Il cervelletto contiene molti indizi per la creazione di robot umanoidi

Quando visualizzi qualcuno che si muove come un robot, quali sono le immagini che ti vengono in mente? Una mancanza di fluidità e coordinazione caratterizzata da movimenti goffi e scomposti sono caratteristiche comuni dei movimenti robotici. È interessante notare che tutti questi tratti sono legati a malattie o deficit nel cervelletto umano che è responsabile del coordinamento dei movimenti muscolari, dell'equilibrio, della postura e molto altro ancora.

Stereotipicamente, un robot si muove e parla come se soffra di atassia , che è una mancanza di controllo muscolare durante i movimenti volontari – come camminare, afferrare e raccogliere oggetti. Il cervelletto è direttamente collegato all'atassia, che può anche influenzare la fluidità della parola, i movimenti degli occhi e la deglutizione.

Il cervello, che è la casa della corteccia prefrontale e la sede della funzione esecutiva, possiede meravigliosamente la conoscenza esplicita. Il cervelletto, che è la casa dei neuroni di Purkinje e la sede della memoria muscolare, detiene il know-how implicito e le cose che impariamo a fare attraverso tentativi ed errori, ripetizioni e pratica, pratica, pratica.

Ho fatto ricerche sul cervelletto per oltre un decennio. Dal mio punto di vista, sembra ovvio che il segreto per creare robot "privi di atassia" consiste nell'applicare le funzioni del cervelletto alla robotica artificiale avanzata (AI).

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Un robot con un cervelletto pienamente funzionante potrebbe muoversi con fluidità, rimanere in equilibrio ed essere propriocettivo. Potrebbe anche pensare, comunicare socialmente, imparare implicitamente e avere indipendenza sensomotoria. Credo che un robot umanoide con un "cervello" che rappresentasse allo stesso modo sia il cervello che il cervelletto potrebbe diventare un androide senziente.

Una breve storia del cervelletto

Aristotele (384-322 aC) è il primo scrittore conosciuto a descrivere il cervelletto come "parencefalo" e il cervello come l'encefalo. Nel 1504 Leonardo da Vinci fece dei getti di cera del cervello umano e coniarò il termine "cervelletto" che in latino significa "piccolo cervello". Il "cervello" o "cervello grande" si trova in cima al cervelletto che è ben nascosto sotto il cervello.

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Il cervelletto rappresenta solo il 10% del volume cerebrale, ma contiene oltre il 50% dei neuroni totali del cervello. Sulla base di questa sproporzionata distribuzione di neuroni, mio ​​padre, Richard Bergland – che era un neuroscienziato, neurochirurgo e autore di The Fabric of Mind – ha sempre detto: "Non sappiamo esattamente cosa stia facendo il cervelletto, ma qualunque cosa stia facendo, è facendo molto. "

Nel corso della storia, il cervelletto è rimasto misterioso e sotto il radar della maggior parte dei neuroscienziati. Tra la fine degli anni '60 e l'inizio degli anni '70 ci fu un aumento di interesse nel cervelletto condotto da persone come David Marr, John Eccles e James Albus (che erano i compagni di mio padre) … ma l'interesse per il cervelletto calò durante la parte successiva del XX secolo secolo.

Fortunatamente, l'interesse neuroscientifico per il cervelletto sta avendo una rinascita e sta guadagnando slancio. Negli ultimi mesi, c'è stato uno spartiacque di scoperte rivoluzionarie sul cervelletto. Questo è un momento molto eccitante per la ricerca sul cervelletto.

Il cervelletto potrebbe prendere il sopravvento nel prossimo futuro

Anche se ho avuto antenne per studi sul cervelletto per decenni, la velocità vertiginosa delle scoperte recenti mi ha fatto girare la testa. Alla conferenza della Society of Neuroscience del 2014, lo scorso novembre, il cervelletto sembrava essere molto pesante. Solo nell'ultimo anno sono stati pubblicati quattro diversi studi che collegavano il cervelletto con i disturbi dello spettro autistico (ASD).

