Dołącz do czytelników
Brak wyników

inne , I

3 sierpnia 2016

Maszynka do przechwytywania myśli

0 555

Wtyczka do mózgu z filmu „Matrix”, optody odczytujące myśli z „Raportu mniejszości”, sterowanie potężnymi ramionami przez łącze umieszczone w rdzeniu kręgowym bohatera filmu „Spider-Man 2”... Te futurystyczne pomysły stały się szansą na pomoc dla pacjentów, którzy nie mogą komunikować się z otoczeniem.

Interfejsy mózg-komputer (ang. Brain-Computer Interfaces, BCI) już dzisiaj umożliwiają pisanie tekstów lub podstawowe sterowanie maszyną za pomocą świadomie generowanych fal mózgowych. To jedyna szansa na komunikację z otoczeniem dla pacjentów cierpiących na schorzenia prowadzące do zaniku kontroli nad mięśniami. Jednym z takich schorzeń jest stwardnienie zanikowe boczne (ang. Amyotrophic Lateral Sclerosis, ALS) – choroba, która niszczy część centralnego układu nerwowego odpowiedzialną za ruch. Chorzy stopniowo tracą kontrolę nad własnym ciałem. Po dwóch, trzech latach nie mogą w ogóle komunikować się z otoczeniem, skazani są na życie bez możliwości wyrażenia własnych potrzeb, opinii i emocji. Aktualny stan wiedzy pozwala już takim pacjentom porozumiewać się z otoczeniem za pomocą BCI. Mimo stosunkowo niewielkiej szybkości (typowo kilkanaście-kilkadziesiąt bitów, czyli kilka liter na minutę), w wielu przypadkach jest to jedyny sposób na możliwość kontaktu z otoczeniem. I choć na razie działanie tych interfejsów odbiega znacznie od futurystycznych filmowych wizji, to interesują się nimi również wojsko i producenci gier komputerowych. Na przykład firmy Emotiv Systems i NeuroSky reklamują już interfejsy do gier komputerowych, choć z filmów reklamowych wynika, że działanie tych interfejsów nie opiera się na bezpośrednim odczycie aktywności mózgu, lecz przede wszystkim mięśni czoła i ruchów gałek ocznych.

Mózg „na prąd”?
Istnieje wiele różnych technik „podglądania” czynności działającego mózgu, ale nie na wszystkich można oprzeć sensowny interfejs mózg-komputer. Spektroskopia bliskiej podczerwieni (ang. Near Infrared Spectroscopy, NIRS), czyli optody zaprezentowane w filmie „Raport mniejszości”, mierzą przepływ utlenionej hemoglobiny w wierzchnich warstwach mózgu. Zwiększone zapotrzebowanie na tlen jest wynikiem wzmożonej aktywności neuronów w danym obszarze, ale taki „głód” występuje z kilkusekundowym opóźnieniem, więc oparty na tym pomiarze interfejs działałby powoli i z opóźnieniem. Z kolei funkcjonalny rezonans magnetyczny (ang. functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI) pozwala zajrzeć „głębiej” niż NIRS, ale podlega tym samym opóźnieniom, i w dodatku wymaga bardzo drogiej aparatury o dużych rozmiarach, której nie da się „nosić ze sobą”. Inna metoda – magnetoencefalografia (ang. Magnetoencephalography, MEG), czyli pomiar pól magnetycznych generowanych przez mózg, jest już bezpośrednim pomiarem „śladu myśli”, ale wymaga aparatury podobnej do fMRI.

Naukowcom tworzącym interfejsy mózg-komputer pozostaje więc „stary, dobry elektroencefalogram”, czyli EEG. Pierwszy zapis elektroencefalogramu człowieka uzyskał – z powierzchni czaszki swego syna – w roku 1925 Hans Berger. Jego artykuł „Über das Elektrenkephalogramm des Menschen”, opublikowany w roku 1929, to klasyka elektroencefalografii klinicznej. Dziś technologia zapisu EEG zapewnia wystarczające próbkowanie w czasie i przestrzeni: nawet tysiące herców i do 130 obserwowanych jednocześnie odprowadzeń (elektrod na głowie). Natomiast jeszcze wiele do zrobienia pozostaje w dziedzinie analizy i interpretacji otrzymanych w ten sposób danych, gdyż na przykład w zastosowaniach klinicznych EEG podstawową metodą jest wciąż – pomimo ogromnego rozwoju matematyki i informatyki – analiza wzrokowa. Na pewno nie da się jej zastosować w interfejsach mózg-komputer, bowiem tu konieczne są metody automatyczne.

