3 ноября 2011РГСУ

Московский государственный гуманитарно-экономический институт
Никольский
Анатолий Евгеньевич
профессор,
кафедры Прикладной математики и информатики МГГЭИ,
к.т.н.,
тема:
Комплексные когнитивные и интеллектуальные технологии развития и реабилитации физических возможностей человека

1.Системы, совместимости
Личности, с ограниченными физическими возможностями,
со знаниевой средой,
основанные на современных программно-аппаратных коммуникационных, информационных,
виртуальных, интеллектуальных, робототехнических
технологиях;

2. Системы
когнитивного анализа функциональных систем, рефлекторных механизмов, особенностей нейро-механизмов реципроктной инервации, нейроморфного моделирования и
управления биологическими и медицинскими процессами

3. Системы физиотерапии,
энергоинформационной биорезонансной
и
мультирезонансной
терапии;

4. Технологии
самоорганизации системных механизмов поведения (системогенеза) личности,
реализующих эффективный творческий процесс формирования профессиональных знаний и умений
на базе когнитивных, виртуальных, системных, информационных технологий.

Математическая модель взаимодействия человека
Структура общей системы включает взаимодействие
УС ↔ ОУ, УС: (УСа, ИУП, ЧУ),
Где
ОУ- объект управления - обучаемая личность осуществляет взаимодействие с УС через ИУП по различным информационным каналам, таким как зрительный, тактильный, биомеханический, слуховой, обонятельный, вестибулярный и другие, характеризующимся параметрами ki, i= 1,2…,l. В каждом из каналов человеком, как правило, выполняются операции: обнаружение и распознавание информации, анализ ситуаций и принятие решений, выполнение команд управления.
УС - система, реализующая режим управления обучением.
ИУП включает систему отображения информации (СОИ) и органы управления (ОрУ). В свою очередь СОИ состоит из элементов отображения информации (экранов дисплеев, мнемосхем, приборов, сигнализаторов и др.), определяемых параметрами ai, i=1,2, …, m, а структура ОрУ - элементы управления (клавиатура, ручки, тумблеры, контакты и др.) с параметрами bi, i=1, 2, …, k.
УСа- функционально - алгоритмическая структура управления
ЧУ - Человек учитель

1.Системы, совместимости
личности, с ограниченными физическими возможностями,
со знаниевой средой,
основанные на современных программно-аппаратных коммуникационных, информационных,
виртуальных, интеллектуальных, робототехнических
технологиях;

Человеко-машинные системы

Разработка адаптивного интерфейса для ввода в компьютер текстовой информации для людей с ограниченными возможностями (Компания Gravitonus
А.Косик)
Традиционно взаимодействие человека с компьютером выполняется посредством устройств, которые удобно держать и использовать руками (клавиатура, мышь, перо, джойстик). Для людей с ограниченными возможностями зачастую такой способ может оказаться неприемлем. Компания Gravitonus разрабатывает систему альтернативного управления компьютера (ACCS), позволяющую взаимодействовать с компьютером посредством языка. Такое взаимодействие накладывает серьезные дополнительные ограничения на свойства интерфейсного модуля.
А. А. Жданов, А.Е. Устюжанин, Возможности использования технологии детерминированного хаоса в системах автономного адаптивного управления, Москва, сборник трудов ИСП РАН, с141-180, 2001

Искусственная рука
В прошлом году бывшая военнослужащая армии США - 26-летняя Клаудиа Митчелл стала первым в мире человеком, получившим бионический протез руки, который управляется одной лишь силой мысли. За это время она не только научилась пользоваться искусственной рукой, к ней вернулось осязание.

УМНАЯ ОДЕЖДА

BCI – это интерфейс между человеком и компьютером, который получает команды напрямую от мозга без совершения какого-либо физического движения или
BCI использует электрофизиологические сигналы для управления внешними устройствами
Существует и обратный интерфейс:
CBI (computer-to-brain interface) – это система реального времени, используемая для записи сообщений или команд прямо в мозг без использования обычных входных каналов мозга.

