Interfejs mózg-komputer da pacjentom głos

Metoda ta polega na wszczepieniu urządzenia do śledzenia fal mózgowych związanych z mową, które używa zaawansowanych algorytmów do interpretacji pozyskanych danych. Najbardziej ekscytujące postępy w tej dziedzinie pokazują, że pacjent nie musi mrugać oczami ani próbować mówić, żeby się porozumieć ze światem zewnętrznym. Zamiast tego, aparatura przechwytuje i interpretuje litery lub słowa, które dana osoba „wypowiada” w myślach.

Gdzie szukać fal mózgowych?

Pierwszym etapem w budowie interfejsu mózg-maszyna jest podjęcie decyzji, które obszary mózgu należy poddać monitorowaniu. W przeszłości istniało przekonanie, że kształt ludzkiej czaszki może dostarczyć wskazówek dotyczących działania mózgu. Obecnie jednak wiadomo, że jest to nonsens – tak twierdzi David Bjånes, neurobiolog i badacz w Kalifornijskim Instytucie Technicznym (California Institute of Technology, Kalifornijskim Instytucie Technicznym (California Institute of Technology, Caltech). Faktycznie, teraz już wiemy, że nasze zdolności i funkcje wynikają ze złożonej interakcji między różnymi obszarami mózgu. Każdy z nich pełni rolę węzła w sieci neuronowej. Ta wieloaspektowość stwarza zarówno wyzwania jak i możliwości. Nie został jeszcze odkryty konkretny obszar mózgu odpowiedzialny za jego „jego »wewnętrzny język«”. 

Przykładowo, Bjånes i inni badacze odkryli, że część mózgu zwana lewostronnym zakrętem nadbrzeżnym lewostronnym zakrętem nadbrzeżnym (SMG) w płacie ciemieniowym, która zwykle jest związana z manipulacją przedmiotami, dużą wykazuje dużą aktywność podczas mówienia. Uczeni zauważyli to zadziwiające zjawisko podczas obserwacji uczestnika badania dotkniętego tetraplegią (nieodwracalne porażenie czterech kończyn), któremu wszczepiono mikroelektrody. Są to urządzenia o rozmiarze mniejszym niż główka pinezki, pokryte niewielkimi metalowymi wypustkami. Rejestrują one aktywność pojedynczych neuronów i przekazują dane poprzez układ przewodów do komputera w celu dalszego przetwarzania.

Mózg jak stadion

Bjånes porównuje konfigurację interfejsu mózg-maszyna do meczu piłki nożnej, gdzie mózg jest stadionem piłkarskim. Każdy neuron osobą na tym stadionie. Elektrody to mikrofony, które opuszczone nad stadion, rejestrują głos każdego kibica i zawodnika rejestrują głos każdego kibica i zawodnika.

Mamy nadzieję, że umieścimy je [elektrody – przyp. red.] [elektrody – przyp. red.] w pobliżu trenera, komentatora lub widza. Następnie staramy się zrozumieć wydarzenia na boisku. Kiedy słyszymy ryk tłumu, oznacza to bramkę, faul czy strzał w kierunku bramki? Staramy się zrozumieć zasady gry, a im więcej informacji uda nam się uzyskać, tym lepsze będzie nasze urządzenie

stwierdza Bjånes

Lekarze umieszczają wszczepy w przestrzeni pozakomórkowej pomiędzy neuronami, gdzie monitorują sygnały lektrochemiczne przenoszone przez synapsy za każdym razem, gdy neuron zostaje aktywowany. Sygnały te odpowiadają konkretnym działaniom lub intencjom.

Zespół z Caltech zaprogramował swój interfejs mózg-maszyna tak, aby rozpoznawał sygnały, gdy uczestnik badania „wypowiada” w myślach sześć słów (pole bitwy, kowboj, pyton, łyżka, pływanie, telefon) oraz dwa pseudosłowa (nifzig, bindip). Po zaledwie 15 minutach treningu i za pomocą stosunkowo prostego algorytmu dekodującego urządzenie było w stanie rozpoznać słowa z ponad 90-procentową dokładnością.

Słownictwo to podstawa

Aby interfejs opracowany przez naukowców z Caltech mógł być używany przez pacjentów, potrzeba przede wszystkim rozszerzenia słownika. Jednak badacze zaproponowali inne rozwiązanie. Zaprojektowali interfejs mózg-maszyna, który rozpoznaje litery zamiast słów. Sean Metzger, który jest autorem badań, porównuje swój interfejs do rozmowy telefonicznej. Podobnie jak zakłócenia na linii telefonicznej, sygnały mózgowe mogą napotykaćna napotykać na szumy i zakłóceniaa. Jednym ze sposobów ułatwienia rozpoznawania tego, co dana dana osoba mówi, jest stosowanie słów kodowych NATO, takich jak „Alpha” dla litery „„A””, „Bravo” dla litery „„B”” i „Charlie” dla litery „„C””.

Zespół Metzgera przeprowadził eksperyment z udziałem uczestnika, który na skutek udaru mózgu utracił zdolności poruszania się i mówienia. W celu monitorowania aktywności mózgu zastosowano większą matrycę elektrod o wielkości zbliżonej do karty kredytowej, którą wszczepiono do kory ruchowej. Zamiast śledzićśledzić pojedyncze neurony, wszczep był w stanie rejestrować zsynchronizowaną aktywność dziesiątek tysięcy komórek nerwowychkomórek nerwowych.

Choć interfejsyy mózg–maszyna budząą obawy, to okazuje się, że metodęmetodę tę można stosowaćstosować w pozytywny sposób. Dla pacjentów, którzy nie są w stanie mówićmówić, są onesą one szansąą na nowe, lepsze życie. Z pewnością wiele osób dotkniętychosób dotkniętych afazją będzie mogło w ten sposób odzyskać przynajmniej w jakimś stopniu utraconąutraconą normalność. 

Źródła:
1. Marla Broadfoot, Knowable Magazine, „The Smithsonian”, „The Brain-Computer Interfaces That Could Give Locked-In Patients a Voice”, 2023

2. Tim Vernimmen, „Knowable magazine”, „Bypassing paralysis”, 2018