Gehirn lesen und neu schreiben

Gehirn lesen und neu schreiben

Römischer Fischmann
"Popular Mechanics" №9, 2017

Merken Sie sich dieses Datum: Forscher der Technologischen Universität Toyohashi versprechen, dass in fünf Jahren – bereits 2022 – ein Arbeitsgerät und eine mobile Anwendung zum Lesen von Gedanken und Erinnerungen erscheinen. Und wo liest man – gibt es einen Rekord?

Es gibt durchaus verständliche Gründe für die optimistische Prognose von Professor Tsuneo Nitta. Im Frühjahr 2017 zeigte sein Team ein System, das die elektrische Aktivität von Gehirnzellen abliest und dabei eine vom Menschen entworfene Zahl oder ein einsilbiges Wort rät. Ein Jahr zuvor hatten ihre amerikanischen Kollegen gelernt, wie man das Bild eines Menschen, ein Bild einer Person oder zu Hause, durch Stimulation der Neuronen seines visuellen Kortex bestimmt. All dies wurde möglich dank der Verbesserung der alten Methoden der Aufzeichnung der Aktivität von Gehirnzellen und neuer Ansätze zur Interpretation dieser "verrauschten" Daten.

Tatsächlich sind unsere Gedanken, Erinnerungen und Träume nicht greifbar, aber sie haben ein materielles Substrat. Grundlage der im Gehirn ablaufenden Prozesse sind koordinierte Erregungen neuronaler Muster, Aktivitätsausbrüche in Zellensembles. Durch das Lernen und Sammeln von Erfahrungen baut das Gehirn diese Muster auf, schafft und stärkt einige Verbindungen, schwächt und entfernt andere.Die Sprünge ihrer elektrischen Aktivität können gemessen werden, und indem mehr oder weniger stabile Muster von Zellen gefunden werden, die zusammen "blinken", können sie erkannt werden. Vom ersten Schritt an warten jedoch Schwierigkeiten auf uns …

Die Maschine lernt zu lesen

Entwickler lehren künstliche Intelligenz, um die Aktivität von neuronalen Mustern zu interpretieren, die mit der Wahrnehmung von Bildern verbunden sind. Wenn das Training abgeschlossen ist, kann das System sogar auf Objekte überprüft werden, die ihm bisher nicht vertraut sind.

Messen

Der genaueste Weg, um die Aktivität von Neuronen herauszufinden, ist, dünne Elektroden direkt zu ihnen zu bringen. So handelten die Pioniere der Hirnforschung, so arbeiten Wissenschaftler heute noch, nur dass die Sensoren kleiner und empfindlicher geworden sind und vor allem mehr geworden sind. Anordnungen von Zehntausenden von Mikroelektroden registrieren sofort die Anregung mit der Auflösung zu einzelnen Zellen. Sie sind es, die durch die Aktivität der Neuronen des visuellen Cortex seines Gehirns feststellen können, ob eine Person ein Haus oder eine Person sieht. Und Mikhail Lebedev und seine Kollegen aus der Gruppe von Professor Miguel Nicholas implantierten Elektroden in den motorischen Kortex des Affen, entschlüsselten seine Befehle und übertrugen sie auf einen Roboterarm, so dass das Tier lernte, eine Banane damit zu greifen.Großartig – wenn nicht für eine Sache.

Michail Lebedew experimentierte mit Makaken; In Experimenten mit dem visuellen Kortex wurden Patienten mit Epilepsie, die sich einer Operation unterziehen mussten, eingesetzt. Es ist unwahrscheinlich, dass eine Person in seinem besten Bewusstsein einem solch gefährlichen Eingriff nur dann zustimmen würde, wenn jemand Elektroden in sein Gehirn implantiert hätte. Glücklicherweise gibt es nicht-invasive Ansätze, um die Aktivität neuronaler Muster zu messen. Am beliebtesten ist die Elektroenzephalographie (EEG), deren Elektroden auf der Kopfhaut liegen. Das Ergebnis ist nicht so genau, aber sie erfordern keine riskanten Manipulationen am offenen Gehirn.

Beide Methoden arbeiten nur für Prozesse, die oberflächlich unterhalb der Hirnoberfläche ablaufen. Sie können es in seiner Gesamtheit mit Tomographie sehen, und es wird oft von Wissenschaftlern verwendet. Aber für das tägliche "Gedankenlesen" ist dies ein langer und umständlicher Weg. Darüber hinaus interessieren uns genau die oberen Schichten, in denen die höchsten Funktionen lokalisiert sind: Die neugierigsten liegen an der Oberfläche, auf die das EEG und die Elektroden zugreifen können. Diese Daten bleiben …

Erkennen

Die Eigenschaften von EEG beim Menschen sind einzigartig, wie Fingerabdrücke: Sie können verwendet werden, um das Individuum zu identifizieren.Muster neuronaler Aktivität in verschiedenen Menschen sind nur im Allgemeinen ähnlich, und die Details werden im Prozess der Entwicklung des Gehirns und der Akkumulation von Erfahrung gebildet. In den letzten Jahren hat die KI jedoch gelernt, gemeinsame Muster in den Mustern der Gehirnaktivität zu finden, die dem einen oder anderen Bild entsprechen.

