Moc impulsów z mózgu

Autor: Krzysztof Kęciek | 17 marca, 2014

Protezy, wózki inwalidzkie, a nawet samochody i helikoptery mogą być sterowane siłą myśli
Naukowcy robią postępy w procesie łączenia mózgu z maszyną i dają nadzieję osobom sparaliżowanym oraz ofiarom poważnych wypadków.
Specjaliści wykorzystują badania bioelektrycznej czynności mózgu. Tworzą coraz sprawniejsze interfejsy mózg-komputer (ang. brain-computer interface, BCI), pozwalające na bezpośrednią komunikację między mózgiem a urządzeniem zewnętrznym. Sukcesy są możliwe dzięki coraz bardziej wyrafinowanym metodom badania mózgu. Praca centralnego organu nerwowego zwierząt doświadczalnych jest analizowana za pomocą światła laserowego, barwników fluorescencyjnych, sond magnetycznych oraz połączonych ze sobą setek elektrod o średnicy zaledwie kilku mikrometrów. Elektrody wykonane są z krzemu, irydu, platyny, stali lub wolframu. Naukowcy rozpoznają wzory sygnałów elektrycznych w mózgu, które pojawiają się w określonych sytuacjach. Pacjent uczy się świadomego wytwarzania tych wzorów, aby siłą myśli wprawić przedmiot w ruch.
Specjaliści z niemieckiej firmy Ottobock doskonalą protezę ramienia wyposażoną w sześć stawów, po raz pierwszy pokazaną sześć lat temu w Wiedniu. Protezą można poruszać w wielu kierunkach. „Sztuczne ramię kierowane myślą umożliwia sterowanie intuicyjne. Pacjent myśli o ruchu utraconego ramienia”, wyjaśnia Hans Dietl, jeden z dyrektorów firmy. Warunkiem działania protezy jest jednak przeprowadzenie skomplikowanej operacji, polegającej na przemieszczeniu nerwów, które wcześniej kierowały utraconym ramieniem. Syntetyczna ręka zostanie wyposażona w mikrosensory, które umożliwią odczuwanie ciepła i zimna, a także rozpoznawanie struktury dotykanych przedmiotów.
Szwajcarscy badacze z Politechniki Federalnej w Lozannie pracują nad sterowanym myślami wózkiem inwalidzkim. Korzystający z niego niepełnosprawny nakłada czapeczkę z 16 elektrodami. Jeśli chce skręcić w prawo, wyobraża sobie, że porusza prawą ręką, a wózek zmienia kierunek. Niestety, na razie możliwe są tylko dwa zwroty – w lewo i w prawo. Wózek wyposażony jest w kamerę i w sensory rozpoznające przeszkody. Testy w laboratorium przebiegły pomyślnie. Konstruktorzy jednak nie dopuszczają jeszcze pojazdu do ruchu. Trzeba zresztą wyjaśnić kwestie prawne. Jeśli np. dojdzie do wypadku, odpowiedzialny będzie autor „błędnej myśli” czy pojazd, który źle odczytał polecenie mózgowe?

MindWalker

Dzięki funduszom Unii Europejskiej międzynarodowy zespół naukowców po trzech latach pracy skonstruował kierowany myślami aparat pozwalający poruszać się osobom sparaliżowanym. To tzw. szkielet zewnętrzny, czyli egzoszkielet. Urządzenie o nazwie MindWalker jako jeden z pierwszych wykorzystał w rzymskim szpitalu Santa Lucia Antonio Melillo, którego rdzeń kręgowy został przerwany w wypadku samochodowym. Poszkodowany stracił czucie w nogach.
Użytkownik egzoszkieletu nakłada czapeczkę z 16 elektrodami rejestrującymi sygnały mózgu. W skład wyposażenia wchodzą również okulary z migającymi diodami. W każdym szkle zestaw diod miga z inną częstotliwością. Częstotliwość migania wpływa na widzenie peryferyjne użytkownika. Kora potyliczna mózgu analizuje powstające sygnały. Jeśli pacjent koncentruje się na lewym zestawie diod, egzoszkielet zostanie wprawiony w ruch. Koncentracja na prawym zestawie hamuje działanie urządzenia. Przez najbliższe pięć lat MindWalker ma być doskonalony.
Naukowcy podkreślają, że dla sparaliżowanych bardzo ważne jest nie tylko poruszanie się, ale także wstanie z wózka i przyjęcie pozycji pionowej.
Jedną z osób, którym pomógł rozwój neuroinżynierii czy neurotechnologii, jest Jan Scheuermann, 52-letnia amerykańska autorka powieści kryminalnych z Pittsburgha. Na skutek nieuleczalnej choroby nerwowej kobieta straciła władzę w rękach i w nogach, mogła tylko lekko poruszać obojczykami. Jej największym marzeniem stało się samodzielne zjedzenie czekolady. Neurochirurdzy zdecydowali się na eksperymentalną terapię inwazyjną. Jan zgodziła się bez wahania. „Jeśli pojawiła się szansa, musiałam ją wykorzystać. Było to dla mnie tak ekscytujące jak jazda kolejką górską czy skok ze spadochronem”.
Lekarze przewiercili czaszkę pacjentki, do motorycznej kory mózgowej wprowadzili dwa miniaturowe układy scalone, każdy z 96 sensorami. Układy scalone połączone są z dwoma bolcami zaopatrzonymi w kable prowadzące do robota w kształcie ludzkiego ramienia. Jan nazwała go Hektor. Początkowo kobieta musiała intensywnie ćwiczyć koncentrację myśli, aby wprawić maszynę w ruch. „Ale teraz wszystko idzie gładko. Hektor stał się częścią mnie”, opowiada dzielna Jan, która za pomocą automatycznego ramienia sterowanego siłą myśli może wreszcie sięgnąć po czekoladę.

