Jak to działa... Interfejs mózg - komputer i… znów mózg
Mówienie o "bezpośredniej" komunikacji mózgów jest nieprecyzyjne. W przesyłaniu sygnałów pośredniczą bowiem sensory odbierające impulsy bioelektryczne, komputery przetwarzające je i korzystające ze skomplikowanych algorytmów tłumaczących, urządzenia wzbudzające mózg odbiorcy, wreszcie same łącza komunikacyjne, np. Internet. Jest tu więc obecna cała techniczna infrastruktura pośrednicząca w owej "telepatii".
EEG nie czyta, co myślimy
Obecnie interfejs mózg - mózg (brain-to-brain interface, BBI) to w rzeczywistości komunikacja mózgu nadawcy z maszyną (komputerem) (2), zaś po przetworzeniu sygnału - komunikacja w drugą stronę: maszyny do mózgu. W nowych eksperymentach wykorzystuje się doświadczenia wielu lat prac nad tzw. brain-computer interface (BCI), czyli urządzeniami pozwalającymi na komunikację za pomocą myśli poprzez odczyt fal mózgowych, bez pośrednictwa mięśni.
Warto przy okazji pamiętać, że interfejsy takie nie odczytują wszystkich naszych myśli, tylko świadome wybory dokonywane w umyśle lub też stany koncentracji uwagi.
Technika BCI wykorzystuje odczytywany za pomocą elektroencefalografu (EEG) zapis aktywności bioelektrycznej mózgu. Nie chodzi oczywiście o "treść" myśli. Poznajemy jedynie sposoby pracy dużych grup neuronów, czyli "jak" myślimy w sensie aktywności obszarów mózgu (3) i określonych zespołów komórek mózgowych, a nie "co" myślimy.
Dzięki EEG możemy np. rozpoznać, które z komórek mózgowych w danym momencie intensywniej pracują. Elektrody elektroencefalografu są nieinwazyjne, w odróżnieniu od elektrokortykografii (ECoG), w której sensory umieszcza się na korze mózgowej, co oczywiście wymaga operacji chirurgicznej.
Aktywność elektryczną w mózgu człowieka odkrył Hans Berger w 1924 roku, co zapoczątkowało rozwój elektroencefalografii. Jako pierwszy nagrał on ludzką aktywność mózgu za pomocą EEG. Analizując wyniki EEG, Berger był w stanie zidentyfikować aktywność mózgu, taką jak fale alfa (8-12 Hz), znane również jako fale Bergera. Początkowo jednym z głównych problemów była detekcja elektrycznych impulsów o niezwykle małych napięciach. Dopiero zastosowany przez Bergera galwanometr Siemensa z podwójną cewką, który pokazywał napięcie elektryczne rzędu jednej tysięcznej wolta, pozwolił skutecznie rejestrować efekty bioelektryczne.
W 1969 roku badania na Waszyngtońskim Uniwersytecie Medycznym w Seattle pokazały po raz pierwszy, że małpy mogą nauczyć się kontroli ugięcia ramienia robota za pomocą biologicznego sprzężenia zwrotnego z aktywności nerwowej mózgu.
W latach 80. ubiegłego wieku Apostolos Georgopoulos z Uniwersytetu Johna Hopkinsa odkrył matematyczny związek między elektrycznymi sygnałami neuronów kory ruchowej małpy a kierunkiem, w którym ruszała ramionami. Odkrył też, że rozproszone grupy neuronów, w różnych obszarach mózgów małp, wspólnie kontrolowały rozkazy ruchu. Niestety, z powodu technicznych ograniczeń urządzeń, mógł nagrywać jednocześnie tylko wybrane zapłony neuronów, nie zaś wiele różnych.
W połowie lat 90. udało się w niektórych ośrodkach badawczych przechwycić skomplikowane sygnały kory ruchowej mózgu. Nagrywano zespoły neuronów i używano ich do kontroli urządzeń zewnętrznych. Pierwszy połączony z korą mózgową interfejs mózg - komputer zbudowano w zespole Philipa Kennedy’ego przez wszczepienie elektrod do mózgów małp.
Zdekodowane koty i małpy z robotami
W 1999 roku naukowcy pod kierownictwem Yanga Dana z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley zdekodowali impulsy neuronowe, co umożliwiło im odtworzenie obrazów widzianych przez koty. Zespół użył siatki elektrod usytuowanych na wzgórzu tzw. ciała kolankowatego (które integruje wszystkie bodźce zmysłowe mózgu). Badacze połączyli elektrody z grupą komórek mózgu kota, która dekoduje obrazy z siatkówki. Kotom pokazano osiem krótkich filmów, następnie nagrano impulsy neuronowe z ich mózgów. Korzystając z matematycznych algorytmów, badacze zdekodowali sygnały, by utworzyć filmy z tego, co widziały koty, i udało im się odtworzyć rozpoznawalne sceny i poruszające się obiekty.