Erst kürzlich, im Sommer 2017, erlaubte KI den Wissenschaftlern, die Details eines menschlichen Gesichts ganz genau wiederherzustellen. Das Foto wurde einem Affen mit Mikroelektroden in den visuellen Bereichen des Gehirns präsentiert. Es ist nur notwendig, die Maschine auf einer ausreichend großen Stichprobe der Ausgangsdaten zu trainieren, so dass der Computer sie nach und nach selbständig, besser und besser unterscheiden kann.

Es gibt keinen grundsätzlichen Unterschied zwischen der Organisation von Mustern im motorischen Kortex oder dem visuellen Kortex, nur die Details der Darstellung von Informationen durch verschiedene Gehirnsysteme ändern sich. Eine andere Sache sind individuelle Unterschiede, aufgrund derer der Algorithmus vorläufig auf die Daten derselben Person trainiert werden muss, deren Gedanken wir lesen werden. Es besteht jedoch die Hoffnung, dass dieses Problem dank der rasanten Entwicklung der künstlichen Intelligenz gelöst werden kann und der Computer in der Lage sein wird, mit dem Gehirn eines Fremden zu arbeiten, seine Gedanken und sogar diese zu lesen …

Neu schreiben

Die Aktivität neuronaler Ensembles kann nicht nur registriert, sondern auch verändert und sogar künstlich erzeugt werden. Professor Brian Wiltgen von der University of California, Davis, beeinflusste Erinnerungen, indem er die Erregung bestimmter Zellen im Hippocampus unterdrückte. Stimuliert in Mäusen wurden die unangenehmen Erfahrungen geschwächt und verschwanden vollständig aus dem Gedächtnis. Das umgekehrte Problem ist ebenfalls möglich: Die punktgenaue Anregung von Neuronen ermöglichte die Wiederherstellung verlorener Erinnerungen bei Tieren mit einem Analogon der menschlichen Alzheimer-Krankheit. Leider ist der hier angewandte Ansatz – die Optogenetik – nicht wieder für Menschen geeignet: Um Neuronen zu erregen, werden Gene lichtempfindlicher Proteine ​​in diese eingeführt und dann durch ein kleines "Fenster" im Schädel mit einem Laser bestrahlt.

Aber in diesem Fall gibt es neben der invasiven Methode eine völlig sichere Alternative. Transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist eine Technik, im großen und ganzen, reverse EEG. Nervenzellen werden erregt, indem sie mit einem Magnetfeld stimuliert werden, das durch Elektroden am Schädel erzeugt wird. Joel Wass von der Northwestern University und Kollegen haben bereits gezeigt, dass TMS-Effekte auf den Hippocampus Gedächtnis anregen und Patienten derselben Alzheimer-Krankheit helfen.Es bleibt nur zu warten auf die Verbesserung dieser Methode: Wenn es Ihnen erlaubt, einzelne Neuronen gezielt zu beeinflussen, wird es in der Tasche sein. Oder nicht? Schließlich müssen wir, selbst wenn wir ein Werkzeug für das "Umschreiben des Gehirns" in unsere eigenen Hände bekommen haben, formulieren, was und wie genau wir es ändern wollen. Und dafür braucht das Gehirn …

Zu verstehen

Basierend auf dem Wissen einiger neuraler Muster können wir nicht vorhersagen, wie andere aussehen werden. In den Worten von Michail Lebedew, "das Lesen von Gedanken ist nur möglich, wenn es ein Gedanke zu einem vorgegebenen Thema ist" – sei es eine Person, eine Figur oder eine versteckte Karte aus einem Deck. Aber nehmen wir an, dass in Zukunft fortschrittlichere Algorithmen das lernen werden. Stellen Sie sich vor, das Gerät, das Professor Nitta in fünf Jahren versprochen hat, zeigt auf dem Bildschirm eine Reihe von Bildern: hier ist etwas Blau, hier ist die Figur eines Klassenkameraden, der Geruch von Regen … Was sagt uns dieses Set über die Gefühle und Gefühle eines Menschen? Wie stellt man einen ganzheitlichen Gedanken zusammen? Um dies zu tun, müssen Sie die gesamte persönliche Erfahrung einer Person "lesen" und interpretieren und vor allem verstehen, was das Denken selbst ist und wie es aus einer Reihe von neuronalen Mustern besteht. Offensichtlich muss die Technologie des "Lesens und Umschreibens des Gehirns" länger warten, als japanische Wissenschaftler hoffen.

Mikhail Lebedew, Forscher, Duke University Neuro-Engineering Center:

"Der Fortschritt in der Gehirn-Computer-Schnittstelle ist wirklich beeindruckend. Es ist der Erfolg bei der Aufzeichnung von Gehirnaktivität, sowohl invasiv und nicht-invasiv, und verbesserte Decodierung, und die Auswirkungen auf das Gehirn der elektrischen, magnetischen und optogenetischen Stimulation. Der Tag ist nicht weit davon entfernt Technologien werden überall angewendet: zum Beispiel, statt eine Pille für Kopfschmerzen zu schlucken, werden Sie ein stimulierendes Raster anwenden – und Sie werden ein ähnliches Raster bei einem Symphoniekonzert tragen, um Ihre Wahrnehmung zu lesen Musik und die emotionalen Bereiche des Gehirns stimulieren. Aber in erster Linie neurointerfaces werden in Kliniken eingesetzt werden, wo sie für die Behandlung von neurologischen Läsionen und psychiatrischen Erkrankungen verwendet werden. "


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