Как происходит передача информации от рецептора в мозг! Как работает мозг человека (краткий ликбез) Регенерация нервной системы после травмы.
При этом, несмотря на доли секунды задержки, реализованный учеными интерфейс мозг-компьютер-интернет-компьютер-мозг, позволил одному человеку управлять движениями другого человека. В связи с тем, что данные работы проводятся под эгидой Исследовательского управления армии США (Army Research Office), совершенно неудивительно, что в последней демонстрации использовалась игра-стрелялка и выполнялась имитация действий с взрывными устройствами. Американские военные видят в такой технологии возможность при помощи прямой информационной передачи обойти языковый барьер и различия в опыте между двумя людьми, которым требуется совместными усилиями выполнить некоторую, возможно опасную, работу.
Первая демонстрация работоспособности этой системы была проведена в прошлом году. А нынешняя демонстрация не только подтвердила работоспособность самой идеи, но и показала некоторые расширенные ее возможности. Как и раньше, один из участников, тот, который дистанционно управляет действиями другого человека, одевает ЭЭГ-датчики, при помощи которых компьютер считывает картины мозговой деятельности определенных участков мозга. Эти данные оцифровываются и передаются через Интернет другому компьютеру, который выполняет всю последовательность в обратном порядке. Второй человек, исполнитель, находится под воздействием магнитного поля, индуцируемого катушкой, направленной в область мозга, которая управляет движениями рук. Человек-оператор может послать команду другому человеку и для этого ему не нужно даже двигаться, ему достаточно только представить себе, будто бы он двигает своей рукой. Человек-исполнитель получает команды извне при помощи технологии трансчерепного магнитного возбуждения и его руки движутся независимо от его сознания.
В своих экспериментах исследователи проверили работоспособность системы на трех парах участников. Оператор и исполнитель всегда находились в двух зданиях, расстояние между которыми было равно 1.5 километрам и между которыми была проложена только одна линия цифровой связи. «Первый оператор был задействован в компьютерной игре, в которой он должен был защитить город от нападения, используя оружие различных типов и сбивая ракеты, запускаемые неприятелем. При этом, он был полностью лишен возможности физического воздействия на игровой процесс. Единственный способ, которым оператор мог играть в игру, заключался в мысленном управлении движениями своих рук и пальцев, - пишут исследователи из Вашингтона. - Точность игры от пары к паре различалась весьма сильно и составляла от 25 до 83 процентов. А самый большой уровень ошибок пришелся на долю ошибки выполнения команды „огонь“».
В настоящее время исследователи получили грант в размере миллиона долларов от фонда W. M. Keck Foundation, благодаря которому они смогут продолжить и расширить область своих исследований. В рамках нового этапа исследователи собираются научиться расшифровывать и передавать более сложные мозговые процессы, расширить количество типов передаваемой информации, что позволит реализовать передачу понятий, мыслей и правил. Благодаря этому, по крайней мере на это рассчитывают ученые, станет возможной реализация в недалеком будущем таких фантастических технологий, при помощи которых, к примеру, блестящие ученые смогут передавать ученикам свои знания напрямую, или виртуозные музыканты или хирурги смогут дистанционно производить операции, действуя руками других людей.
Коллектив ученых из Испании, Франции и Англии сообщил о завершении первого в истории эксперимента по передаче сигнала между сознаниями двух людей при помощи исключительно неинвазивных технологий. Сигнал, состоящий из 140 битов информации, удалось передать из Индии во Францию через интернет. Работа опубликована в PLOS One .
Общая схема эксперимента. Изображение: статья в PLOS one |
В основе эксперимента лежали интерфейсы «мозг-компьютер» (BCI) и «компьютер-мозг» (CBI), сигнал передавался через интернет. В качестве сообщения в конечном счете выступило слово «hola» - «привет» на испанском (и каталонском). Для кодирования использовали шифр Бэкона , использующий 5 битов на букву. Слово передавали 7 раз для набора достаточной статистики, таким образом итоговое сообщение было длиной 140 бит.