Схема комплексной системы информационного взаимодействия

2. Системы
когнитивного анализа функциональных систем, рефлекторных механизмов, особенностей нейро-механизмов реципроктной инервации, нейроморфного моделирования и
управления биологическими и медицинскими процессами

Исследование самоорганизации системных механизмов системогенеза личности с ограниченными физическими возможностями (целебральной патологией) в процессе получения знаний
В психофизиологическом аспекте - механизмы поведения, - оптимальные программы мышечных сокращений, ответных реакций на внешние и внутренние раздражения организма, с минимальными затратами энергии.
Исходя из теории П.К. Анохина о саморегулирующихся системах, кора головного мозга и поперечно – полосатая мускулатура – это единый замкнутый процесс соморегулирования.
Рефлекторный механизм координации двигательных актов, обеспечивающих согласованную деятельность мышц - антагонистов (сгибатели – разгибатели, отводящие – приводящие, ускоряющие – замедляющие и др.), составляет сущность реципроктной инервации.
Естественно, нарушение механизмов реципроктной инервации приводит к дисбалансу состояния мускулатуры на различных уровнях и может проявляться в виде спастических или вялых параличей, нарушении рефлексов и координации движений, речи.

Развитие медицинской науки определяет около 500 факторов, объясняющих причины церебральной патологии человека на нейронных структурах насчитывающих 50 млрд. нейронов и контролирующих 250 функциональных структур.
Однако сам термин не отражает многообразия имеющихся при этом заболевании неврологических нарушений в структуре нервной системы человека, а диагностика и коррекция, при существующей медицинской аппаратуре не позволяет точно идентифицировать заболевания.
Как известно, в основе дистрофических, аномальных процессов, при церебральной патологии, лежит нарушение «рефлекторных дуг» передачи информации от рецепторов периферии к нейронам спинного мозга, далее к соответствующим областям головного мозга и обратно к нейронам нервной системы спинного мозга, далее к соматическим узлам, регулирующих работу скелетных мышц, и к вегетативной (автономной - симпатической и парасимпатической) нервной системе, регулирующей работу внутренних органов.
Сложность нейронной системы передачи информации и управления требует использования современных новых технических средств нейровизуализации, диагностики и опыта локализации мест нарушения рефлекторных дуг, а компенсация ограниченных физических возможностей человека с церебральной патологией, новых концепций и инновационных технологий.
Один из подходов связан с когнитивной психологией, предельной параметризацией и развитыми в последние годы аналитическими методами нелинейной динамики

В основе управлением поведением человека лежат нейронные сети, которые организуют деятельность различных функциональных систем организма человека

НЕЙРОННАЯ СЕТЬ ЧЕЛОВЕКА

В информационных процессах мозга участвуют астроциты

Задача Анализа нарушений нейронных сетей и коррекции системных функций организма
включает
Анализ функциональных систем и их характеристик,
Анализ структуры нейронной сети человека и рефлекторных механизмов групп мышц, формирующих поведение,
Анализ структуры нейронных сетей связанных с нарушением функций организма,(варианты, когда неизвестна нейронная структура и когда известна)
Формирование нейроморфных и структурных математических моделей анализа и моделирования функциональных нарушений систем таких как зрения, слуха, обоняния, вестибулярного аппарата.
Предварительные рекомендации коррекции функциональных систем организма при нарушении нейронных сетей с использованием операционных средств нейропротезирования, имплантатов и стволовых клеток

Под нейроморфными системами понимаются модели искусственных нейронных сетей, архитектура и дизайн которых основаны на особенностях структуры и принципах работы реальных нейробиологических систем. Их моделирование стимулировано желанием понять и технически воплотить такие ключевые особенности нейронных структур мозга, как высокая чувствительность, адаптивность, обучаемость, устойчивость к повреждениям, способность иметь дело с нечеткой, избыточной, зашумленной информацией и, наконец, параллельный и распределенный способ обработки информации.
Нейроморфное моделирование находится на пересечении нескольких областей исследований, в том числе нейробиологии, теории нейронных сетей, математического моделирования, электронной техники.
В последнее десятилетие возрос интерес к динамическим нейроморфным методам обработки информации. Это связано с тем, что колебательная нейронная активность, синхронизация и резонанс используются как «рабочий инструмент» при функционировании многих структур мозга (зрительная система, слуховая система, обонятельная система, гиппокамп, таламо-кортикальная система, новая кора).
Нейроморфные системы и нейроморфное моделирование
М.Г.Кузьмина (ИПМим. М.В.Келдыша РАН)

