ІОП "ТЕХНОЛОГІЇ ДИСТАНЦІЙНОЇ ОСВІТИ"
Вторник, 25.07.2017, 12:50
Меню порталу
Категории раздела
Дослідження з питань впровадження ДО [53]
Технології дистанційної освіти, інноваційні методи навчання, ІКТ в ВНЗ
Фізико-технічні дослідження [7]
мікро-, нано-, оптоелектроніка; акустика; технічна електроніка
Гуманітарні дослідження [2]
Філософія державного управління, соціокультурні дослідження
Розвиток творчості [11]
Методика преподавания естественнонаучных дисциплин [2]
Наше опитування
Ви:
Всего ответов: 32
Корисні посилання
Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Міністерство України у справах сім'ї, молоді та спорту

НАН України

Державний департамент інтелектуальної власності

Луганська облдержадміністрація

Управління у справах сім'ї, молоді та спорту Луганської облдержадміністрації

Луганська обласна рада

Державна соціальна служба для сім'ї, дітей та молоді

Президент України

Урядовий портал

Верховна Рада України

Електронні інформаційні ресурси Національної бібліотеки ім. Вернадського

Пошук поштових відправлень

Українські свята
Праздники Украины
Статистика



Украина онлайн
Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
Главная » Статьи » Фізико-технічні дослідження

Воронкин А.С. Современные предпосылки создания нейроинтерфейсов

Известно, что во время мыслительного процесса человек в своем сознании выбирает самые оптимальные решения. Они выбираются из всего возможного количества набора вариантов решений, которые накоплены, сформированы и упорядочены на основе прожитого им жизненного опыта в памяти мозга.

Информационной емкости коры головного мозга достаточно для хранения лишь 1% от общего потока информации, проходящего через мозг человека.

Все ныне существующие представления и гипотезы о нейрофизиологических основах памяти не являются до конца изученными и доказанными.

Искусственный интеллект – это одна из новейших областей науки. Первые работы в этой области начались после II-ой мировой войны, а само ее название было предложено в 1956 году.

Проблеме нервного импульса посвящена обширная литература. Уже в XVII в. считалось, что нервные волокна служат каналами передачи информации от головного мозга к мышцам. Относительно природы носителя информации высказывались различные предположения, которые отражали уровень научных представлений каждой эпохи.

Нелинейность электрической цепи живой ткани была обна­ружена В. А. Петровым в 1935г. [1]. Основные научные представления нейробиологии об электриче­ской возбудимости мембраны нервной клетки формировались на основе результатов экспериментальных исследо­ваний мембран методом фиксации потенциала. Этот метод впервые применил Коул в 1949 г., а развили его Ходжкин, Хаксли и Катц. Коул впервые (1939г.) вместе с Кертисом обнаружили резкое падение электросопротивления мембраны нервного волокна в момент действия нервного импульса. Электрические модели процессов возбудимости, разработанные Коулом и многими другими авторами, представлены различными комбинациями активных сопротивлений емкостей и источников. Следует отметить, что широко распространенная в нейробиологии модель Ходжкина-Хаксли не учитывает температур­ную зависимость электропроводимости. Эмпирическая теория моде­ли включает переменные, не имеющие биофизического смысла, и со­средоточивает внимание исследователей на одиночном нервном им­пульсе, опуская информативные нейрочастотные модуляции [1, 2].

Основным структурным элементом нервной системы высших организмов является нейрон, состоящий из тела клетки, от которого отходят многочисленные отростки  дендриты. Один из этих отростков у периферических нейронов намного длиннее других это аксон. Аксоны, как правило, окружены жировой (миелиновой) оболочкой, которая периодически (через 12 мм) прерывается перехватами Ранвье (1 мкм). Миелиновые сегменты играют роль изолирующих муфт, нервное волокно на этих участках аналогично пассивному кабелю. Электрически активна только часть мембраны. Аксон можно представить в виде полой трубки, заполненной раствором электролита. Стенка этой трубки (мембрана аксона) состоит из липидов и белков. В состоянии покоя емкость мембраны составляет ~ 1мкФ/см2.

В одном мм3 мозга находится приблизительно 150 тысяч нейронов. Нейроны взаимодействуют короткими сериями импульсов продолжительностью, как правило, несколько миллисекунд. Частота может изменяться от нескольких единиц до сотен герц, что в миллион раз медленнее, чем быстродействующие цифровые электронные схемы. Тем не менее, сложнейшие задачи распознавания человек решает в течение нескольких сотен миллисекунд.

Итак,  технические  информационные  системы  превосходят  человека  в  скорости  выполнения  формализованных  операций  и  возможности  расширения запоминающих устройств. Преимуществом человека перед ЭВМ  является  более  широкий  диапазон  реализуемых информационных  процессов (особенно  творческих действий или принятие ответственных решений).

Мембрана аксона отделяет внутренний раствор от наружного, имеющего другой состав. Так, внутри высока концентрация ионов калия и мала концентрация ионов натрия и хлора по сравнению с окружающей средой. Внутренность клетки в покое заряжена отрицательно по отношению к внешней среде, и на мембране развивается разность потенциалов приблизительно в 60 мВ.

