BCI – brain computer interface  
Donedávna byla přímá komunikace mozku s počítačem jen námětem pro vědeckofantastické romány a filmy. Rakouský neurolog Gert Pfurtscheller vybavil pacienta ochrnutého na celém těle robotickou protézou a ten po pěti měsících tréninku dokázal prostřednictvím BCI snímajícím elektroencefalografické vlny z jeho hlavy donutit robotickou paži k tomu, aby uchopila jablko a donesla mu je k ústům. Zcela bezvládný pacient se tak mohl zakousnout do jablka, které si sám podal….

Jaroslav Petr, Výzkumný ústav živočišné výroby, Přátelství 815, Uhříněves, 104 01,  E-mail: petr@vuzv.cz

Vize autorů sci-fi  o počítačích řízených přímými povely lidského mozku se stávají skutečností. Lidem, kterým nemocný nervový systém „uvěznil“ mozek v nepohyblivém těle, svítá šance na kontakty s vnějším světem.

Dvě soupeřící koncepce
Donedávna byla přímá komunikace mozku s počítačem jen námětem pro vědeckofantastické romány a filmy. Pak se do výzkumu v této oblasti pustilo několik odvážných nadšenců. Dnes je vývoj a zdokonalování BCI čili brain computer interface (zařízení umožňující přenos signálů z mozku do počítače) předmětem zájmu desítek nových týmů.

„Zažíváme vzrušující časy,“ říká průkopník na poli BCI Jonathan Wolpaw z Wadswothova centra při New York Department of Health v americkém Albany. „Do výzkumu a vývoje se hrne obrovské množství nových lidí.“

Většina BCI „čte“, byť se značným omezením, elektromagnetické vlny provázející aktivitu mozku a to přímo přes kůži i lebku. Impulsy z mozku jsou převáděny do počítače, který na ně reaguje buď sám, nebo je po zpracování předává v podobě výkonných povelů dalším mechanickým zařízením. Člověk napojený na BCI může vědomou změnou aktivity mozku pohybovat kurzorem na monitoru počítače, volit písmena abecedy a řadit je do slov a vět nebo řídit pohyb jednoduchých robotů. Výhodou této koncepce je fakt, že není zapotřebí zavádět do mozku elektrody, které by přímo snímaly elektrické signály z jednotlivých oblastí mozku. Na druhé straně ale platíme za tento „komfort“ nízkou rozlišovací schopností  Proto se řada výzkumných týmů intenzivně zabývá vývojem BCI, které by se voperovaly do hlavy pacienta a napojily by se přímo na mozek. Takové BCI zachytí podstatně detailnější informace o dějích v mozku a v jejich možnostech je dokonce reakce na podráždění jednotlivých neuronů. Nejdokonalejší typy těchto BCI nedávno umožnily pokusným opicím ovládat pouhými „myšlenkami“ robotickou paži nebo hrát jednoduché videohry. O tom, kterému typu BCI  patří budoucnost, se mezi odborníky vedou zuřivé debaty.

V poslední době učinil vývoj nových BCI velký pokrok. Pomohl mu k tomu dokonalejší a levnější hardware i software, který dal výzkumníkům do rukou přenosné počítače s velkým výkonem. Významně se na pokroku podílí i neustálý příliv peněz. Americký National Institute of Health například udělil konsorciu výzkumných týmů vedenému lidmi z Wodsworth Center grant ve výši 3,3 milionu dolarů na vývoj software, kterým by se testovaly různé BCI a vybíraly by se systémy nejvhodnější pro klinické zkoušky na pacientech.

Ještě mnohem větší částku, celkem 26 milionů dolarů, dostal od amerického ministerstva obrany výzkumný tým z Duke University na vývoj BCI, které by se v operovávaly do mozku. Ministerstvo si od těchto technologií slibuje, že dodají vojákům schopnost přesnějšího ovládání ponorek nebo letadel nebo dokonalejšího ovládání mechanických paží pro manipulaci s municí.

Zatím má s BCI osobní zkušenost jen hrstka lidí, kteří se účastnili některých testů. Největší skupina, která se testování BCI podrobila, čítala 11 dobrovolníků  Většina z těchto lidí je naprosto zdravá. Začínají ale i první zkoušky na pacientech, kteří v důsledku zranění míchy nebo onemocnění nervového systému neovládají své tělo a kterým by BCI mohly pomoci alespoň k částečnému návratu do normálního života. V další fázi bychom mohli z možností, jež nabízejí BCI, čerpat všichni. BCI by měly proniknout do všech oblastí našeho života.

