Считывающие оптоволоконные нейроинтерфейсы (нейрофотоника) и постсимвольные формы отображения деятельности разума человека (пост

Изображение пользователя А.В.Ганичев

Считывающие оптоволоконные нейроинтерфейсы (нейрофотоника) и постсимвольные формы отображения деятельности разума человека (постсимвольный язык)
ИТ-стратегия модернизации человека и общества (Стратегия Безопасности)

Всякая музыка это звуки, но не всякие звуки это музыка.

Стефен Гроссберг, Центр адаптивных систем и Отдел когнитивных и нейронных систем Бостонского университета
17.04.1997
Наши органы чувств постоянно подвергаются воздействию огромного количества сигналов. Хотя эти сигналы могут действовать независимо друг от друга (как, например, звуковые и зрительные стимулы), сознание способно объединять их в образы и сцены, создавая целостное представление об окружающей реальности. Сочетание дискретности и связности в нашем восприятии обусловлено тем, как мозг обрабатывает информацию о внешних событиях. Заметим, что эта обработка в значительной мере зависит от контекста. Если посмотреть на сложную картину, например, на фотографию человеческого лица, то обычно достаточно одного взгляда, чтобы распознать, что именно изображено на картине, но распознавание может оказаться невозможным, если анализировать изображение, последовательно переходя от одной его частик другой. Такая контекстно-зависимая обработка информации связана с тем, что мозг оперирует с поступающими в него сенсорными сигналами в основном параллельно, а не последовательно.
Зрительные сигналы от наблюдаемой сцены достигают наших глаз обычно одновременно, так что в случае зрительных образов параллельная обработка начинается с сетчатки. С другой стороны, звуки, составляющие слово, поступают в органы слуха последовательно, поэтому для обработки звукового образа в целом он должен быть сначала "записан" в рабочей памяти, предназначенной для кратковременного запоминания информации. Для идентификации знакомых образов мозг сравнивает запись в кратковременной памяти с классами образов, которые хранят в долговременной памяти и содержат информацию о предшествующем опыте, накопленную в результате обучения.
/1 Открытые системы, #04997

Организм для разума есть приемо-передающее устройство, которое имеет биомеханическую систему ввода-вывода и оптическую систему ввода.
Система оптического ввода задействована в деятельности разума через систему биомеханического вывода .
Оснащение организма человека видеовыходом (персональные системы оперативной нейровизуализации) позволяют устранить ассиметрию в оптической системе ввода-вывода.
Система оптического вывода позволяет использовать для отображения деятельности разума цветовые композиции (аналоговые формы отображения).
Таким образом, путем подключения к деятельности разума цветовых зон мозга расширяется ресурсная база разума (операционная система человека) и, соответственно, происходит качественный рост его «вычислительной мощности».
Привязка деятельности разума к цветовым зонам мозга, которые имеют у всех достаточно строгую локализацию, ведет к образованию у разумов индивидов системы цветопередачи («цветовой адаптер»), обеспечивающей точный взваимообмен мыслями между индивидами в практике социального обмена. То есть, обеспечивается взаимопонимание за счет равенства мозговой активности на передающей и приемной сторонах при реагировании на один и тот же цвет, одни и те же цветовые композиции.
Драйверы необходимые для оперирования человеком персональной системой оперативной нейровизуализации и цветовыми композициями в практике социального обмена образуются у разума в процессе пользования.
Необходимое условие для такого использования есть создание «цветового языка».
Эту ситуацию можно сравнить с той, как если бы человечество развивалось при отсутствии у индивидов голосового аппарата, но при наличии слуха, пользуясь «языком рук». Достигнув уровня развития, позволяющего оснастить организмы индивидов электронным нейроаудиовыходом, пользоваться «мыслеуправляемыми» звуковыми композициями в практике социального обмена не было бы возможности, ввиду отсутствия аудиоязыка. «Язык рук» в системах аудиовыхода никак неприменим.
При отсутствии «цветового» языка невозможно использование персональных систем оперативной нейровизуальзации в практике социального обмена, а при отсутствии практики не будет и языка.