Sulla base del recente legame tra il cervelletto e l'autismo, sembra che gli stessi sintomi dell'ASD, come la difficoltà nell'utilizzo di capacità comunicative non verbali, il contatto visivo, l'interpretazione delle espressioni facciali e il deficit di abilità motoria, potrebbero essere il risultato di problemi nel cervelletto.

Le persone con autismo spesso hanno problemi a interpretare i sentimenti di un'altra persona, o ad essere compassionevoli nei confronti del dolore e della sofferenza degli altri. Ironia della sorte, i robot rudimentali sono stati utilizzati per aiutare i bambini con autismo a diventare più socialmente impegnati, secondo le ricerche del Centro di studi sui bambini di Yale .

Un altro studio all'inizio dell'anno collegava il cervelletto a disturbi bipolari. E ora il cervelletto viene collegato alla robotica ottimizzata per l'interfaccia cerebrale. La chiave per creare un robot senziente con sentimenti potrebbe essere collegata alla creazione di una struttura del cervelletto AI? Sospetto che la risposta sia sì.

Fino a poche settimane fa, non avevo pensato molto a come una migliore comprensione del cervelletto potesse essere applicata alla robotica o all'interfaccia cerebrale che coordinano il movimento delle protesi bioniche. Tutto è cambiato di recente quando ho letto un comunicato stampa del febbraio 2015 di Scott Frey all'Università del Missouri sul suo studio che è stato pubblicato sul Journal of Cognitive Neuroscience .

Scott Frey ed io abbiamo passato un paio d'ore a parlare al telefono della sua ricerca. Si scopre che entrambi siamo ex triatleti che condividono la passione per il potere trasformativo dell'attività fisica, delle neuroscienze e del cervelletto.

Nel comunicato stampa sulla sua scoperta che il cervelletto svolge un ruolo fondamentale nell'aiutare i soggetti a cogliere un oggetto usando un'interfaccia controllata dal cervello Scott Frey ha detto,

"Viviamo in un mondo di tecnologia avanzata in cui un pulsante può spostare una gru o aprire una porta. Per le persone con disabilità, le tecnologie assistive, come le braccia robotiche oi sensori inseriti nel cervello, rendono possibile compiere azioni come afferrare con la semplice pressione di un pulsante o direttamente attraverso l'attività cerebrale; tuttavia, si sa poco su come il cervello umano si adatta a queste tecnologie. Abbiamo scoperto che il cervello non si è necessariamente evoluto per controllare le moderne armi robotiche, ma piuttosto il cervelletto, una parte antica del nostro cervello che è rimasta relativamente invariata, svolge un ruolo fondamentale nell'aiutarci a raggiungere e afferrare con questi strumenti, spesso solo allenamento minimo. "

Negli ultimi giorni ho portato alla luce numerosi altri studi che supportano il potenziale ruolo che i dispositivi cerebellari potrebbero svolgere nella creazione di robot umanoidi e androidi.

Tradizionalmente, i computer e la robotica dell'IA si concentrano principalmente sugli aspetti "cerebrali" dell'intelligenza contenuta nel cervello. ("Cerebellar" è la parola sorella per cerebrale e definisce qualsiasi cosa "relativa o associata al cervelletto.")

Ciò che rende un robot umanoide molto più complesso di un computer come il "Watson" di IBM – che si chiama "computer cognitivo" con intelligenza cerebrale e può vincere un gioco come Jeopardy – è che un robot senziente deve avere la capacità di muoversi attraverso lo spazio e avere l'abilità sensomotoria per adattarsi ad un ambiente in continua evoluzione. Sembra che questa capacità richieda le capacità speciali di un cervelletto.

Durante gli anni '70, quando Jamie Somers e Steve Austin combattevano i "fembots" su La donna bionica e l'uomo da sei milioni di dollari , il problema maggiore che dovevano affrontare era che i fembots – che erano androidi simili a umani – erano più forti di entrambi i loro bionici parziali protesi. L'unico vero svantaggio dei fembot era che non potevano pensare da soli.