Mozkové vlny řídí počítač
Lidský mozek není ani na okamžik v klidu. Miliardy nervových buněk neustále „nasávají“ ionty z vnějšího prostředí, nebo je naopak „vyplivávají“ ven. Vznikají tak slabé elektrické proudy. Elektroencefalograf dokáže výsledné silnější proudy zaznamenat i přes kůži na hlavě a kosti lebky. Počátkem devadesátých let 20. století zjistil neurolog Niels Birbaumer z university v německém Tübingenu, že některé vlny mozkové aktivity mohou lidé do určité míry ovládat vůlí. Soustředil se především na tzv. pomalé vlny vznikající v kůře mozkové. Jde o postupné změny v napětí ve svrchních vrstvách mozku trvající řádově sekundy.

Birbaumer se svými spolupracovníky využil této schopnosti a zkonstruoval pro bezvládné pacienty „hláskovací zařízení“. Pacient si mohl vybrat z abecedy rozdělené na dvě poloviny jednu skupinu, kde se nacházelo jím zvolené písmeno. Volby jedné poloviny abecedy  dosáhl zrychlením příslušných mozkových vln, druhou polovinu vybral naopak zpomalením těchto vln. Vzápětí se mu počítač automaticky rozdělil vybranou polovinu abecedy na dvě části, z kterých si opět vybíral tu, kde se nacházelo zvolené písmeno. Tak pacient pokračoval, dokud neskončil u vybraného písmene. Po dvou měsících tréninku dokázali dva zcela  bezvládní Birbaumerovi pacienti komunikovat s okolím psaním zpráv „myšlenkovým“ výběrem písmen. Tempo komunikace bylo sice zoufale pomalé – jen 2 znaky za minutu – ale i to byl pro nemocné, jejich blízké i lékaře zázrak.

Wolpaw vsadil na mozkové vlny vznikající v přední části mozku řídící pohyby končetin a vyhodnocující podněty, které z končetin do mozku přicházejí. Wolpaw spolu s týmem spolupracovníků naučil dobrovolníky z řad zcela ochrnutých pacientů pohybovat po obrazovce počítače kurzorem nahoru a dolů vědomým snižováním  nebo zvyšováním amplitud příslušných mozkových vln. Začátky byly těžké, ale Wolpawův tým systém neustále vylepšoval a upravoval jej „na míru“ jednotlivým pacientům. Původně nedosahovali ani ti nejlepší přesnosti v ovládání kurzoru  nad 70% ale dnes už dobrovolníci z řad studentů dokážou „silou myšlenky“ posunout kurzor na obrazovce na jednu ze čtyř ikon se stoprocentní jistotou. Aparatura tak učinila významný pokrok na cestě k „mozkové myši“, tedy zařízení, které umožní lidem „silou myšlenky“ ovládat počítač.

„Jakmile dokážou lidé vědomými změnami  svých mozkových vln ovládat počítačovou  myš, otevře se jim celý svět počítačů,“ slibuje si od pokroku Wolpaw, který začíná zkoušet BCI otestované na zdravých dobrovolnících z řad studentů na ochrnutých pacientech na klinice při Drexel University ve Filadelfii.

Na „překvapivé“ vlně
Jak Birbaumerova tak i Wolpawova aparatura je velmi složitá na ovládání a pacientům trvá týdny i měsíce, než se naučí měnit své mozkové vlny tak, aby je zařízení poslouchalo. Proto se vědci snaží vyvinout BCI, které jsou na ovládání o poznání jednodušší. Jedním je BCI vyvíjený Emanuelem Donchinem působícím na University of  South Florida v Tampě. Donchin založil funkci svého BCI na mozkové vlně označované jako P300. Ta je tvořena krátkým vzestupem napětí, jež vrcholí 300 milisekund poté, co do mozku dorazí informace o nějaké náhlé, překvapivé události.

Donchin nabízel dobrovolníkům z řad studentů na obrazovce písmena a další funkce či znaky jako je mezera nebo  vymazání napsaného znaku uspořádané do několika sloupců a řádek. Celé řádky i sloupce  se na obrazovce náhodně rozsvěcují a úkolem dobrovolníka je soustředit se na jedno písmeno, znak či funkci a v duchu si říci „To je ono!“ pokaždé, když se na obrazovce rozsvítí řádka či sloupec s vybraným znakem. To nastává přibližně při každém šestém rozsvícení řádku či sloupce a událost se tak stává pro dobrovolníka „malým překvapením“. Díky tomu vzniká v mozku vlna P300, kterou počítač prostřednictvím BCI zaregistruje. Hledaný znak pak počítač najde na průsečíku řádky a sloupce, které označila vlna P300. S tímto typem BCI dokázali zdraví dobrovolníci „psát“ rychlostí osm znaků za minutu se spolehlivostí volby znaku kolem 80%.