Пространственный код для цветного зрения
07.02.2003 Новости Науки
Ученые из Техасской медицинской школы в Хьюстоне считают, что они поняли механизм распознавания цветного изображения мозгом. Исследования проводились, правда, на макаках, однако ученые уверены, что ситуация у человека не должна отличаться принципиально.
Исследователи регистрировали интенсивность кровообращения в специфических группах клеток в процессе показа животным различных цветов. Поток крови менялся в зависимости от цветовой гаммы, на которую смотрели макаки. Пик активности для одного и того же цвета всегда приходился на один и тот же участок мозга, т.е. каждому цвету четко соответствовала одна и та же группа клеток.
В результате исследователям удалось получить что-то типа пространственной карты цветовой палитры. Причем группы клеток, отвечающие за определенный цвет, выстраиваются строго в том же порядке, что и спектр видимого света. Например, участок мозга, на который приходился пик интенсивности кровообращения для красного цвета, располагался рядом с пиком оранжевого цвета, а тот в свою очередь - рядом с желтым, и так далее.
Экспериментаторы считают, что мозг использует некую пространственную кодировку для распознавания цветов.
Кстати, известно, что отнюдь не все люди видят цвета одинаково, существуют дальтоники, например, или люди, которым сложно отличить темно синий цвет от черного. По всей видимости, тут речь идет о неком дефекте кодировки или размывании граней соседних пиков
atheism.ru›science/science.phtml?id=878

Повышение разрешающей способности неинвазивных персональных систем оперативной нейровизуалзации можно достичь на основе знаний полученных в практике использования оптоволоконных нейроинтерфейсов. Кроме того, развитие нейрофотонных технологий может сделать безопасным и вариант использования инвазивного считывающего оптоволоконного нейроинтерейса.

Нейрофотоника.