Incorporare i modelli cerebellari nella progettazione di robot umanoidi potrebbe essere fondamentale per creare un robot senziente in grado sia di provare emozioni che di pensare da solo.

Perché sono così investito personalmente nel sostenere i poteri del cervelletto?

Nel suo lavoro, mio ​​padre era ossessionato dal cervelletto e dal potenziale del "genio cerebellare" che considerava un tipo di intelligenza appresa attraverso la pratica e l'esperienza. Mio padre era un appassionato tennista. Per illustrare il legame tra il cervello e il cervelletto direbbe: "Di questo sono assolutamente positivo; diventare un neurochirurgo era la diretta conseguenza del mio occhio per la palla ".

Il cervelletto è responsabile del tuo Vestibulo-Ocular Reflex (VOR) che permette ai tuoi occhi di rintracciare un bersaglio mentre la tua testa si muove in varie direzioni. Come neurochirurgo mio padre ha dovuto applicare sia le abilità cerebrali che quelle cerebellari, come ogni chirurgo, atleta e performer.

Mentre stavo crescendo, l'unica volta in cui mio padre ed io abbiamo avuto davvero tempo di qualità insieme era sul campo da tennis o giocando a scacchi. Fin da subito mio padre ha piantato i semi di un modello a cervello diviso che implicava l'importanza delle intelligenze "cerebrali" che si potevano imparare dai libri e dal tipo di funzione esecutiva che si usa stando seduti e giocando un gioco strategico di scacchi o prendendo un test. Ma notò anche l'importanza delle "intelligenze cerebellari".

Le "intelligenze cerebrali" vengono acquisite attraverso prove ed errori, esperienze di vita e pratica regolare in campo o sul campo. Il cervelletto è fondamentale per padroneggiare ogni tipo di atletica. Sono arrivato a credere che l'intelligenza cerebrale e quella cerebellare siano ugualmente importanti e debbano andare sempre di pari passo sia nella vita che nello sport.

A causa dell'influenza di mio padre, sono diventato un campione per il cervelletto e credo che sia stato tradizionalmente sottovalutato. Credo fermamente che il cervelletto abbia un ruolo molto più importante nella funzione cognitiva e "intelligenza" che fino a tempi relativamente recenti, la maggior parte delle università e delle neuroscienze sembravano essere pronte ad ammettere.

Scire non Satis: "Sapere non basta"

Sono andato ad un piccolo college di arti liberali ad Amherst, nel Massachusetts, chiamato Hampshire College, che non ha alcun test o voto e non guarda i punteggi SAT durante il processo di ammissione. Sono terribile alle prove e ho avuto punteggi orribili SAT, che è la ragione principale per cui sono andato in Hampshire. Era letteralmente l'unico college ad accettarmi.

Il motto dell'Hampshire è Non Satis Scire, che in latino significa "Sapere non è abbastanza". Credo che, quando si tratta di educazione e costruzione di robot IA, è importante ricordare che, in base al rapporto tra neuroni tra cervello e cervelletto e intelligenza cerebrale senso comune sono meno della metà della nostra intelligenza umana di lavoro.

Come padre di un bambino di 7 anni, sono turbato nel constatare che le scuole di enfasi e di pressione mettono i bambini attraverso i Common Core Standards e No Child Left Behind a fare bene su test standardizzati privandoli dell'attività fisica e degli sbocchi creativi il cervelletto ha bisogno di rimanere connesso al cervello e prosperare.

Quando stavo scrivendo The Athlete's Way ( St. Martin's Press ) una decina di anni fa, ho creato un modello a cervello diviso chiamato "cervello cerebrale" che sfidava le idee convenzionali di "cervello sinistro-destro". A mio modesto parere , la divisione principale nel globo cranico è nord-sud, tra il cervello e il cervelletto. Se vuoi saperne di più su questo modello di cervello diviso, fai clic qui per un campione gratuito dal mio libro.

