно сравнить с оптическим телеграфом. Еще до изобретения проводного телеграфа для передачи сообщений на большие расстояния использовали системы башен находящиеся в прямой видимости друг от друга. Положением реек в специальной конструкции, установленной на вершине башни, кодировались буквы передаваемого послания. Каждая следующая башня повторяла то, что видела на предыдущей. Теперь представьте, что каждая из семафорных башен не повторяет сигнал, а работает по более хитрому алгоритму. Каждый сигнальщик заводит специальную тетрадь. Когда он видит новый для себя узор из реек он записывает его в тетрадь в первый столбец и ставит ему в соответствие другой случайно выбранный узор, который записывает напротив него во второй столбец. Главное — чтобы этот узор не использовался во втором столбце ранее. Соответственно, работа башни превращается в трансляцию одних узоров в другие. При этом соблюдается однозначность такой перекодировки. Сколько бы не было башен на пути сигнала, послание дойдет в информационно-целостном, хотя и перекодированном виде.

А теперь представьте, что башни расположены не в линию, а равномерно покрывают всю землю. Тогда с каждой башни будет видно несколько соседних. Таблицу в тетради сигнальщика придется усложнить. Ему потребуется завести столько столбцов сколько башен он видит плюс свой. В новых условиях задача сигнальщика будет — выставлять свой узор, как только хотя бы на одной из соседних башен появится новое сообщение. После того, как все сигнальщики заполнят свои таблицы, каждой букве будет соответствовать определенная устойчивая картина флажков по всей земле. Достаточно будет на одной из башен установить определенный сигнал, как он распространиться по всему миру.



Изменим работу воображаемых башен. Поставим вместо механизма с флажками фонарь. Общение между башнями сведем к наблюдению за вспышками соседей и подачи собственной вспышки если на это указывает запись в тетради. Ведение тетради несколько усложним. Теперь новая запись в ней будет появляться при следующих условиях. Когда около башни произойдет серия вспышек, смотритель проверит есть ли запись о такой конфигурации в его тетради, и если есть, то даст вспышку собственной башни и уйдет на предписанный инструкцией отдых на несколько минут. Если такой записи нет, то он дождется пока волна вспышек пройдет и запомнит получившийся узор. Затем он посчитает, сколько всего было вспышек вокруг. Если их было достаточно, то есть узор прошедшей волны уже сформирован другими башнями-маяками, то он расслабится и пойдет пить чай, дожидаясь следующей волны вспышек. В противном случае он начнет подкидывать монету, например, пять раз (зависит от того сколько других башен он видит), если все пять раз выпадет решка, то он сделает новую запись в тетради, куда занесет новый узор.

Чтобы в таком телеграфе отправить сообщение из одного слова надо будет в точке отправления сопоставить слову какой-нибудь узор из стоящих неподалеку башен. Когда эти башни начнут вспыхивать (не один раз, а длинной серией), смотрители соседних башен начнут играть в орлянку и станут постепенно подключаться к распространению волнового узора. Когда вся система маяков выучит это слово, то в любом месте земли можно будет обнаружить его передачу. В каждой точке планеты это слово при прохождении волны вспышек будет создавать свой уникальный узор. Но, что самое интересное, мы можем выбрать любое место и посмотреть, какой узор соответствует именно тут интересующему нас слову. Если теперь мы воспроизведем этот узор, заставив вспыхнуть соответствующие маяки, то волна вспышек дойдя до адресата создаст точно такой же узор, как если бы сообщение было отправлено из исходной точки. Собственно, именно так и работает мозг (в нашей теории). Понятия кодируются паттернами нейронов, генерирующих пакеты импульсов. Волны одиночных импульсов разносят узоры идентификаторы по всему мозгу. И такой механизм лежит в основе всей последующей информационной деятельности.

Вернемся обратно к коре. Судить о том, какие мысли рождает мозг, можно разными способами. Наиболее простой путь – это анализ показаний многоточечной энцефалограммы. Так как разные мысли вызывают отличные друг от друга картины активности зон коры, то определенные закономерности могут быть отслежены и впоследствии использованы. Понять мысли таким способом невозможно, но можно приблизительно отличить друг от друга разные формы мозговой активности. При желании это можно использовать для простых систем управления, не требующих высокой точности или быстродействия.

Более продвинутые методы – это фиксация, например, с помощью магнитно-резонансного томографа, уровня насыщения кислородом кровотока на пространстве коры, что позволяет судить о местах, где сосредоточена наибольшая нейронная активность. Пространственное разрешение при этом во много крат выше, чем при использовании энцефалографа. Для первичной зрительной коры, где сохраняется топографичность проекции, такой метод хоть очень грубо и инерционно, но позволяет заглянуть в мысли человека (рисунок ниже).