Источник(и):
postnauka.ru

Нейрофотоника — это новая область исследований. Она возникла на стыке нескольких наук, и прежде всего здесь речь идет о нейронауках — это науки, которые ставят своей целью понять, как устроена работа мозга, и это оптика, это оптические технологии, то, что мы называем фотоникой. Фотоника — это область науки, которая ставит своей целью попытаться управлять фотонами так же, как мы в электронике можем управлять электронами. То есть, когда мы говорим о нейрофотонике, речь идет об использовании оптических средств, оптических методов, оптических орудий, инструментов, для того чтобы решать задачи, проблемы исследования мозга. Важным методом нейрофотоники является средство оптогенетики — это также составное слово, как говорили герои «Алисы в Зазеркалье», это слово-кошелек, которое если открыть, то получатся две составные части: оптогенетика — оптика и генетика.
В основе методов оптогенетики лежит возможность генетически закодировать формирование искусственных каналов на поверхности мембраны, причем не просто искусственных каналов, а каналов, которые могут управляться светом, которые могут открываться светом. То есть имеется возможность изменения ДНК исследуемого животного таким образом, что мы генетически кодируем формирование каналов, вставляем искусственные каналы в мембрану так, что, освещая этот участок мембраны, мы формируем потенциал действия, нейрон срабатывает. Мы запускаем потенциал действия и таким образом запускаем ответную реакцию, мы можем после этого смотреть, как нейрон, нервная клетка, которую мы запустили, какую роль он играет в более сложных процессах, какую роль он играет в нейронной сети, каким образом он участвует в каких-то эпизодах памяти, обучения. То есть мы можем селективно, локально активировать отдельные нейроны, формирующие сложные сети в мозге.
С другой стороны, у нас есть возможность заставить замолчать нейроны, которые были готовы сформировать потенциал действия и активироваться, мы имеем возможность подавить нейронную активность. Методика такая же: мы доставляем генетически кодируемые искусственные каналы, создающие такое базовое напряжение, которое не позволяет сформироваться потенциалу действия, фактически запирающее напряжение. И очень важно, что мы можем проделывать эти операции с нужной группой нейронов, а не со всеми нейронами головного мозга. Мы можем выделить требуемые группы нейронов — нейроны, которые мы хотим активировать, нейроны, которые мы хотим заставить замолчать, — и таким образом ставить эксперимент. Это совершенно уникальная новая постановка эксперимента, раньше не было возможности таким образом ставить эксперимент.
Оптогенетические технологии развиваются примерно с 2004–2005 года, немного ранее были первые эксперименты, которые показывали возможность развития такой группы методов, но в последнее десятилетие такого рода экспериментальная деятельность развивается особенно активно.
Наша задача как физиков — оптимизировать оптические инструменты, оптические орудия оптогенетических экспериментов.
Мы работаем над тем, что создаем специальные оптические световоды, специальные волокна для доставки излучения, для того чтобы доставлять свет, который инициирует нейроны, активирует нейроны или, наоборот, заставляет нейроны молчать, а также свет, позволяющий нам регистрировать активность отдельных нейронов.
Оптическое волокно позволяет нам подключиться к определенным нейронам и посмотреть, как нейрон реагирует на оптическое возбуждение либо как нейрон, встроенный в сложный когнитивный процесс, участвует в этом процессе. Что нужно, чтобы реализовать такой оптогенетический эксперимент, что нужно, чтобы провести оптогенетический эксперимент с живой, причем не просто с живой, а свободно подвижной мышкой или каким-то более сложным животным? Основное требование связано с тем, что этот эксперимент должен проводиться не просто с живой мышкой, а с мышкой, которая находится в почти естественной среде обитания или даже просто в естественной среде обитания, то есть она должна жить нормальной жизнью. А измерения, если мы хотим исследовать самые сложные процессы обучения, формирования памяти, должны проводиться не в течение короткого времени, а час за часом, день за днем, неделя за неделей, месяц за месяцем. Поэтому ключевым орудием такого эксперимента является оптическое волокно.
В нашей лаборатории нейрофотоники и оптогенетики, которая была создана в отделе нейронаук, руководимом Константином Владимировичем Анохиным, в Национальном исследовательском центре «Курчатовский институт», были разработаны специальные оптоволоконные нейроинтерфейсы. То есть здесь еще одно сложное слово, составное слово — нейроинтерфейс — интерфейс, который позволяет связать лазерное излучение и нейрон или группу нейронов. Мы умеем связывать лазерное излучение с одним нейроном. Мы можем это сделать, потому что мы умеем изготовлять сложные волокна, мы работали над этой технологией достаточно длительное время и научились изготавливать специальные волокна, структура которых может быть очень сложной и в состав которой могут входить очень тонкие отдельные каналы, по которым можно передавать лазерное излучение в виде лучей с очень маленьким поперечным размером. А нейрон — это довольно большая клетка, несколько микронов, поэтому имеется возможность оптически возбуждать отдельные нейроны с помощью специальных волокон. То есть, конечно, не все задачи еще решены, но на принципиальном уровне эта задача решена благодаря нашим исследованиям.
Но это, конечно, не конец истории. Самое важное, что нам удалось достичь, — нам удалось решить проблему долговременных измерений в глубоких областях мозга. Эта задача очень важна для того, чтобы иметь возможность исследовать самые сложные процессы высшей нервной деятельности, такие как обучение, формирование памяти. Для этого необходимо иметь возможность производить измерения в течение длительного времени и желательно с одним и тем же животным. Вообще-то это есть уникальная модальность эксперимента. До того, как нам удалось разработать такие оптоволоконные нейроинтерфейсы, эксперименты этого класса проводились на группе животных, и после определенного времени животное убивалось, и исследовался его мозг, измерялось накопление определенного типа белков, которые служили индикатором накопления знания, памяти. Но после этого было сложно сравнивать результаты, полученные с различными животными, друг с другом, не говоря уж о том, что приходилось убивать много мышек.
Теперь у нас есть возможность, благодаря новому типу оптоволоконных нейроинтерфейсов, разработанных в нашей лаборатории, проводить такие эксперименты с одним животным.
Животное оперируется, и в его мозг имплантируется одна часть такого оптоволоконного нейроинтерфейса. То есть в нужную область мозга вставляется металлический канал, который защищает небольшой участок, небольшой кусочек оптического волокна, и снаружи над черепом мышки остается ответная часть, оптоволоконный коннектор, и всякий раз, когда нам нужно выполнить измерения согласно протоколу наших исследований, мы используем измерительную часть волокна, подключая ее к стандартному разъему, стандартному коннектору, и снимаем нужный сигнал. Это волокно служит для доставки возбуждающего излучения и для сбора оптического сигнала из мозга. Таким образом, мы имеем возможность опрашивать оптическим образом различные участки мозга, получая информацию о том, в каком функциональном состоянии они находятся. Мы теперь можем это делать, производя измерения в течение длительного времени, обращаясь к одной и той же группе нейронов, в пределе к одному и тому же нейрону. Используя весь арсенал методов оптогенетики, мы сможем возбуждать определенные отдельные клетки или группу нейронов либо подавлять их активность, производя оптические измерения.
На настоящий момент мы научились проводить операции над мышками таким образом, что прооперированные мышки не только в смысле своих обычных параметров, таких как температура, вес тела, но и в смысле своего поведенческого отклика никак не отличаются от нормальных мышек. Мы специально это проверяли, были специально выполнены поведенческие стандартные тесты, которые показывают, что прооперированные мышки, мышки с имплантированным коннектором, частью оптоволоконного интерфейса, никак не отличаются в смысле поведения от нормальных мышек, которых никто не оперировал. То есть можно выполнять такие эксперименты, и мы уже выполнили первые эксперименты, показав, как работают различные части мозга.
Конечно, важно видеть большую картину, важно видеть общую картину того, как можно использовать результаты этих исследований, как можно использовать эти новые средства эксперимента в области нейронаук. Прежде всего, основная задача наших исследований — дать в руки нейробиологов новые мощные оптические средства эксперимента для решения фундаментальных проблем мозга, для того чтобы понимать фундаментальные проблемы формирования памяти, обучения. Конечным приложением таких методов также можно себе представить новые методы лечения нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона. С помощью оптических волокон мы можем достигать глубоких слоев мозга. Уже сейчас мы видим, как, подключаясь к определенным нужным областям мозга, мы можем стимулировать определенного типа поведенческий отклик у мышки. То есть, включая свет, мы можем заставлять мышку бежать, например, в левую сторону или, подключившись к другой области, возбуждая другую область моторной коры, можем заставлять ее бежать в противоположную сторону. Можно себе представить группу методов, оптических методов, которые позволят лечить психические расстройства путем стимулирования глубоких слоев мозга. В настоящее время методы стимулирования глубоких слоев мозга используются как методы лечения, как способ лечения психических расстройств, таких как депрессия, например.
В будущем, мы надеемся, можно будет использовать оптические методы, чтобы снизить степень травматизма в момент лечения, в момент введения зонда — в данном случае оптического волокна — в мозг. При этом степень травматизма по сравнению с лечением с помощью электрофизиологических зондов, конечно, будет существенно снижена, потому что волокно может быть сделано гораздо более тонким. Конечно, мы одним из приложений видим возможность включения наших оптоволоконных нейроинтерфейсов в процесс диагностики восстановления больных после различного рода нейротравм.
Автор: Алексей Желтиков