Dall'atletica, allo sviluppo del bambino o alla riabilitazione da un ictus, porre l'enfasi sull'armonia sinistra-destra e su-giù e l'interconnessione di entrambi gli emisferi cerebrali del cervello e di entrambi gli emisferi del cervelletto è la chiave del successo ed è la base delle teorie presentate in The Athlete's Way.

Logicamente, se persone di tutte le età creano abitudini quotidiane che ottimizzano la connettività della materia bianca e il volume della materia grigia, di entrambi gli emisferi del cervello (cervello in su) e del cervelletto (cervello in basso) possono migliorare le loro probabilità di raggiungere una vita di bests personali . Si tratta di una prescrizione semplice e testata su strada che costituisce il fondamento del mio attuale libro in corso intitolato Superfluidità .

Il cervelletto è un perdente, e un potente topo, che un'oncia per l'oncia racchiude un pugno in caduta libera. Il genio cerebellare potrebbe in definitiva essere più importante dell'intelligenza cerebrale in termini di sopravvivenza della nostra specie umana e deve essere considerato quando si cerca di costruire androidi senzienti.

Ad esempio, in quei casi in cui vi è un "errore imprevisto" e vieni preso alla sprovvista da una scivolata sul ghiaccio, o da un vicino mancato mentre guidi la tua auto, è il tuo cervelletto che prende il sopravvento e predice e coordina ogni dei complessi movimenti muscolari che ti mantengono illeso e vivo, prima ancora che il tuo cervello abbia il tempo di pensare.

Recentemente, i ricercatori di Penn hanno identificato come questo funzioni in uno studio affascinante sull'arrampicamento di fibre, granuli e cellule di Purkinje che lavorano insieme con una precisione rapidissima. Il cervelletto ha il compito estenuante di mantenerci sani e salvi, anche se in genere è stato sottovalutato per tutto ciò che fa durante le nostre vite.

Hollywood sta regalando i robot senzienti Top Billing nel 2015

Il 6 marzo 2015 un nuovo film su un robot senziente chiamato "Chappie" si aprirà a livello nazionale. Non ho ancora visto questo film, ma guardando il trailer è chiaro che ciò che distingue "Chappie" dagli altri robot umanoidi è che può imparare attraverso esperienze sensorimotorie e sembra avere sia il "libro intelligente" del cervello che il "Intelligenza di strada" di un cervelletto.

Dopo aver visto il trailer di Chappie, quello che mi intriga di più da una prospettiva neuroscientifica è che, come un bambino-umano, Chappie, il robot deve passare attraverso il classico stadio Piaget dello sviluppo sensomotorio, che è stato recentemente collegato fortemente al cervelletto.

L'attuale post sul blog è balzato in aria da quando ho incontrato per la prima volta le ricerche di Scott Frey il mese scorso. Sto scavando sempre più in profondità nella recente ricerca sul cervelletto, nel tentativo di collegare i punti e, auspicabilmente, di iniziare un dialogo mulit-disciplinare su come il cervelletto possa essere fondamentale per la creazione di robot e androidi senzienti. Alla fine di questo post, ho incluso una bibliografia di alcuni degli articoli scientifici più rilevanti che ho trovato che affrontano questo punto.

Oltre alla ricerca di Scott Frey nel Missouri, uno studio diverso da febbraio 2015 sembra riflettere il potenziale che la ricerca del cervelletto tiene per fare cose incredibilmente buone per l'umanità, ma anche il suo potenziale per creare una futura distopia robotica. Il mese scorso, i ricercatori del RIKEN in Giappone hanno riferito di essere riusciti a far crescere le cellule di Purkinje e una massa cerebellare in una capsula di Petri, utilizzando cellule staminali umane.

In The Terminator, il cyborg di Arnold Schwarzenegger aveva un tessuto vivente che ricopriva un endoscheletro di metallo progettato per il combattimento. Sembra possibile che la futura IA possa fare affidamento sulla creazione di tessuto vivente artificiale di un cervello umano che potrebbe essere coltivato da cellule staminali in un laboratorio e collegato a una fibra sintetica e ad un esoscheletro di metallo.