В 1943 г. У. Маккаллок и У. Питтс создали теорию формальных  нейросетей. Недостатком этой теории была сама модель нейрона – «пороговый» вид активационной функции. Пороговый вид функции не дает нейронной сети достаточную гибкость при обучении и настройке на поставленную задачу. В 1958г. Ф. Розенблат  ввел в модель У. Маккаллока и У. Питтса способность связей к модификации, что сделало ее обучаемой. Эта модель была названа персептроном (искусственным нейроном), которая, впоследствии, и легла в основу принципа построения нейрокомпьютера.

На  вход  искусственного  нейрона  поступает некоторое  множество  сигналов,  каждый  из  которых  является  выходом другого  нейрона.  Каждый  вход  умножается  на  соответствующий  вес синапса,  все  произведения  суммируются, что определяет  уровень  активации  нейрона.

В 1982 году американский биофизик Дж. Хопфилд предложил оригинальную модель нейронной сети. Сеть Дж. Хопфилда имела обратные связи между слоями, что увеличивала ее обобщающие свойства (такие сети нашли широкое применение при распознавании образов). В этом же году японские ученые начали работу по специальному проекту, главной целью которого было создание компьютера с процессором на основе элементов нервной системы.

В первых экспериментах по созданию интерфейсов между живыми нейронами и микросхемами, которые были проведены в лаборатории Питера Фромгерца (Max Planck Institute for Biochemistry, 1985), были сделаны попытки зарегистрировать активность отдельного нейрона пиявки при помощи транзистора.

Нервные импульсы человека передаются по очень сложным биологическим конструкциям (например, в берцовом нерве насчитывается более 50 тысяч нервных волокон). Исследованиями установлено, что нейроны весьма чувствительны к поляризационным токам. Используя эффект поляризации, с ними можно установить двухстороннюю связь. Например, электрическое поле поляризует мембрану нейрона, заставляя открываться и закрываться ионные каналы, управляемые чувствительными к электрическому полю белками. Этот эффект обнаружен в 1999 году в Институте им. Макса Планка. Нейрон крысы диаметром около 20 мкм размещался на матрице транзисторов, покрытых слоем диоксида кремния Затем матрица с нейроном помещалась в раствор электролита. Диоксид кремния оказался хорошо совместимым с живой клеткой – нейрон культивировался на поверхности чипа in vitro в течениетрех дней и взаимодействовал с транзисторами [3].

В 2005г. исследователи из Университета Калифорнии совместили с кремниевыми чипами живые клетки сердца крысы. Сотрудники университета Висконсина разработали технологию захвата электрическим током бактерий bacillus mycoides и их перемещения в определенные позиции на поверхности микросхемы. При этом микроорганизмы соединяли электроды между собой, образуя живой проводник. В 2006г. в Падуанском университете (Италия) была сконструирована микросхема со встроенными клетками мозга. Нейрочип размером около миллиметра содержал 16 384 транзистора, к которым специальными белками были прикреплены отростки нейронов.

В настоящий момент ученые не решили окончательно вопрос, какие программные функции выполняет нейрон. Анализ механизмов деятельности нервной системы, обеспечивающих приспособительное (адаптивное) поведение организма приведен в [4].

Уже созданы отдельные нейронные цепи, управляемые микроэлектроникой. Активно разрабатываются адаптивные информационные системы, технически характеризуемые многопроцессорностью.

Можно утверждать, что существуют все предпосылки создания электронных матриц, на которых нейронные сети смогут расти и развиваться, изменяя свою структуру по сигналам, поступающим от микроэлектронных устройств. Дальнейшая интеграция живых нейроструктур в современную микро- и наноэлектронику (молекулярную электронику [5]) станет настоящим прорывом биоэлектроники. Появится возможность заменять поврежденные участки мозга кремниевыми чипами – искусственными нейронными сетями.


Список литературы

  1. Богданов Г. Б. Метрология экстрасенсорики / Г. Б. Богданов. – Киев: Информационно-издательское агенство «Украина», 1991. 78с.
  2. Костюк П. Механизмы электрической возбудимости нервной клетки / О. Крышталь, П. Костюк. – М.: Наука, 1981. – 205 с.
  3. Max Planck Institute of Biochemistry in Martinsried, Department of Membrane and Neurophysics. Neuroelectronic Interfacing.
  4. У. Росс Эшби. Конструкция мозга. Происхождение адаптивного поведения / У. Росс Эшби. – М. : Изд-во иностранной лит-ры, 1962. – 397с.
  5. Introduction to Molecular Electronics / ed. by M. C. Petty, M. R. Bryce, G. D. Bloor. – London: Oxford University Press, 1995. – 367 p.
Категория: Фізико-технічні дослідження | Добавил: voronkin (29.10.2010) | Автор: Воронкин Алексей Сергеевич E
Просмотров: 807 | Рейтинг: 5.0/1
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Форма входа
RSS-новини
Пошук
Друзі порталу
Вища школа
ІОП "Технології дистанційної освіти" © Lugansk, Ukraine, 2017 Конструктор сайтов - uCoz