Technologia interfejsu mózg-komputer wychodzi z laboratorium do naszego życia

Połączenie naszych mózgów z komputerami przywołuje wizje podłączenia się do Matrixa lub biegania przez lasy Pandory w Avatarze. Spekulowano na temat łączenia umysłu z maszyną, odkąd zaczęliśmy rozumieć zawiłości układu nerwowego – i jak możemy zintegrować go z technologią komputerową. Widzimy to we wczesnych tropach science-fiction, gdy bezcielesne mózgi kontrolują liczne maszyny, aby wykonywać złowrogie rozkazy jakiejś istoty.  

Interfejsy mózg-komputer (BCI) istnieją już od dłuższego czasu. Jacques Vidal, emerytowany profesor z UCLA, który badał te systemy w latach siedemdziesiątych, ukuł termin BCI. Podstawowym założeniem jest to, że ludzki mózg jest jednostką centralną, która przetwarza informacje sensoryczne i wysyła sygnały elektryczne jako polecenia. Postawienie hipotezy, że komputery można zaprogramować tak, aby interpretowały te sygnały i wysyłały własne sygnały w tym samym języku, było krótkim skokiem logicznym. Ustanawiając ten wspólny język, teoretycznie mózg i maszyna mogą ze sobą rozmawiać. 

Poruszając nim… z wyczuciem 

Wiele zastosowań BCI znajduje się w dziedzinie rehabilitacji nerwowej. Naukowcy od dawna wiedzą, że określone funkcje są zlokalizowane w określonych obszarach mózgu, a dzięki tej znajomości „mapy mózgu” możemy stymulować te obszary do wykonywania odpowiednich funkcji. Na przykład poprzez wszczepienie elektrod do kory ruchowej osoby z brakującymi kończynami można nauczyć poruszania się lub manipulowania protezami poprzez „myślenie” o poruszaniu ręką. Podobnie elektrody można umieścić wzdłuż uszkodzonego rdzenia kręgowego, aby wysyłać sygnały do ​​poruszania sparaliżowanymi kończynami. Technologia ta jest również wykorzystywana do produkcji protez wzroku w celu zastąpienia lub przywrócenia wzroku niektórym osobom. 

W przypadku neuroprotez celem nie jest jedynie naśladowanie utraconej funkcji motorycznej. Na przykład, kiedy podnosimy jajko, nasz mózg mówi nam, jak mocny powinien być chwyt, abyśmy go nie zmiażdżyli. Sharlene Flesher jest częścią zespołu z University of Pittsburgh, który włącza tę funkcję do swoich projektów protez. Kierując się również obszarem mózgu, który „odczuwa” lub wyczuwa stymulację dotykową (kora somatosensoryczna), zespół Fleshera ma nadzieję odtworzyć pozory mechanizmu sprzężenia zwrotnego, który umożliwia nam modulowanie dotyku i nacisku – co jest niezbędne do wykonywania precyzyjne ruchy motoryczne ręki. 

Fiesher mówi, że „całkowite przywrócenie funkcji kończyny górnej polega na używaniu rąk do interakcji z otoczeniem i odczuwaniu tego, czego te ręce dotykają”, a aby „naprawdę manipulować przedmiotami, trzeba wiedzieć, które palce są w kontakcie, z jaką siłą wywiera każdy palec, a następnie wykorzystać te informacje do wykonania następnego ruchu”. 

Rzeczywiste napięcia, przy których mózg wysyła i odbiera impulsy, są bardzo niskie – około 100 miliwoltów (mV). Uzyskanie i wzmocnienie tych sygnałów było ogromnym problemem w badaniach BCI. Tradycyjna droga bezpośredniego wszczepiania elektrod do mózgu lub rdzenia kręgowego niesie ze sobą nieuniknione ryzyko zabiegów chirurgicznych, takie jak krwawienie lub infekcja. Z drugiej strony nieinwazyjne „koszyki nerwowe”, takie jak te używane w elektroencefalogramach (EEG), utrudniają odbiór i transmisję sygnału z powodu „szumów”. Koścista czaszka może rozpraszać sygnały, a środowisko zewnętrzne może zakłócać ich odbiór. Co więcej, podłączenie do komputera wymaga skomplikowanego okablowania, które ogranicza mobilność, więc większość konfiguracji BCI mieści się obecnie w granicach warunków laboratoryjnych. 