In futuro, potremmo avere androidi senzienti con tessuto cerebrale reale che è stato coltivato in un laboratorio e poi attaccato a un robot o un androide con forza e intelligenza sovrumane. (E quali sarebbero i pro e i contro di inventare una creatura del genere ?!)

Mi chiedo quanto siamo lontani dall'avere questo tipo di Android ibrido come una realtà? Non sono uno scrittore di fantascienza, ma posso facilmente immaginare Isaac Asimov, Aldous Huxley, Arthur C. Clarke, Daniel H. Wilson o Philip K. Dick che usano questa ultima neuroscienza per scrivere un romanzo profetico.

Il film Ex Machina è   un thriller di fantascienza, che sarà pubblicato in tutto il mondo nell'aprile del 2015, sulla creazione di androidi senzienti in una sceneggiatura che probabilmente metterà sotto i riflettori il lato oscuro dell'IA e della neuroscienza della costruzione di robot senzienti.

Ex Machina esplora i complessi paesaggi psicologici creati dai robot IA che possono pensare, amare, sentire, sedurre e odiare. Alcune delle scene di questo trailer mi ricordano 2001: Odissea nello spazio quando HAL decide di uccidere i suoi creatori e si scusa con calma per aver dovuto annientare l'equipaggio della nave spaziale.

Per me, la ricerca e la difesa del cervelletto sono ovviamente molto personali. Una delle ragioni per cui questo post sul blog è stato difficile da scrivere è che per la prima volta vedo un potenziale contraccolpo per gli scienziati che hanno una comprensione avanzata del cervelletto. Il cervelletto è così misterioso e inafferrabile. Penso che decodificare i suoi enigmi potrebbe portare a scoperte ambigue che potrebbero portare a incubi di intelligenza artificiale e distopia futura.

Nello scrivere questo blog, "roboetica" vengono in primo piano. Quali responsabilità etiche hanno i ricercatori della comunità neuroscientifica quando si tratta della creazione di robot senzienti?

Negli ultimi due anni, Google ha acquisito società di robot come la Boston Dynamics tradizionalmente pesantemente finanziate dai militari. Nel 2014, Google ha acquistato almeno 6 aziende robotizzate, e sono molto limitate riguardo al loro piano di gioco. Qual è l'agenda AI di Google?

Tradizionalmente, gran parte della ricerca sui robot AI è stata sovvenzionata dall'ufficio di difesa della DARPA e da gruppi come l'Army Research Offic e dell'Esercito di ricerca . Sul lato positivo, tutte le risorse federali che vengono riversate nello sviluppo umanoide robotico potrebbero migliorare la comprensione di come funziona il cervello e portare a trattamenti che migliorano le vite degli esseri umani per tutta la loro durata di vita. Ma questa ricerca e lo sviluppo robotico potrebbero anche portare a gravi disfunzioni.

Il punto che Scott Frey ed io siamo tornati più e più volte durante la nostra conversazione è l'importanza di sforzarci costantemente di adattare e applicare questi progressi nelle neuroscienze e nella robotica in modi che migliorano la vita.

La mia principale speranza è che questi studi finiranno per migliorare le vite individuali – come i veterani feriti e le persone con disabilità – mentre avanzano l'umanità e riducono le vittime della guerra.

Riferimenti: Se desideri approfondire le neuroscienze di questo argomento, di seguito sono riportati i link agli articoli di riviste recenti che ho trovato durante la ricerca di questo post sul blog.