W 2000 roku zespół Miguela Nicoleisa zbudował system BCI, który odtwarzał ruchy małp w czasie, gdy te operowały joystickiem lub sięgały rękoma po jedzenie. Interfejs ten działał w czasie rzeczywistym i mógł także przesyłać zdalnie dane do innego robota, korzystając z Internetu. Początkowo małpy nie widziały robota i ten system nazwano BCI z otwartą pętlą. W późniejszych eksperymentach "pętlę zamknięto", co oznacza, że małpy miały sprzężenie zwrotne w postaci widoku na ekranie ramion poruszanego przez nie robota.
Późniejsze eksperymenty typu BCI koncentrowały się na zmniejszaniu liczby „nagrywanych” neuronów oraz rozwinięciu zdolności kontroli ruchów maszyn w przestrzeni trójwymiarowej (4). Naukowcom udało się w ubiegłym dziesięcioleciu skonstruować system, dzięki któremu laboratoryjne małpy mogły się nakarmić za pomocą robotycznego ramienia sterowanego myślami.
W Polsce także pracuje się nad tego rodzaju interfejsami. W roku 2008 na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego przeprowadzono pierwszy publiczny pokaz działania interfejsu mózg-komputer. W roku 2012 system stworzony na Wydziale Fizyki UW prezentowano na największych w świecie targach komputerowych CeBIT w Hanowerze. Był to najbardziej zaawansowany i najszybszy z prezentowanych tam interfejsów mózg - komputer.
Rozwój technik BCI doprowadził do tego, że można podobny interfejs zbudować nawet w amatorskich warunkach. Elektrody kosztują kilkadziesiąt złotych. Inna sprawa, że odpowiednie ich przygotowanie i mocowanie wymaga wiedzy i doświadczenia. Sygnał EEG potrzebuje specjalnych wzmacniaczy i to są już większe koszty, idące w tysiące złotych. W komputerze, z którym połączona jest instalacja, potrzebne jest specjalne oprogramowanie do interpretowania danych napływających z mózgu przez elektrody. Co ciekawe, jest ono dostępne w Internecie darmowo - do wyboru mamy programy Open EEG lub Open BCI.
Jeśli mówimy o wykorzystaniu EEG jako interfejsu mózg - maszyna (5), to trzeba pamiętać, że wymaga ono od uczestników eksperymentów intensywnego i długotrwałego szkolenia. Kto zetknął się z takimi rodzajami ćwiczeń koncentracji, jak biofeedback (np. dla uczniów lub sportowców), ten wie, że wyuczenie się odpowiednich skupień, które pobudzą elektrody, wymaga sporo pracy i czasu.
Jak szczur ze szczurem i człowiek ze szczurem
O ile interfejs mózg - maszyna ma już długą i bogatą historię, o tyle łączenie mózgów to temat stosunkowo nowy, który właściwie "eksplodował" dopiero w 2013 roku. Wprawdzie wcześniej przeprowadzano pewne próby, np. eksperymenty Christophera Jamesa z Uniwersytetu w Southampton w Wielkiej Brytanii, w których z mózgu nadawcy przesyłano czterobitowy kod cyfry do mózgu odbiorcy. Były to jednak bardzo skromne początki.
Wiosną 2013 r. głośno zrobiło się o eksperymencie naukowców z Duke University, którzy "telepatycznie", przez sieć komputerową, skomunikowali dwa szczury: jeden był w Brazylii, drugi w Karolinie Północnej w USA (6).
Szczur kodujący, nadawca sygnału, widział światło, które, - jak go wcześniej wyćwiczono - było sygnałem do naciśnięcia określonej dźwigni. Światło widział tylko on i miał jedynie za pomocą impulsu elektrycznego, przesłanego siecią pomiędzy szczurzymi mózgami, przekazać koledze znajdującemu się w oddalonym miejscu informację o tym, którą dźwignię należy nacisnąć. I to się udało. Szczur dekodujący sygnał, mimo że nie był trenowany w prawidłowej reakcji, naciskał właściwą dźwignię tylko za sprawą sygnału przekazanego mu od trenowanego nadawcy.
W ramach innego eksperymentu naukowcy próbowali przesyłać pomiędzy mózgami wrażenia dotykowe. Szczury musiały ocenić swoimi wąsami szerokość otworu i następnie uderzyć nosem w lewy lub prawy podajnik wody w zależności od tego, czy otwór był wąski czy szeroki. Następnie szczury podzielono na grupy kodujących i dekoderów. Szczury z drugiej grupy nie miały otworów, jako wskazówek, a mimo to w 65% przypadków wybierały właściwy podajnik. Bezpośrednia komunikacja "mózg-do-mózgu" stała się faktem. Ale to był dopiero początek sensacji.