Результаты реконструкции изображений (Shinji Nishimoto, An T. Vu, Thomas Naselaris, Yuval Benjamini, Bin Yu, Jack L. Gallant, 2011)

Магнитно-резонансный томограф громоздок и неприменим для внелабораторного использования. Но существует и более простой способ измерения параметров мозгового кровотока – это локальная спектроскопия в инфракрасном диапазоне. Отдельный датчик состоит из источника инфракрасного излучения и оптического приемника отраженного сигнала. По изменению спектра поглощения можно судить о процессах, происходящих непосредственно под датчиком. Используя комбинацию инфракрасных и электроэнцефалографических датчиков, компания Honda создала интерфейс, позволяющий с достаточно высокой точностью управлять человекоподобным роботом (Honda Research Institute Japan Co., 2009).


Комплекс Honda (Honda Research Institute Japan Co., 2009)

Еще большую детализацию активности коры в пространстве и времени позволяют получить упомянутые ранее оптические методы, но и они дают представление только о коллективной активности тысяч расположенных рядом нейронов.

Усреднение активности нейронов по любому участку коры теряет информацию об индивидуальности волнового паттерна. По этой активности можно строить грубые предположения о том, что происходит с мозгом, но нельзя получить доступ к тонким информационным процессам. Что-то подобное можно наблюдать с компьютерами. По активности работы отдельных модулей и по анализу излучаемых компьютером частот можно судить о том, какого типа задачи он выполняет. Для некоторых программ можно даже наловчиться угадывать отдельные действия, но все это совсем не то по сравнению тем, какие возможности дает подключение к информационным шинам.

Добраться до непосредственной активности сразу многих нейронов сейчас позволяют методы вживления электродных массивов. В 2004-2005 годах был проделан первый эксперимент по имплантации такого датчика полностью парализованному пациенту. В результате удалось добиться более-менее адекватного управления рукой-протезом (Leigh R. Hochberg, Mijail D. Serruya, Gerhard M. Friehs, Jon A. Mukand, Maryam Saleh,Abraham H. Caplan, Almut Branner, David Chen, Richard D. Penn, John P. Donoghue, 2006) (рисунок ниже).



a) Матрица электродов на одноцентовой монете и вставляемый в череп разъем.  b) Массив из ста электродов. с) Расположение массива. d) Первый пациент с установленным интерфейсом (Leigh R. Hochberg, Mijail D. Serruya, Gerhard M. Friehs, Jon A. Mukand, Maryam Saleh,Abraham H. Caplan, Almut Branner, David Chen, Richard D. Penn, John P. Donoghue, 2006)

Массив электродов, использовавшийся в эксперименте, не отличался особой точностью подключения к коре. Только часть электродов фиксировала импульсы отдельных нейронов, остальные передавали суммарную активность нейронных групп. Но даже этого в эксперименте хватило для того, чтобы отфильтровать вполне полезную информацию.

Когда прогресс технологий позволит снять с малой области мозга активность хотя бы нескольких сотен нейронов, как мне видится, этого будет достаточно, чтобы создать искусственный волновой туннель, аналогичный тем туннелям, что соединяют между собой различные зоны коры. Анализ паттернов волновой активности позволит не просто отследить состояние нейронов-детекторов малого участка коры, он позволит увидеть проходящие через него информационные волны и, соответственно, составить представление обо всех понятиях, с которыми работает эта зона коры. Мне кажется, что десяток таких туннелей, отведенных из разных зон мозга, позволит передать на компьютер практически полную картину человеческой мысли. Это не будет фотографическая картина того, что мы видим, или звук того, что мы слышим, но это будет полноценное воспроизведением того, о чем мы думаем.

Если наша концепция верна, то волновые туннели могут и считывать информацию, и транслировать ее обратно. Для передачи информации от компьютера к человеку можно либо воспроизводить паттерны ранее считанных идентификаторов, либо генерировать уникальные собственные. В последнем случае мозг надо будет обучить сопоставлять создаваемые компьютером волны с теми понятиями, что уже известны человеку.

Если взять двух людей и подключить их к компьютеру, а затем осуществить с его помощью перекодировку паттернов, переводя узоры, характерные для одного, в узоры, соответствующие тем же понятиям у другого, то получится телепатический интерфейс, та самая корона профессора Казарина из Кира Булычева.

Возможности волнового интерфейса не ограничиваются телепатическим общением человека и компьютера или людей между собой. Если на компьютере воспроизвести кору мозга, то можно добиться, чтобы в процессе совместного существования она впитала в себя существенный объем памяти и индивидуальности человека. Возможно, для полновесного переноса личности понадобятся годы совместной жизни с подключенным компьютером, но потенциально это открывает возможность «переселения души». Если фантазировать дальше, то ничто не мешает подключить обученный компьютер к чистому биологическому мозгу и провести постепенный обратный перенос. Конечно, интересно порассуждать о том, что будет с самосознанием при таких путешествиях, но это тема отдельного разговора.