1. "Afferrando con la semplice pressione di un pulsante: le risposte di cattura-selettiva nel solco intraparietale anteriore umano dipendono da relazioni causali non arbitrarie tra i movimenti delle mani e le azioni dell'effetto finale" Frey SH, Hansen M, Marchal N.
2. "La plasticità cerebellare distribuita implementa componenti di memoria a scala multipla generalizzata in compiti di sensore-robot reali" Claudia Casellato, Alberto Antonietti et al.
3. "Self-Organization of Polarized Cerebellar Tissue in 3D Culture of Human Pluripotent Stem Cells" Keiko Muguruma, Ayaka Nishiyama, Kouichi Hashimoto, Yoshiki Sasai
4. "Modello Cerebellar Spiking adattivo incorporato nel loop di controllo: commutazione del contesto e robustezza contro il rumore" Luque, Garrido et al.
5. "Relazioni tra volume cerebellare regionale e sensorimotoria e funzione cognitiva in giovani e anziani" Bernard JA, Seidler RD.
6. "Coinvolgimento di cervelletto in circuiti sensomotori corticali per il controllo di movimenti volontari" Rémi D. Proville, Maria Spolidoro et al
7. "La rapida convergenza dell'apprendimento richiede la plasticità tra l'oliva inferiore e i nuclei cerebellari profondi in un compito di manipolazione: una simulazione robotizzata a ciclo chiuso" Niceto R. Luque, Jesús A. Garrido et al.
8. "Codifica della forza dello stimolo tramite segnali di calcio analogici nei dendriti delle cellule di Purkinje di topi svegli" Farzaneh Najafi, Andrea Giovannucci, Samuel SH Wang, Javier F Medina.
9. "Miglioramento sensoriale guidato dei segnali di calcio nelle singole cellule di Purkinje Dendriti dei topi Awake" Farzaneh Naja, Andrea Giovannucci, Samuel S.-H. Wang, Javier F. Medina
10. "Cervello in tempo reale: un modello di rete a spillo su grande scala del cervelletto che funziona in tempo reale usando un'unità di elaborazione grafica" Tadashi Yamazakia, Jun Igarashib
11. "La causalità diretta tra le attività cellulari single-Purkinje e l'apprendimento motorio rivelate da un'interfaccia cervelletto-macchina che utilizza il paradigma di adattamento VOR" Hirata Y, Katagiri K, Tanaka Y.
12. "Piani di azione per manipolare l'apprendimento dei robot" Guardare "Video non vincolati dal World Wide Web" Yezhou Yang, Yi Li, Cornelia Fermuller, Yiannis Aloimonos

Se desideri saperne di più sul cervelletto in termini laici, consulta i miei post precedenti sul blog di Psychology Today :

• "Come sono le cellule di Purkinje nel cervelletto legate all'autismo?"
• "L'autismo, le cellule di Purkinje e il cervelletto si intrecciano"
• "La ricerca collega la gravità dell'autismo con le carenze di abilità motorie"
• "In che modo il cervelletto è collegato al disturbo bipolare?"
• "La dimensione del cervelletto è legata all'intelligenza umana?"
• "La neuroscienza del conoscere senza sapere"
• "Area del cervello primitiva legata all'intelligenza umana"
• "The Mysterious Neuroscience of Learning Automatic Skills"
• "Un pensiero troppo cristallizzato riduce l'intelligenza fluida"
• "La neurobiologia della grazia sotto pressione"
• "In che modo il nervo vago trasmette l'istinto al cervello?"
• "Perché Overthinking causa l'arresto degli atleti?"
• "Verso un nuovo modello split-brain: cervello cervello in su"
• "I neuroscienziati scoprono come la pratica rende perfetti"
• "In che modo il cervelletto è collegato ai disturbi dello spettro autistico?"
• "I problemi della famiglia dell'infanzia possono smuovere lo sviluppo del cervello"
• "La neuroscienza di calmare un bambino"
• "Perché ballare così bene per il tuo cervello?"
• "The Neuroscience of Madonna's Enduring Success"
• "Gesturing coinvolge tutti e quattro gli emisferi cerebrali"
• "La neuroscienza della superfluidità"
• "Un altro motivo per staccare la televisione"
• "Migliori abilità motorie legate a punteggi accademici superiori"
• "Il coordinamento occhio-mano migliora le abilità cognitive e sociali"
• "La neuroscienza dell'immaginazione"
• "Può allenarsi da solo a creare maestria?"
• "No. 1 La pratica del motivo rende perfetti "

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