Цель – разработать модели, позволяющие исследовать сложное поведение мягких внутренних органов ( печень,
почки, селезенка) под действием хирургических вмешательств и имплантаций.
Математическое моделирование используется в сочетании с экспериментальными измерениями и созданием
силиконовых моделей мягких тканей.
Это позволяет получить объединенную информацию о реакциях мягких органов на медленную деформацию
под действием терапии, давления и кручения, хирургические иссечения, а также поведении при имплантациях.
• Калифорнийский университет в Сан-Франциско
• Станфордский нац. вычислительный центтр
• Станфордский центр современных хирургич. техн.
• Западно-австралийский университет
• Университет г. Тюбинген, Германия

Модель трехмерной осцилляторной нейросети (модель зрительной коры)
Активный элемент сети – нейронный осциллятор;
Пространственная архитектура 3D сети имитирует колончатую структуру зрительной коры (VC);
«срабатывание» сети состоит в синхронизации ансамблей динамически связанных осцилляторов (кластеров); оно имитирует самоорганизованное коллективное поведение ориентационно-селективных (простых) клеток зрительной коры на низшей стадии обработки зрительной информации;
Сеть предварительно настраиватся параметрами предъявляемого зрительного изображения – массивом пар (яркостей пикселей и ориентаций элементарных сегментов изображения). При этом производится настройка как внутренней динамики сетевых осцилляторов, так и динамических сетевых связей.

Схема архитектуры 3D осцилляторной сети
Изображение, подлежащее сегментации, задано в виде пиксельного разложения на согласованной с ним 2D решетке
В каждом узле решетки определены две характеристики изображения – яркость пикселя и ориентация элементарного сегмента
Осцилляторы сети расположены в узлах 3D решетки внутри параллелепипеда так, что каждому пикселю соответствует одна колонка осцилляторов
В каждом узле 3D решетки определены ориентации рецептивных полей
Полное число осцилляторов сети равно , где – размер пиксельного массива, а K – число осцилляторов в колонке.

Колебания в слуховой системе мозга
Подход к обработке смешанного акустического потока
Биологически обоснованная модель осцилляторной сети, доставляющая метод
выделения из смешенного акустического потока содержащихся в нем компонент, была
построена Вангом и Брауном (D.Wang, G.J.Brown, 1999).
Обработка потока состоит из двух этапов.
1. На первом этапе находятся полный набор частотно-временных характеристик
потока посредством пропускания его через эталонную систему фильтров, которая
имитирует функции пропускания наружного и среднего уха. В каждом из каналов
пропускания строятся a) коррелограмма и b) интегральная каррелограмма,
позволяющая определить доминирующую частоту потока. Наконец, производится
c) кросс-корреляционный анализ поступающего акустического потока.
2. На втором этапе производится основная обработка потока с помощью двуслойной
осцилляторной сети. При этом:
• первый слой производит разложение полного смешанного потока на полный набор
его элементарных частотно-временных «сегментов»;
• второй слой производит группирование множества элементарных сегментов
в составляющие поток компоненты, то есть, новый синтез смешанного потока из
его элементарных составляющих.

Осцилляторно-сетевая обработка смешанного потока
Первый слой сети (segmentation layer) имеет
возбуждающие связи, построенные на основе
кросс-корреляционной информации о потоке.
Кластеры синхронизованных осцилляторов, возникшие
в этом слое, соответствуют распределению звуковой
энергии потока на плоскости
Второй слой сети (grouping layer) имеет:
a) внутренние связи, зависящие от корреляционной
информации потока и от структуры связей первого
слоя;
b) внешние (вертикальные) связи из первого слоя.
Второй слой производит восстановление компонент
смешанного акустического потока в следующей
последовательности:
• восстановление основной (наиболее энергичной )
компоненты потока;
• восстановление «периферической» части;
• восстановление «средней» части.
На последних двух этапах используются специальные
методы фильтрации.

Разработка математической модели тренинга спортсмена-легкоатлета с ДЦП(ПОДА ) Постановка проблемы
Человек с физ. недостатками
Получать знания и умения. Как достичь результата?
Обеспечение социальной защищённости и значимости
Спортсмен-легкоатлет
Формирование программы тренинга
Результат и его квалификация
Одна из ветвей этого процесса

