как мозг кодирует информацию

Мозговые импланты и загрузка мыслей в сеть: смогут ли машины управлять нашим сознанием

Возможность управлять сознанием человека с помощью машин будоражит исследователей и пугает людей с тех пор, как первые электроды были вживлены в клетки мозга. Сегодня, когда миллиардеры из технологических компаний инвестируют в разработку нейроинтерфейсов, эта перспектива кажется весьма реальной. О том, какие проблемы отделяют нас от технологической (анти)утопии, пишет журнал Quanta.

В последний момент бешеный бык уперся копытами в землю и остановился. Еще секунда — и он забодал бы человека насмерть. На арене, лицом к лицу к тяжело дышащему животному, стоял не матадор, а испанский нейробиолог Хосе Мануэль Родригес Дельгадо. Своим рискованным выступлением, состоявшимся в 1963 году, он хотел продемонстрировать, что склонность к насилию поддается контролю при помощи мозгового импланта. Дельгадо считал, такие импланты можно использовать для борьбы с девиантным поведением и создания «психоцивилизованного общества».

Перспектива управления людьми через вживленные в их головы устройства ожидаемо вызвала среди общественности возмущение, которое надолго положило конец подобным исследованиям. Но недавно эксперименты возобновились с использованием еще более продвинутых технологий. Лазерные лучи, ультразвук, электромагнитные импульсы, микрополяризация и другие методы сегодня позволяют намного эффективнее управлять электрической активностью мозга, чем иглоподобные электроды, которые Дельгадо когда-то вживлял в мозг испытуемых.

Миллиардеры Илон Маск и Марк Цукерберг вкладывают миллионы долларов в разработку технологии нейрокомпьютерного интерфейса (НКИ). Маск стремится наделить человека «сверхинтеллектом», чтобы противодействовать ИИ, а Цукерберг хочет, чтобы пользователи могли загружать в интернет свои мысли и эмоции без использования клавиатуры.

Но как именно устроены эти технологии и каковы их возможности?

Устройство, разработанное Дегальдо еще в 1964 году, обеспечивало изрядную степень контроля над сознанием человека. Подавая ток на вживленные в мозг электроды, можно было в одно мгновение подавить приступ гнева или симптомы психического расстройства; более того, электроды позволяли управлять движениями конечностей испытуемого, погружать его в эротический экстаз или суицидальное отчаяние.

Неудивительно, что люди испугались перспектив применения подобных изобретений.

И вот нейробиологи снова бьют тревогу. Статья, опубликованная в 2017 году в журнале Nature, начинается со сцены, как будто позаимствованной из «Черного зеркала». Ученые описывают ситуацию, когда мозговой имплант, позволяющий парализованному человеку двигать протезом руки, неожиданно ломается и заставляет пациента в ярости наброситься на врача.

Подобная франкенштейновская сцена — нелепость. Электроды, вживленные в двигательную кору, не могут влиять на эмоции. Более того, что бы там ни писали в сенсационных статьях, нейробиологи еще не знают, как мысли, эмоции и намерения закодированы в клетках мозга. Биологические препятствия на данный момент намного существеннее технических.

Современные устройства на базе нейрокомпьютерного интерфейса анализируют данные на том же уровне, что и Amazon, пытающийся спрогнозировать, какую книгу вы купите следующей. Компьютеры считывают потоки электрической активности, фиксируемой мозговым имплантом или шлемом с электродами, и учатся распознавать изменения сигнала, согласующиеся с сознательными движениями человека.

Например, постоянные колебания электрической активности в коре больших полушарий, называемые мозговыми волнами, мгновенно прекращаются, когда человек двигает рукой или ногой (или хотя бы думает об этом). Это похоже на внезапную тишину в ресторане после того, как официант уронил стакан. Разговоры между отдельными посетителями расшифровать невозможно, но тишина — это четкий сигнал. Прекращение электрической активности в коре полушарий ученые превращают в команды для компьютера, такие как «запустить мотор в протезе руки» или «нажать на кнопку на экране при помощи виртуальной мыши».