Flesher przyznaje, że te ograniczenia ograniczyły również zastosowania kliniczne do określonej populacji z dostępem do tych rozwiązań. Uważa, że ​​zaangażowanie większej liczby badaczy z różnych dziedzin mogłoby pobudzić rozwój i być może zapewnić innowacyjne rozwiązania tych przeszkód. 

„Praca, którą wykonujemy, powinna zachęcić innych do odkrywania tej technologii… eksperci z różnych dziedzin dążący do tego samego celu to znacznie szybsza ścieżka w dostarczaniu pacjentom najlepszych rozwiązań”. 

W rzeczywistości naukowcy i projektanci badają BCI głębiej, nie tylko w celu przezwyciężenia tych ograniczeń, ale także w celu opracowania nowych aplikacji, które wzbudziły większe zainteresowanie opinii publicznej. 

Z laboratorium do gry 

Od swoich początków jako studencki start-up na Uniwersytecie Michigan, firma Neurable z siedzibą w Bostonie stała się obecnie jednym z najbardziej widocznych graczy w rozwijającej się dziedzinie BCI, badając inne podejście do technologii BCI. Zamiast budować własny sprzęt, Neurable opracował zastrzeżone oprogramowanie, które wykorzystuje algorytmy do analizy i przetwarzania sygnałów z mózgu.  

„W Neurable ponownie zrozumieliśmy, jak działają fale mózgowe” — wyjaśnia dyrektor generalny i założyciel, dr Ramses Alcaide. „Możemy teraz uzyskać te sygnały ze standardowych ustawień EEG i połączyć je z naszymi algorytmami uczenia się, aby przebić się przez szum i znaleźć właściwe sygnały z dużą szybkością i dokładnością”. 

Inną nieodłączną zaletą, według Alcaide, jest to, że ich zestaw do tworzenia oprogramowania (SDK) jest niezależny od platformy, co oznacza, że ​​można go zastosować do dowolnego kompatybilnego oprogramowania lub urządzenia. To oderwanie się od formy „laboratorium badawczego” jest świadomą decyzją biznesową firmy, aby otworzyć możliwości, gdzie i jak technologia BCI może być zastosowana. 

„Historycznie BCI były przechowywane w laboratorium, a my tworzymy produkt, z którego każdy może skorzystać, ponieważ nasze zestawy SDK mogą być używane w dowolnym celu, medycznym lub nie”. 

To potencjalne uwolnienie sprawia, że ​​technologia BCI jest atrakcyjna w wielu zastosowaniach. W niebezpiecznych zawodach, takich jak organy ścigania lub straż pożarna, symulowanie rzeczywistych scenariuszy bez wymaganego niebezpieczeństwa może okazać się nieocenione w procesie szkolenia. 

Duże emocje budzi również potencjalne zastosowanie komercyjne w dziedzinie gier. Entuzjaści gier już teraz marzą o całkowitym zanurzeniu się w wirtualnym świecie, w którym środowisko sensoryczne jest jak najbardziej zbliżone do rzeczywistości. Bez przenośnego kontrolera gracze mogą „myśleć” o wykonywaniu poleceń w środowisku wirtualnym. Wyścig w celu stworzenia najbardziej wciągających gier skłonił wiele firm do zbadania komercyjnych możliwości BCI. Neurable widzi przyszłość w komercyjnej technologii BCI i przeznacza środki na tę ścieżkę rozwoju. 

„Chcemy, aby nasza technologia była osadzona w jak największej liczbie aplikacji programowych i sprzętowych” — mówi Alcaide. „Pozwalając ludziom na interakcję ze światem wyłącznie za pomocą aktywności mózgu, oto prawdziwe znaczenie naszego motta: świat bez ograniczeń”.