. Модель динамики движения спортсмена-легкоатлета
Рис. 1. Движение центра тяжести человека в декартовых осях и действующие силы
G – вес человека (кг),
m – масса человека (кг сек2/м),
g – ускорение силы тяжести (м/сек2),
v – скорость движения (м/сек),
P – сила движения (кг),
Х – сила лобового сопротивления (кг),
θ – угол касательной к траектории с осью х.
Уравнение движения:
dv/dt = (P – X) / m – g Sinθ,
dx/dt = vCos θ,
dy/dt =vSinθ.
θ = θпр(t).
Зависимость θ = θпр(t) задаётся графически или в виде таблицы.
Сила движения P = P0 - ΔP,
где P0 – базовая сила движения, может быть замерена на стенде,
ΔP – изменение силы движения, как функции психофизиологических и биофизических свойств организма ΔP = F (Х1, Х2, Х3, … , Хn) или P = P0 - (dP/dt)t.
Масса человека может определятся по формуле:
m = m0 – (dm/dt)t,
где m – масса человека в момент t,
m0 – масса человека в момент t,
dm/dt – расход массы,
t – время в минутах.
Сила лобового сопротивления человека определяется по формуле:
X = Cx(ρv2/2)S,
где Cx - коэффициент силы лобового сопротивления,
ρ – плотность воздуха,
v – скорость (м/сек),
S – площадь сопротивления тела человека (м2).

. Формирование программы тренинга
Блок – схема процесса подготовки спортсмена-легкоатлета.

КОРРЕКЦИЯ НАРУШЕННЫХ СИСТЕМНЫХ ФУНКЦИЙ ОРГАНИЗМА
При нарушении нейронных сетей могут быть использованы нейроморфные и структурные математические модели для предварительного анализа и рекомендаций по применению операционных средств нейропротезирования,
имплантатов и
стволовых клеток.

Нейропротезитрование — область неврологии, занимающаяся созданием и имплантацией искусственных устройств для восстановления нарушенных функций нервной системы или сенсорных органов (нейропротезов или нейроимплантов).

Имплантаты (также ошибочно импланты, от англ. implant) — класс изделий медицинского назначения, используемые для вживления в организм либо в роли протезов (заменителей отсутствующих органов человека), либо в качестве идентификатора (например, чип с информацией о домашнем животном, вживляемый под кожу).

Коррекция системных функций организма путём самовоспроизведения органов с использованием стволовых клеток
Стволовые клетки — иерархия особых клеток живых организмов, каждая из которых способна впоследствии изменяться (дифференцироваться) особым образом (то есть получать специализацию и далее развиваться как обычная клетка). Стволовые клетки способны асимметрично делиться, из-за чего при делении образуется клетка, подобная материнской (самовоспроизведение), а также новая клетка, которая способна дифференцироваться.

Роботизированная система "Да Винчи" состоит из 3 основных частей, которые образуют функциональное единство. Это панель управления, операционная панель и оптическая система
В настоящее время в мире уже выполнены тысячи операций с использованием DA VINCI и ZEUS.

3. Системы
физиотерапии,
энергоинформационной биорезонансной
и
мультирезонансной
терапии;

Схема работы внутреннего органа при нагрузках
График спектрального индекса человека.
Два центра регуляции.

Первое и единственное в России методическое пособие по музыкотерапии для врачей и клинических психологов
утверженное Министерством Здравоохранения Р.Ф. в 2001 году (автор врач-музыкотерапевт
Рушель Блаво.)

Структура общего алгоритма формирования музыкального сеанса по воздействию на организм

Таблица воздействия цвета на различные органы человека.

Соотношение восприятия цвета больными и здоровыми людьми.

Волновая структура мозга в различных состояниях

Также цвет очень широко используется совместно со звуком. Существует специальное устройство, оно используется для тренировки мозга,для отдыха и релаксации, для снов.
Это устройство называется «Майндмашина»(mindmachine)
В дословном переводе этот термин означает «машина для ума».
Для этих приспособлений существует множество дисков с «упражнениями» - это различные программы которые воздействуют на наш мозг.
В ряде книг по технологиям бизнеса зарубежные авторы участливо советуют новоиспеченным российским бизнесменам: «Если Вы сильно устаете на работе, то воспользуйтесь MIND MACHINE!»

Схема воздействия майндмашины и результаты

4. Технологии
самоорганизации системных механизмов поведения (системогенеза) личности,
реализующих эффективный творческий процесс формирования профессиональных знаний и умений
на базе когнитивных, виртуальных, системных, информационных технологий

Таким образом,
как информационные технологии,
так и средства когнитивной, виртуальной психологии,
активизирующие самоорганизацию функциональных систем,
системных механизмов поведения личности,
в информационном творческом процессе формирования профессиональных знаний и умений,
гарантируют определённый уровень социальной защищённости.