Но даже когда удается фиксировать работу отдельного нейрона, нейробиологи не могут расшифровать его импульсы; они вынуждены использовать машинное обучение, чтобы идентифицировать изменения электрической активности нейрона, которые совпадают с определенным действием. Принцип работы таких НКИ можно сравнить с тем, как мы переключаем скорости в машине, слушая звук двигателя.

Этот метод приносит результат. Протезы, работающие по принципу сопоставления электронной активности мозга с сенсомоторными функциями, позволяют вернуть пациентов к полноценной жизни.

Но НКИ-устройства — это не только технология; важную роль играет и работа самого мозга. В ходе длительного процесса проб и ошибок, получая вознаграждение в форме выполнения телом желаемого действия, мозг постепенно учится генерировать электрический сигнал, который компьютер способен более точно распознать.

Процесс происходит на подсознательном уровне, и нейробиологи не знают, как мозгу это удается. Очень далеко от обычного представления о контроле сознания, не правда ли?

Но предположим, что мы поняли, как закодирована информация в нейронных импульсах. Скажем, мы хотим при помощи мозгового импланта внушить человеку определенную мысль. По словам нейробиолога Тимоти Бушмана, который проводит исследования с записью и стимуляцией активности мозга, это не так-то просто. «Мы знаем, какой участок мозга необходимо стимулировать, но не знаем, какой именно нейрон, — говорит он. — Один и тот же нейрон у разных людей может отвечать за разные функции».

Сколько бы денег ни вложил в проект Маск, главная трудность всегда будет в области биологии, а не технологии. Даже если допустить, что нейрон может пребывать только в двух состояниях, возбужденном или невозбужденном, то в сети из всего лишь трехсот нейронов мы все равно получим 2300 возможных комбинаций — больше, чем количество атомов в наблюдаемой Вселенной.

А теперь задумайтесь — в мозге человека около 85 миллиардов нейронов.

А что с планами Цукерберга позволить пользователям загружать в интернет свои мысли и эмоции? Считывать информацию из мозга проще, чем загружать в него.

Марсель Джаст и его коллеги из Университета Карнеги-Меллона учатся читать мысли людей при помощи функциональной МРТ, чтобы понять, как мозг обрабатывает, хранит и ищет информацию. На данный момент они могут определить, какое число держит в уме человек, какую эмоцию испытывает и думает ли о самоубийстве.

Вот как это работает.

Сначала исследователи просят испытуемых сконцентрироваться на определенной мысли или эмоции. Нейросети идентифицируют изменения, связанные с этой мыслью или эмоцией. Примечательно, что наблюдаемая мозговая активность одинакова вне зависимости от родного языка человека.

Неожиданным открытием стало то, что мозг хранит информацию не в виде отдельных единиц, сгруппированных по обобщающим их понятиям, как мы обычно себе это представляем, а в виде общих концепций, включающих ощущения, эмоции и переживания. Слова «спагетти» и «яблоко» относятся к одной смысловой категории, но ассоциируются с разными ощущениями, поэтому активируют разные участки мозга.

Это объясняет, почему такой медленный инструмент, как фМРТ (для получения изображений ему требуется несколько минут), способен отобразить предложение, которое человек читает в данный момент. Мозг, в отличии от Google Translate, кодирует и хранит информацию не пословно, а целыми предложениями.

Идея чтения мыслей при помощи специальных девайсов не может не пугать. Как говорит сам Джаст, «нет ничего более приватного и интимного, чем мысли». Но этот страх необоснован.

Как и НКИ, использующийся для управления протезом, чтение мыслей невозможно без активного участия испытуемого. «Чтобы эксперимент удался, нам нужно, чтобы человек подумал о красном яблоке шесть раз. Если он в первый раз подумает о красном яблоке, во второй — о зеленом, а в третий — о логотипе Apple, то ничего не получится», — объясняет коллега Джаста Владимир Черкасский.