SOS do świata
Celem działania interfejsów mózg-komputer jest bezpośrednie sterowanie komputerem za pomocą mózgu. Odpowiednio zaprogramowany komputer umożliwia komunikację z otoczeniem bez pośrednictwa mięśni – poprzez pisanie tekstów lub sterowanie urządzeniami, np. włączenie i wyłączenie oświetlenia czy telewizora.
Głównym zastosowaniem BCI jest umożliwienie komunikacji ze światem zewnętrznym pacjentom w ciężkich stadiach takich chorób jak stwardnienie zanikowe boczne. Ta okrutna, neurodegeneracyjna choroba układu nerwowego niszczy część centralnego układu nerwowego odpowiedzialną za ruch, nie uszkadza natomiast czucia, zdolności poznawczych i intelektu. Pacjenci w tym stanie wykazują dużą wolę życia, a ich średnia ocena jakości życia jest znacznie wyższa niż powszechnie uważamy. W badaniach skali depresji pacjenci ze stwardnieniem zanikowym bocznym wypadają wprawdzie gorzej niż grupa kontrolna pacjentów zdrowych, ale znacząco lepiej od pacjentów depresyjnych bez żadnych fizycznych objawów paraliżu, i mieszczą się w przedziale normy. Podobnie wyglądają pomiary skali jakości życia.

Czynnikiem, który może przyspieszyć decyzję chorych o rezygnacji z korzystania z aparatury podtrzymującej oddychanie, jest właśnie strach przed całkowitym zamknięciem i brakiem jakiejkolwiek komunikacji z otoczeniem. W skrajnych stadiach stwardnienia zanikowego bocznego interfejs mózg-komputer może być jedyną nadzieją na jej zachowanie. Celem naukowców pracujących nad BCI jest całkowite uniezależnienie komunikacji z otoczeniem od resztkowej funkcjonalności mięśni, np. ruchów gałek ocznych czy kontroli oddechu. Takie niezależne interfejsy mózg-komputer (ang. independent BCI) są jedyną drogą komunikacji w skrajnych stadiach chorób, tzw. completely locked-in state. Nim on nastąpi, pacjent musi zdecydować się na podłączenie do systemu wymuszonego oddychania ze względu na zanik funkcji mięśni – także oddechowych. W przeciwnym razie umrze.

Odczytać intencję
Wśród BCI opartych na EEG najefektywniej działają trzy podstawowe wzorce:

• SSVEP (ang. Steady State Visual Evoked Potentials) – w których istotne jest koncentrowanie uwagi na symbolu migającym z częstotliwością odzwierciedlaną w EEG. Na przykład na matrycy cyfr 3x3 każda klatka miga z inną częstotliwością. Skoncentrowanie uwagi na jednej z cyfr powoduje pojawienie się w EEG odpowiadającej jej częstotliwości. Ten typ BCI zapewnia obecnie najszybszy transfer informacji wśród interfejsów wykorzystujących elektroencefalogram;

• P300 – bazujące na wykrywaniu potencjałów wywołanych przez podświetlenie, np. oczekiwanej litery. W tej metodzie najczęściej podświetlane są wiersze i kolumny macierzy liter. Podświetlenie wiersza lub kolumny, gdzie znajduje się litera, na której koncentrujemy uwagę, powoduje pojawienie się specyficznego potencjału wywołanego. Niestety, przy aktualnym stanie metodologii analizy sygnałów, jego detekcja może wymagać szeregu powtórzeń, co zmniejsza szybkość transferu informacji;

• ERD/ERS (ang. Event-Related Desynchronization/Synchronization) – oparte są na odczycie intencji ruchu prawą/lewą ręką i np. stopą. Ten najbardziej naturalny tryb sterowania przez EEG, w którym np. wyobrażenie ruchu prawą ręką może oznaczać „skręć w prawo”, a ruchu stopą – „poruszaj się do przodu”, jest jednocześnie najbardziej skomplikowany w realizacji. Odróżnienie intencji ruchu lewą i prawą kończyną możliwe jest częściowo dzięki lateralizacji funkcji mózgu, więc wymaga zastosowania dużej liczby elektrod. Jeszcze trudniejsza jest detekcja samych ERD/ERS, które w „czystej” postaci widoczne są po uśrednieniu EEG z wielu powtórzeń tego samego wyobrażenia.
We wszystkich przedstawionych wzorcach potencjały odczytane z powierzchni głowy muszą być odpowiednio przetworzone przez komputer, aby można je wykorzystać do sterowania urządzeniami.

Polski prototyp
BCI to zaawansowana technologia, której wdrożenie i stosowanie wymaga ciągłej współpracy badaczy. Aktualnie jedyną szansą dla wspomnianych...

Ten artykuł dostępny jest tylko dla Prenumeratorów.

Sprawdź, co zyskasz, kupując prenumeratę.

Zobacz więcej

Przypisy