Интерфейс «мозг-компьютер» ученые моделировали следующим образом: для кодирования «0» человек-«передатчик» шевелил ступней, для «1» - ладонью. Снимая электроэнцефалограмму с областей коры головного мозга, отвечающих за эти движения, компьютер получил передаваемое сообщение в виде двоичных битов.
С интерфейсом «компьютер-мозг» все обстояло сложнее. На голове человека-«приемника» находили визуальный центр коры головного мозга, при стимуляции которого возникало явление фосфенов - зрительных ощущений, возникающих без информации с глаза. Наличие такого ощущения кодировало «1», отсутствие - «0».
В качестве передающих и принимающих сторон выступали четверо добровольцев возрастом 28-50 лет. Для итогового эксперимента сигнал передавали из Индии во Францию. Для того, чтобы исключить помехи, возникающие от органов чувств, человеку-«приемника» надевали на глаза светонепроницаемую маску, а в уши помещали затычки. Чтобы исключить возможность отгадывания закодированного слова, последовательность сначала дополнительно кодировали для получения псевдослучайного кода, который после передачи подвергали дешифровке для восстановления исходного сообщения.
В результате эксперимента удалось передать 140 битов информации с долей ошибки 4%. Для сравнения, чтобы убедиться, что этот результат статистически значим: вероятность угадать все 140 символов подряд составляет меньше 10 -22 , а чтобы угадать хотя бы 80% из 140 символов - меньше 10 -13 . Таким образом, по мнению ученых, в самом деле имела место прямая передача сигнала от мозга к мозгу.
Новизна и значимость данный работы происходят из того факта, что до сих пор все подобные эксперименты или ограничивались одним из двух интерфейсов, или проводились над лабораторными животными, или включали в себя инвазивные процедуры по вживлению датчиков в живой организм. В данной работе ученым впервые удалось реализовать неинвазивную передачу от человека к человеку.
Здесьтакже речь будет идти об информации. Но чтобы не запутаться в разных интерпретациях одно-го и того же слова, давайте сразу четко определимся, о какой информации будет идти речьИтак, мозг способен фиксировать только связи. Этот вид информации (связи) мозг запоминает. Процесс, с помощью которого он это делает, называется процессом «Память».Но мы привыкли называть информацией и то, что мозг запоминать не умеет. Это реально сущест-вующие объекты окружающего нас мира. Это все то, что нам приходится учить в школе или институте.Именно об этой информации мы сейчас поговорим. Разберемся, как мозг реагирует на реальные объекты, на текстовую информацию, и на совершенно особенный вид информации — знаковую (или точную) информацию.Перечисленные виды информации — реальные объекты, тексты, телефонные номера (и подобные им сведения) мозг запоминать не умеет. Но опыт подсказывает, что все-таки мы может кое-что вспомнить из выше перечисленного. Как же происходит запоминание и воспроизведение таких сведений?