Критики часто высказывают этические возражения против НКИ. Они беспокоятся, что технология будет использована для улучшения умственных способностей, лишения человека свободы выбора и углубления неравенства между теми, кто имеет доступ к дорогостоящим устройствам, и теми, кто его не имеет. Как и в случае с любым другим изобретением, существует вероятность, что недобросовестные люди используют НКИ во вред другим. Но стоит помнить, что те же трудности сопровождают использование и более привычных технологий, которые несмотря на это распространились достаточно широко — например, анестезии, нейрохирургии и секвенированию ДНК.

Лично я считаю, что возможный вред в будущем перевешивается пользой, которую НКИ приносит уже сейчас.

Современные методы лечения неврологических и психических расстройств при помощи медицинских препаратов и хирургии совершенно неэффективны. Диагностирование таких заболеваний путем мониторинга активности мозга и их лечение при помощи точечного использования электричества — это огромный шаг вперед.

Когда парализованный Натан Коупленд пожал руку президенту Обаме своей роботизированной кистью, он смог почувствовать это соприкосновение через сенсоры в пальцах протеза, которые передавали импульс электродам в сенсорной коре головного мозга. НКИ может восстанавливать зрение и слух, синтезировать речь, помогать в лечении зависимостей и таких заболеваний, как обсессивно-компульсивное расстройство и болезнь Паркинсона.

Естественно опасаться неизвестного. Для большинства из нас управление сознанием — всего лишь фантазия, но для Коупленда оно стало реальностью, когда ученые вскрыли ему череп и вживили электроды в его мозг. Я встретился с Коуплендом в 2018 году, после того, как импланты были устранены, так как электроды имеют ограниченный срок годности. «Я повторю этот опыт столько раз, сколько мне представится такая возможность», — признался он.

Источник

Сочетание прогнозирующих математических моделей и лабораторных экспериментов, проведенных Международной школой передовых исследований (Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati, SISSA, Италия) пролило свет на несколько механизмов, стоящих за явлением кодирования информации, пишет eurekalert.org.

По словам ученых, наш мозг работает «как книга, в которой отдельные страницы несут небольшие части общего текста, или как группа людей, которые насвистывают очень похожую мелодию». Это феномен «взаимосвязи», при котором отдельные нейроны не всегда действуют как независимые единицы в получении и передаче информации, а часто как группа людей с похожими и одновременными действиями.

Наблюдая за электрической активностью этих клеток в лаборатории, вместе с использованием компьютеризированных математических моделей группа исследователей во главе с профессором Микеле Джулиано из SISSA впервые пролила свет на клеточные механизмы, лежащие в основе этих корреляций. В ходе исследования ученые исследовали возбуждающие нейроны, предназначенные для стимулирования электрической активности других нейронов, и тормозные нейроны, предназначенные для подавления их активности.

«Наше открытие говорит нам, что возбуждающие клетки предпочитают индивидуальность и не обмениваются между собой большим количеством сообщений, в то время как ингибирующие клетки действуют вместе как единое целое. Это позволяет нам добавить новую информацию к пониманию того, как нейроны организуют информацию в мозге. Информация всегда представлена электрической активностью групп клеток», – объясняет профессор Джульяно.

Исследование, поясняют авторы, было проведено с использованием комбинации математических моделей, предназначенных для прогнозирования электрического поведения нейронов, и непосредственных наблюдений, проведенных на нейронах в лаборатории. Это очень интересный комплексный подход по разным причинам.

Джульяно объясняет: «Сопровождение экспериментального открытия теорией усиливает его влияние. Более того, поскольку наши модели максимально просты, мы можем сосредоточить наше понимание на биологических механизмах, а не на описании исключительно их эффекта. Этот подход стоит за текущим прогрессом в нейробиологии и открывает очень интересные направления исследований в области исследований мозга».

Избыточность электрической активности нейронов коры головного мозга, также называемая ко-изменчивостью, известна в течение некоторого времени. Сходство в поведении касается как входных данных, которыми обмениваются нейроны, так и их выходных данных, а именно ответа после входящего сообщения. Пока не совсем известно, «как подобные входы генерируют одинаковые выходы, с точки зрения клеточных механизмов. Поэтому выяснение этих механизмов и изучение того, как различные типы клеток участвуют в этом явлении, является фундаментальным шагом в окончательном понимании сложных цепей мозга».