Początek ery cyborgów

System daleki jest od doskonałości, kable przy głowie utrudniają życie, a ruchy automatycznego Hektora nie są płynne. Ale magazyn „Science” już ogłosił początek ery cyborgów.
Trwają prace nad pojazdami sterowanymi mocą ludzkich myśli. Informatycy z Innowacyjnego Laboratorium AutoNOMOS Wolnego Uniwersytetu w Berlinie już trzy lata temu na płycie dawnego lotniska Tempelhof przetestowali tak zmodyfikowanego volkswagena passata. „Jazdy próbne udały się znakomicie. Kierowca wyposażony w zestaw z elektrodami rejestrującymi impulsy mózgu kontrolował pojazd bez problemu. Występowało tylko niewielkie opóźnienie między myślą człowieka a reakcją samochodu”, opowiada stojący na czele zespołu konstrukcyjnego prof. Raúl Rojas. Zestaw elektrod na głowę szofera przygotowała firma Emotiv z San Francisco. Podczas drugiego testu odpowiednio zaprogramowane auto poruszało się automatycznie, tylko na skrzyżowaniach kierowca myślami wyznaczał kierunek skrętu. Samochód ma kamery, skanery laserowe, czujniki ciepła, a także nawigację satelitarną. Urządzenia te pozwalają rozpoznawać obiekty, przechodniów i sygnalizację świetlną. Jednak pojazd ciągle nie jest na tyle sprawny, aby mógł uczestniczyć w ruchu ulicznym.
Jak poinformował magazyn „Journal of Neural Engineering”, profesor inżynierii biotechnologicznej Bin He z Uniwersytetu Minnesoty skonstruował wraz z zespołem miniaturowy helikopter sterowany mocą mózgu. Kierujący śmigłowcem nakłada czapeczkę z 64 elektrodami. Przekazują one myślowe komendy: w górę, w dół, w prawo i w lewo. „Nasze badanie pokazało po raz pierwszy, że można stworzyć latające roboty sterowane myślami”, napisał naukowiec. Wcześniej opracował program pozwalający mocą myśli sterować trójwymiarowym wirtualnym śmigłowcem na ekranie komputera. Rzeczywisty helikopter wygląda jak zabawka i w zasadzie nią jest, ale prof. Bin He ma znacznie ambitniejsze plany. „Chcemy myślami kontrolować wózek inwalidzki, moim marzeniem zaś jest stworzenie technologii, która pozwoli za pomocą myśli sterować protezami rąk i nóg w sposób jak najbardziej naturalny”.
Stworzone przez naukowców urządzenia kierowane impulsami z mózgu są na razie niezwykle kosztownymi i niezbyt sprawnymi prototypami, ale w badania nad mózgiem inwestuje się coraz większe sumy.
W przyszłości można się spodziewać przełomowych wynalazków, które ułatwią życie chorym i sparaliżowanym. Badania nad dziwnymi systemami broni sterowanymi także impulsami mózgowymi prowadzi Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych w Obszarze Obronności (DARPA) przy Departamencie Obrony USA. Na zlecenie Pentagonu pracował zespół pioniera i wizjonera Miguela Nicolelisa z Uniwersytetu Duke’a, który już w 2007 r. opatentował system mający znaleźć zastosowanie w produkcji broni kierowanej siłą myśli. Naukowcy ostrzegają, że impulsy mózgowe mogą zostać wykorzystane do sterowania samolotami automatycznymi, także dokonującymi bombardowań.

Małpy i wirtualne ramiona
W 2003 r. naukowcy po raz pierwszy przeprowadzili skuteczny eksperyment z małpami poruszającymi siłą myśli mechanicznym ramieniem. Prawie 10 lat później w laboratorium Miguela Nicolelisa na Uniwersytecie Duke’a odbyło się inne przełomowe doświadczenie. Małpy nauczyły się sterować dwoma wirtualnymi ramionami jednocześnie. Podczas jednoczesnego ruchu dwóch ramion powstaje specyficzny wzór aktywności mózgu, który wykorzystali naukowcy z zespołu kierowanego przez dr. Petera Iffta. W mózgach zwierząt zostały umieszczone elektrody odbierające sygnały z 347-397 komórek mózgowych. W czasie dwutygodniowego treningu małpy najpierw posługiwały się joystickiem, potem jednak odkryły, że wirtualnymi rękami mogą przesuwać na ekranie komputera kwadraty i kule.