1. ОБРАЗЫ 2. ТЕКСТОВАЯ ИНФОРМАЦИЯ 3. ЗНАКОВАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Сначала проанализируем реакцию мозга на реально существующие объекты. Как мозг ухитряется воспроизводить их, если никто из исследователей не может обнаружить зрительных образов в головном мозге? Природа поступила очень хитро. Любой реально существующий объект имеет внутренние связи. Мозг способен эти связи выявлять и запоминать. Вы никогда не задумывались, а зачем, собственно, челове-ку несколько органов чувств? Почему мы умеем улавливать запахи, ощущать вкус, видеть предмет и слы-шать его (если он испускает звуки)?Реально существующий объект излучает в пространство физические и химические сигналы. Это от-раженный от него или испускаемый им свет, это всякие вибрации воздуха, объект может иметь вкус, и мо-лекулы этого объекта могут отлетать далеко от него. Если бы у человека был всего один орган чувств, то система памяти мозга, фиксирующая связи, не смогла бы ничего запомнить. Но одно общее информацион-ное поле от объекта разбивается нашим мозгом на несколько составляющих. Информация поступает в мозг по разным каналам восприятия. Зрительный анализатор передает очертания объекта (пусть это будет ябло-ко). Слуховой анализатор воспринимает звуки, издаваемые объектом: когда вы раскусываете яблоко разда-ется характерный хруст. Вкусовой анализатор воспринимает вкус. Нос за несколько метров способен уло-вить молекулы, испускаемые спелыми яблоками. Часть информации об объекте может поступить в мозг че-рез руки (осязание).В результате разбиения информации об объекте на части, мозг получает возможность образовать связи. И эти связи образуются естественным путем. Все, что находится в сознании в один момент времени — связывается, то есть запоминается. В результате, пока мы изучаем яблоко, пока рассматриваем его, крутим в руках, пробуем на вкус, мозг выделяет разные характеристики этого природного объекта и автоматически образует связи между ними.Ни одна из характеристик сама по себе не запоминается. Запоминаются только связи. В дальнейшем, когда наш нос унюхает запах яблок — то есть в мозг поступит стимул — сработают ранее образованные связи и мозг создаст в нашем сознании другие характеристики данного объекта. Мы вспомним целостный образ яблока.Механизм естественного запоминания настолько очевиден, что даже странно об этом говорить. Такой способ запоминания дает нам возможность УЗНАВАТЬ объекты окружающего нас мира лишь по малой части информации о них.
Особая организация работы нервной системы человека даёт возможность ощущать и воспринимать объективный мир. С мозгом связаны все органы чувств. Каждый орган чувства реагирует на стимулы определённой модальности:Органы зрения на световое воздействие,
Органы слуха на волновые колебания воздуха,
Органы осязания на механическое воздействие,
Органы вкуса на химическое воздействие в области рта,
Органы обоняния на химическое воздействие в области носа.
Чтобы мозг отреагировал на раздражитель, в каждой сенсорной модальности сначала должно произойти преобразование соответствующей физической энергии в электрические. Далее эти сигналы - каждый своим путём - следуют в мозг. Данный процесс перевода физической энергии в электрическую осуществляют специальные клетки в органах чувств, называемые рецепторами.
Зрительные рецепторы расположены тонким слоем на внутренней стороне глаза. В каждом зрительном рецепторе есть химическое вещество, реагирующее на свет, и эта реакция запускает ряд событий, в результате которых возникает нервный импульс.
Слуховые рецепторы это тонкие волосяные клетки, расположенные глубоко в ухе. Вибрации воздуха изгибают эти волосяные клетки, в результате чего и возникает нервный импульс.
Подобные "хитрости" природа придумала и для других сенсорных модальностей.
Рецептор это нейрон, то есть нервная клетка, хотя и специализированная. Возбуждённый рецептор посылает электрический сигнал промежуточным нейронам. Те - в рецептивную зону коры головного мозга. У каждой сенсорной модальности имеется своя рецептивная зона.
В рецептивной или иной зоне коры возникает уже осознанное переживание ощущения. Мозг и сознание воспринимают не только воздействие раздражителя, но и ряд характеристик раздражителя, например интенсивность воздействия.
Чем больше интенсивность воздействия, тем выше частота нервных импульсов - таким образом природа закодировала это соответствие. Чем выше частота нервных импульсов - тем больше воспринимаемая интенсивность стимула мозгом и сознанием.
Для более точной спецификации сигнала (например какого цвета свет, или какого вкуса еда) существуют специфичные нейроны (один нейрон передаёт информацию о синем цвете, другой о зелёном, третий о кислой еде, четвёртый о солёной...).
В звуковом восприятии особенности ощущения могут кодироваться формой электрического сигнала, поступающего в мозг. Если форма сигнала близка к синусоиде, этот звук нам приятен.