Джульяно продолжает: «Изучая биофизические характеристики этого явления, мы заметили, что возбуждающие нейроны имеют тенденцию препятствовать избыточности их выходов, возможно, потому что их действие должно быть однозначным и более информативным, учитывая, что их сообщения исходят из коры. Ингибирующие нейроны делают наоборот: эти клетки, как правило, работают вместе, используя эту избыточность для синхронизации и усиления своих эффектов. Мы до сих пор не можем полностью объяснить роль корреляций в мозге, но мы, безусловно, обнаружили, что эти две категории нейронов должны рассматриваться в новом свете: они не идентичны».

Тем не менее, это еще не все.

Джульяно заключает: «Это исследование является наиболее точным экспериментальным подтверждением простой математической теории, которая описывает, как электрическая активность нейронов проявляется и изменяется во времени».

Источник

Ученые выяснили, как наш мозг кодирует речь

Такие люди, как покойный Стивен Хокинг, могут подумать о том, что они хотят сказать, но вот сказать это не могут из-за того, что их мышцы парализованы. Чтобы общаться, они вынуждены использовать устройства, которые реагируют на движение глаз или мышц в щеке, чтобы считывать по одной букве за раз. Увы — этот процесс крайне медленный и неестественный.

Ученые хотят помочь этим полностью парализованным и «запертым в себе» людям общаться более интуитивно, создав нейрокомпьютерный интерфейс (НКИ), чтобы декодировать команды, которые мозг посылает на язык, небо, губы и гортань (артикуляторы, с помощью которых мы говорим). Человек будет просто пытаться произнести слова, а НКИ будет переводить эти мозговые импульсы в речь.

Новые исследования, проведенные Вайнберским колледжем искусств и наук, приблизили ученых к созданию речевых машинных интерфейсов, открыв новую информацию о том, как мозг кодирует речь. Ученые обнаружили, что мозг управляет речью так же, как и контролирует движения рук (кстати, возможно, это еще одна причина того, почему при общении мы часто помогаем себе руками — прим. перев.). Для этого исследователи записали сигналы из двух областей мозга и расшифровали, за что они отвечают. Они выяснили, как мозг представляет обе цели — то, что мы пытаемся сказать (звуки типа «ма», «па», «ба» и т.д.), и отдельные движения, которые мы используем для достижения этого (как мы двигаем своими губами, небом, языком и гортанью). За это отвечают два разных отдела мозга.

«Это может помочь нам создать лучшие речевые декодеры для НКИ, что приблизит нас к нашей цели — помочь парализованным людям снова разговаривать», — сказал ведущий автор исследования Марк Слуцкий, доцент неврологии и физиологии в Северо-Западном университете.

Это открытие может также потенциально помочь людям с другими нарушениями речи, такими как апраксия, которая наблюдается у детей или после инсульта у взрослых. При речевой апраксии человек испытывает трудности с переводом мыслей в разговорную речь.

Как мозг переводит слова в речь

Речь состоит из отдельных звуков, называемых фонемами, которые создаются скоординированными движениями губ, языка, неба и гортани. Однако ученые точно не знали, как именно эти движения, называемые артикуляторными жестами, планируются мозгом. В частности, не было полностью понятно, как кора головного мозга контролирует производство речи и интерпретирует жесты.

«Мы предположили, что речевые моторные области мозга будут иметь организацию, схожую с областями, контролирующими движения рук», — сказал Слуцкий. «Предцентральная кора отвечает за движение губ, языка, неба и гортани, а более высокие уровни коры головного мозга будут отвечать в большей степени за фонемы».

И они, в общем-то, не ошиблись. «Мы изучили два отдела мозга, которые помогают производить речь», — сказал Слуцкий. «Предцентральная кора в большей степени ответственна за жесты, чем за фонемы. Нижняя лобная кора, представляющая собой область для воспроизведения речи более высокого уровня, отвечает и за фонемы, и за жесты».