Продолжение

Использованная литература

Предыдущие части:
Часть 1. Нейрон
Часть 2. Факторы
Часть 3. Персептрон, сверточные сети
Часть 4. Фоновая активность
Часть 5. Волны мозга
Часть 6. Система проекций
Алексей Редозубов @AlexeyR
карма
157,0
рейтинг 0,1
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (8)

  • 0
    Перенос сознания «постепенно копируя» не кажется хорошей идеей. Если и взяться за это, то, видимо, это должно быть больше похоже на перенос, а не на копирование :)
    Что выглядит еще более странным, для реализации :)
  • 0
    Это можно представить так. Добавим к мозгу несколько чистых зон коры. Заведем на них определенные проекции. С такими же проекционными связями будут и зоны в реальном мозге. Новые зоны не дадут ничего принципиально нового. Но они начнут впитывать наше «я». Иначе говоря, если поработав совместно какое-то время, мы отключим зону коры реального мозга, дублирующая зона сможет работать вместо нее и сохранит определенную часть наших воспоминаний. Так можно выполнить и полный перенос. Всю память перенести так не выйдет. Скопированы будут только те воспоминания, которые мы будем припоминать уже после добавления новых зон и когда на них возникнет структура соответствующих понятий.
  • 0
    А есть ли оценки примерной пространственной скорости распространения волны в реальном мозге? Мне стало любопытно, как человек отсчитывает короткие временные промежутки (например считает в уме секунды). Я могу менять период счёта в некоторых пределах, примерно от 0.3 до 5 герц. При этом когда надо засечь более длинные периоды, то каждый такт полуосознанно делится на более короткие, которые легче «измерить». Я считаю, что возможно такие мысленные ритмы реализуются сознательной генерацией волн, и рамки, в которых можно сознательно управлять частотой колебаний, могут дать какую то информацию о характеристиках этих волн. Нет ли кстати каких-то исследований на тему измерения человеком временных ритмических паттернов?
    • 0
      Частоты распространения волн — это и есть частоты ритмов, фиксируемых на ЭЭГ. Основной диапазон 7-50 Гц. Размеры зоны коры: сантиметр -несколько сантиметров. Скорость соответственная. Я бы не стал напрямую связывать эти ритмы с измерением временных интервалов.
      • 0
        Имел в виду не ЭЭГ ритмы. Попробую объяснить мысль. У человека есть какой то механизм отсчёта времени, и вероятнее всего он реализован мозгом. Чтобы его почувствовать, можно закрыть глаза, не двигаясь считать «раз-два-три...», и пробовать менять темп счёта. В рамках вашего повествования можно попробовать объяснить, как такой механизм может работать: есть некий запускающий паттерн, вроде команды «старт», создающий волну такой конфигурации, что её фронт через какой то более-менее постоянный промежуток времени возвращает ответный сигнал. Это может быть либо отражение волны, либо какое то замыкание, не столь важно. Важно, что мозг способен гибко с высокой точностью и расрешением изменять временные параметры своих процессов. Это не связанно с основными ритмами. Человек может сознательно довольно чётко задавать интервал задержки, и долго его сохранять (говорю как музыкант). Но при этом есть диапазон частот, в котором считать комфортно и легко, но за его пределами всё тяжелее. Трудно считать быстрее 5 тактов в секунду, даже если не произносить про себя числа а просто «щёлкать» мысленно. Трудно считать очень медленно, проще разбивать медленные такты на более мелкие части.
        Возможные эксперименты: попросить испытуемого мысленно «отстукивать» какой то ритм, не помогая себе движениями, и посмотреть, не появляется ли на ЭЭГ/МРТ/другом сканере ритмических сигналов, соответствующих тому, как считает испытуемый (на фоне спонтанной активности).
        • 0
          Аналогии уловить можно, но кроме ритмов коры есть еще кодирование времени гиппокампом. Позже я покажу эти механизмы.
  • 0
    Насчёт «Результаты реконструкции изображений (Shinji Nishimoto, An T. Vu, Thomas Naselaris, Yuval Benjamini, Bin Yu, Jack L. Gallant, 2011)».
    А нет ли экспериментов которые пытались реконструировать таким образом (используя уже полученные «словари» рисунков активности) визуальные представления которые человек сам вопрозводит? (Представляет себе с закрытыми глазами, а не видит глазами на экране.)
    • 0
      Такие опыты были. Принципиальной разницы нет видит человек или представляет.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.