Latem dowiedzieliśmy się o eksperymentach BBI naukowców z amerykańskiego Harvardu, którzy zdołali połączyć mózg człowieka z mózgiem szczura. Procedura przebiega w skrócie tak: interfejs mózg - maszyna testował EEG operatora urządzenia pod kątem pojawienia się określonego wzorca fal, wywoływanych przez spojrzenie na obraz wyświetlony na monitorze. Po wykryciu wzorca do interfejsu maszyna-mózg został przesłany sygnał, powodujący uruchomienie przezczaszkowego generatora ultradźwięków, który pobudza wybrane obszary kory mózgu szczura, odpowiedzialne za wykonywanie ruchów. Widoczny efekt był taki, że szczur poruszał ogonem. Od momentu spojrzenia przez sterującego człowieka na ekran monitora do zarejestrowania ruchu ogona zwierzęcia mijało około półtorej sekundy.
Tik, który przyszedł z Internetu
Rozwój wypadków był błyskawiczny i już w sierpniu ukazał się komunikat o eksperymencie dwóch naukowców z University of Washington, którzy połączyli swoje mózgi (nieinwazyjnie, rzecz jasna), dzięki czemu jeden z nich przez Internet przejął kontrolę nad ruchami palca kolegi przebywającego w gabinecie po drugiej stronie kampusu uczelni. Rajesh Rao i Andrea Stocco (7) założyli na głowy nafaszerowane elektrodami hełmy.
W eksperymencie użyto elektroencefalografu, który rejestrował aktywność fal mózgowych pierwszej osoby, przekształcając je w impuls elektryczny, który z kolei przesyłany był przez Internet do urządzenia służącego do przezczaszkowej stymulacji magnetycznej mózgu drugiej osoby. Prof. Rajesh Rao, który grał rolę przekaziciela myśli, poddał się wcześniej treningowi ćwiczącemu umiejętność wzmacniania określonego typu swoich fal mózgowych i tym samym "nadawania" świadomego sygnału samym umysłem.
Aby sprawdzić działanie połączenia, naukowcy wykorzystali prostą grę komputerową. Prof. Rao miał przed sobą ekran i wyobrażał sobie, że prawą dłonią przesuwa na ekranie kursor, którym trafia w przycisk odpalający armatę. W pomieszczeniu po drugiej stronie kampusu siedział Andrea Stocco. Miał na głowie zwykły czepek pływacki z przyłożoną nad lewą korą ruchową głowicą do tzw. przezczaszkowej stymulacji magnetycznej mózgu (TMS).
Urządzenie to przez indukcję w szybko zmieniającym się polu magnetycznym wywołuje depolaryzację i hiperpolaryzację neuronów w mózgu, czyli pobudzenie tych obszarów, które odpowiadają za określone działanie (np. ruch ręki i palca). W opisywanym eksperymencie, po otrzymaniu sygnału i stymulacji przez TMS mózgu odbiorcy, wykonał on w tym momencie odpowiedni ruch (8). Stocco opowiada, że wrażenie było podobne jak w przypadku nerwowego tiku - zupełnie nie miał nad tym kontroli.
- Internet jest połączeniem komputerów, ale może także łączyć mózgi. Może w przyszłości nauczymy się przesyłać bezpośrednio wiedzę z jednego mózgu do drugiego - powiedział Andrea Stocco. Doree Armstrong, rzecznik prasowy Uniwersytetu Waszyngtońskiego, wyjaśniła, że badaczom, którzy przeprowadzili eksperyment, zależało na czasie, chcieli być pierwsi na świecie. Podobne badania prowadzą również inni specjaliści i wkrótce zapewne usłyszymy o wynikach ich eksperymentów.
Gdy czytamy o tych wszystkich "telepatycznych" eksperymentach, zaczyna pracować wyobraźnia zarówno w negatywnym, jak i w pozytywnym sensie. Z jednej strony pojawiają się obawy przed narzędziami kontroli umysłu i zamianą ludzkości w rzeszę bezwolnych marionetek. Z drugiej - jest to nadzieja dla ludzi niepełnosprawnych lub całkiem sparaliżowanych np. na protezy sterowane umysłem (9) lub możliwość komunikacji ze światem (zobacz także: Medycyna i druk 3D). Tak to bywa z nowymi technologiami - nie mają jednoznacznego oblicza moralnego.
Na prezentowanym filmie można obejrzeć eksperyment polegający na sterowaniu szczurem bezpośrednio przez mózg człowieka:
Prezentowany film przedstawia eksperyment bezpośredniej komunikacji pomiędzy ludzkimi mózgami:
Mirosław Usidus