Расшифровка сигналов головного мозга

Ученые из Северо-западного университета регистрировали сигналы мозга с поверхности коры, используя электроды, размещенные у пациентов, перенесших операцию по удалению опухолей головного мозга. Пациенты должны были бодрствовать во время операции, поэтому исследователи попросили их прочитать слова с экрана.

После операции ученые отмечали время, когда пациенты воспроизводили фонемы и жесты. Затем они использовали записанные сигналы мозга из каждой области коры и сопоставляли их с тем, какие фонемы и жесты использовали пациенты, и измеряли точность расшифровки. Сигналы головного мозга из предцентральной коры лучшим образом совпадали с жестами, чем с фонемами, в то время как сигналы из нижней лобной коры были одинаково хороши для декодировании как фонем, так и жестов. Эта информация помогла подтвердить лингвистические модели речевого производства, а также в будущем поможет инженерам в разработке нейрокомпьютерных интерфейсов для декодирования речи из этих областей мозга.

Следующим шагом для исследователей является разработка алгоритма для НКИ, который мог бы не только расшифровывать жесты, но и объединять их для формирования слов.

Источник

Как кодируется информация

Как кодируется информация

И все-таки нам крайне важно выяснить — каким образом нейронам удается сохранять активность на стадии запоминания без внешних стимулов? Возможно, этот механизм запускают внутренние связи между нейронами.

Другой важный вопрос — какого типа информация кодируется в процессе непрерывной активности? Какая роль отведена этому процессу?

Подобные вопросы возникали и раньше, когда проводились исследования по изучению долговременной памяти. Согласно одной из теорий, определенные нейроны отвечают за специфическую память. Речь идет о так называемой «теории бабушкиных клеток». По этой теории, у нас есть специфическая клетка, которая активируется каждый раз, когда мы видим свою бабушку.

Что касается рабочей памяти, то на этот счет существует теория сенсорной информации, которая передается от тыльных областей мозга к специализированным нейронам лобной доли, и эта теория в чем-то сходна с «теорией бабушкиных клеток». Непрерывная активность специфических нейронов лобной доли, таким образом, позволяет обезьяне запомнить, что она видела точку, расположенную на 90 градусов справа. Активизируясь, близлежащая клетка передает память о точке на 120 градусов справа и так далее. Согласно другой теории, информация о разных стимулах может кодироваться на той же частоте, на которой активизируются нейроны.

Но есть и другие теории, согласно которым информация не всегда считывается благодаря активности нейронов в лобной доле. Определенные нейроны демонстрируют активность рабочей памяти независимо от того, какие стимулы запоминаются. Поскольку они кодируют разные модели чувств, такие как звуковая и визуальная информация, их можно назвать мультимодальными — это своего рода универсальные нейроны[45].

Все эти вопросы могли бы показаться чрезмерно педантичными и академическими, и, возможно, даже не имеющими отношения к теме, если бы не исключительная заинтересованность (в том числе и моя личная) в классификации различных видов нейронов в лобных долях.

Но способ кодирования информации, бесспорно, влияет и на способ организации информационных потоков в мозге. Если разные клетки в лобной доле кодируют разные стимулы, то это свидетельствует о параллельной организации информационного потока.

Схема параллельного и конвергированного потоков информации при активации рабочей памяти

Патриция Голдман-Ракич, которая отстаивала эту модель, утверждала, что рабочая память опирается на параллельные системы, каждая из которых обрабатывает свой тип информации. С другой стороны, если существуют мультимодальные клетки, вовлеченные в рабочую память, то они должны получать информацию от разных сенсорных нейронов в тыловой части мозга, и это уже конвергированный поток информации[46].

Некоторые исследования рабочей памяти все же дают повод для дискуссий о том, как кодируется информация. В одном из экспериментов измерялся уровень мозговой активности, например в процессе запоминания тонов и уровня света — испытуемым предлагалось запомнить и сравнить, насколько ярок свет от лампы сейчас и потом, спустя несколько секунд. Некоторые области мозга активизировались независимо от того, какой тип информации человек запоминал, иными словами, выполняли роль мультимодальных областей рабочей памяти. А это обстоятельство уже противоречит теории Патриции Голдман-Ракич о параллельных системах восприятия разного типа информации[47]. Многие дальнейшие исследования также подтвердили эти выводы.