доктор физико-математических наук, профессор кафедры общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ им. Ломоносова, руководитель исследовательской группы «Передовая фотоника» Российского квантового центра
Источник(и):
postnauka.ru

О наличии перспективы создания человеком постсимвольного языка можно судить по следующей заметке:

Австралийские роботы сами придумали себе язык
Пара разговаривающих роботов, изначально не обладавшая никаким языком для общения между собой, сама выработала его в ходе взаимодействия. Дроиды постепенно договорились и определили что, к примеру, слово «jaya» означает «в центре комнаты».
Забавный эксперимент провели Рут Шульц (Ruth Schulz) и её коллеги из университета Квинсленда. Они исследовали процесс формирования языка с нуля на примере двух машин. Проект получил имя «Лингодроиды» (Lingodroids).
По информации Discovery, машины обследовали небольшую территорию, используя камеры, лазерные дальномеры и сонары. В ходе разведки роботы придумывали слова для обозначения тех или иных участков местности.
Сперва этих слов не существовало вовсе. Каждый робот составлял их наугад, комбинируя слоги в случайном порядке.
Когда два аппарата встречались в одном месте, первый из них, уже открывший этот участок, произносил его название вслух, а второй — понимал, что ему хотят сказать. Далее аналогичным образом словарный запас постоянно общающихся машин рос и пополнялся терминами, означающими направления и даже расстояния.
Укреплялся этот язык при помощи игр. Скажем, один робот произносил «kuzo», а затем оба спешили туда, где, как они думали, и есть «kuzo». Если две машины встречались в одной точке или неподалёку друг от друга, этот успех укреплял связь между словом и местоположением.
После нескольких сотен игр роботы согласовали направления с точностью до 10 градусов и расстояния в пределах 0,38 метра.
Используя изобретённый ими язык и личный опыт, роботы построили каждый свою карту местности, в том числе участков, которые они не могли достичь. И карты эти оказались очень похожи друг на друга. При этом если какая-то часть их крошечного мира оказывалась за дверью, она тоже получала название и впоследствии, когда дверь открывали, один робот мог попросить второго отправиться туда и напарник верно интерпретировал, что от него хотят.

Мир «Лингодроидов» (слева) и придуманные ими слова, означающие направления (верхняя правая схема) и удалённость выбранной точки от центра. К примеру, «vupe hiza» означает «не очень далеко на восток». Внизу — карты путешествий и лексиконы двух дроидов. Видно, что границы применимости топонимов у них близки, а значит, машины научились понимать друг друга и согласовали свои выдуманные словари (иллюстрации Ruth Schulz, University of Queensland).
В будущем учёные намерены подтолкнуть «Лингодроидов» к усложнению языка с тем, чтобы они научились объяснять один другому — как добраться до указанной точки или смогли характеризовать доступность места.
По словам австралийцев, этот эксперимент послужит платформой для исследования когнитивных процессов, связанных с представлением знаний, планированием, развитием языка, привязкой символов к предметам и воображением. А такие исследования помогут совершенствовать средства общения роботов между собой и с людьми.
Результаты опыта (PDF-документ) его авторы представили в середине мая в Шанхае на конференции по робототехнике.
Источник: http://www.membrana.ru/particle/16168