Как интерпретировать эти данные?

Сам факт, что мы обнаружили определенные области, где конвергируется обработка информации, имеет важные функциональные последствия.

Параллельная организация функций кажется более гибкой и менее уязвимой для сбоев, к тому же она позволяет вмещать большее количество информации. Вспомним многопроцессорные компьютеры, которые превосходят однопроцессорные. А любые стыки и соединения уязвимы и подвержены эффекту «узкого бутылочного горла».

Можно сделать вывод: когда на мозг каменного века обрушивается поток информации, то ограниченный объем рабочей памяти становится серьезной проблемой. Удастся ли нам выяснить, какие факторы ограничивают нашу рабочую память, какую роль в этом процессе играют мультимодальные области мозга? Или, возможно, существует отдельная область мозга, которая ограничивает объем рабочей памяти или нашу способность решать те или иные задачи?

Читайте также

Информация

Информация Поставим небольшой логический опыт.Мы рисуем себе те идеальные условия, которых никогда не может быть (следует всегда помнить о сделанном допущении), они представляют собой наличие абсолютного «ничто», которое только возможно вообразить, в этом «ничто»

Информация

Информация Для большинства слово «информация» во многом остается интуитивным, хотя оно и звучит сегодня повсюду. Единого определения для него (конечно же!) не существует. Когда-то этот термин обозначал просто сведенья, которые передаются людьми устным, письменным или

1.14. Информация

1.14. Информация Второй аспект, который надо учитывать в психосоматике, – это взаимосвязь энергии и информации, изучаемая бионикой[13].Теоретически или экспериментально (в зависимости от собственной интуиции) мы способны понять, что не существует никакого таинственного

Информация

Информация Северо-Кавказский центр промышленной психотерапии, психологии и бизнесаПрезидент М. Е. ЛитвакОРГАНИЗУЕТ семинары для руководителей, на которых они смогут научиться создавать оптимальный психологический климат в коллективе, более эффективно проводить

Информация

Информация Власть информации состоит в том, что она уменьшает неопределенность. Когда вы обладаете информацией, вы можете предсказывать события, а также способствовать или препятствовать их совершению. Если вам недостает информационной власти, вы страдаете от

Материальная информация

Материальная информация Самая первая информация – материальная. Это вообще все, что нас окружает. Это материальный мир как он есть, это цвета, звуки, запахи, касания и т. д. Все, что есть в мире, – это материальная информация.К сожалению, с материальной информацией

Общая информация

Общая информация Статистические данные Истории пробуждают эмоции. Факты дают логическое обоснование. Эмоции в речи гораздо важнее, чем логика. Например, если вам нужно убедить людей, что СПИД – это серьезное заболевание, и призвать их делать пожертвования, история

Информация

Информация Поищи информацию о подобных тренингах в интернете. Благо, это все сейчас могут, и все есть в открытом доступе. Существуют различные форумы и разделы на сайтах. Там же можно посмотреть отзывы. Поищи обратную связь участников, многие оставляют видеоотзывы.

Информация

Информация Информация о тренере должна быть в интернете. Если информации вообще никакой нет – даже не рассматривай кандидатуру. В интернете также должно быть видео с тренером, его фотографии на тренингах. Может быть, у тренера есть сайт – посмотри его. Но все равно,

ПОСЛЕДНЯЯ ИНФОРМАЦИЯ

ПОСЛЕДНЯЯ ИНФОРМАЦИЯ О том, что потеря смысла жизни, нежелание жить, программа самоуничтожения в первую очередь рождаются из-за презрения к другим людям, я узнал, когда смотрел пациентку в Нью-Йорке. Но о том, что презрение к какому-либо сообществу людей гораздо опасней, не

Б) Личная информация

Б) Личная информация Постарайся, как можно больше о себе рассказать именно тут, а не в письмах. Простокогда смотришь на анкету, а из личной информации – только возраст, невольно кажется,что человек что-то скрывает. А мы же не хотим этого, ведь так? Мы же хотим

Источник