Další zajímavý BCI slibuje zcela ochrnutým osobám pohyb. Zatím tento BCI nepohání kola pojízdného invalidního křesla ale kolečka malého robota. V principu ale k sobě nemají obě zařízení daleko. José del Millán pracující ve švýcarském Ústavu pro umělou inteligenci vyvinul malého robota, kterého mohou dobrovolníci ovládat prostřednictvím BCI. Systém nevyužívá jediné konkrétní mozkové vlny či rytmu, ale řídí se změnami zaznamenanými osmi elektrodami připevněnými k hlavě dobrovolníka. Ten se soustředí na různé věci, například v duchu počítá, představuje si otáčející krychli nebo si představuje pohyb ruky. Každá z těchto aktivit mozku se projeví jinými elektrickými potenciály a počítač je odliší. Dobrovolník může každou z těchto představ následně využít jako náhražku zcela konkrétního povelu pro řízení pohybu robota. Představa otáčející kostky nahradí povel „vpřed“, pohyb ruky povel „stop“ atd. Povely přijímá robot 2krát za sekundu.

„Nejvíc nás překvapilo, že dobrovolníci jsou schopni tímto způsobem řídit robota asi jen o třetinu pomaleji, než když tisknou  ovládací knoflíky přímo rukou,“ říká José del Millán

Další rozvoj BCI silně brzdí okolnost, že systémy vyvíjené různými týmy nejsou vzájemně kompatibilní a nelze je proto vzájemně kombinovat. Mnohé z nich nejsou dokonce koncipovány tak, aby je bylo možné dále rozvíjet a zdokonalovat. Například Wolpaw zjistil, že při chybné volbě vzniká u dobrovolníků používajících jeho BCI  zvláštní signál, který by bylo možné využít k automatickému zrušení chybného povelu. Vyžadovalo by to ale tak rozsáhlé přeprogramování stávajícího BCI, že se do něj Wolpawův tým ani nepouštěl.

V roce 2000 se Wolpaw pokusil tento problém vyřešit tím, že spojil svůj tým s Birbaumerovým týmem v Tübingenu. Společně se pustili do vývoje BCI, který by byl dostatečně „pružný“ a dovoloval by snadné doplňování o nové prvky. Tento BCI si nenechávali jen pro sebe a nabídli jej dalším týmům, což významně přispělo k rozvoji celé vědní disciplíny. Celý systém vycházel z obecně rozšířeného systému Windows, s kterým jsou obeznámeni uživatelé počítačů na celém světě. Vědci tak svůj BCI zpřístupnili širší veřejnosti, protože se s ním snáze naučí pracovat i laičtí ošetřovatelé, kteří pak mohou pracovat s jednotlivými pacienty. Táím se také výrazně redukuje potřeba drahých konzultací s počítačovými specialisty.

Výsledkem této aktivity je BCI2000 složený ze čtyř základních modulů. První modul snímá aktivitu mozku, zesiluje tyto signály a převádí je do digitální formy „stravitelné“ pro počítač. Druhý modul dokáže ze signálů získaných prvním modulem vybrat určitý typ signálu, například „překvapivou“ vlnu P300, a převést jej na výkonný povel určený dalším zařízením, např. pro pohyb kurzoru na obrazovce počítače. Třetí modul je určen pro vlastní ovládání „přídavných“ zařízení. Čtvrtý modul je určen pro startování a vypínání BCI a jeho „naladění“, např. určení rychlosti jeho funkcí.

Také programové vybavení BCI2000 znamenalo pro rozvoj disciplíny velký přínos. Například pomohlo Donchinovi ze slepé uličky, v které se floridský badatel ocitl poté, co se jeho BCI ukázal jako zcela nekompatibilní se současnými počítači. To bránilo testování zařízení na pacientech. Autoři BCI2000 ale dokázali svůj BCI naprogramovat tak, že na něj napojený Donchinův  BCI  dokonale fungoval. Další týmy zapřahají BCI2000 do služeb nepohyblivých lidí tím, že vyvíjejí „myšlenkové vypínače“ pro nejrůznější domácí spotřebiče – televizory, radiopřijímače, ale i ovladače pro okenní žaluzie stínící byt před nepříjemným slunečním svitem.

Zdokonalují se i komunikační systémy, které přecházejí od jednoduchých „hláskovačů“ sestavujících zprávu po písmenech k „chytrým“ systémům, které „uhádnou“ slovo poté, co je napsán jeho začátek. Vyvíjí se i internetové prohlížeče, které by bylo možné ovládat vědomou změnou mozkových vln. Zatím se testují na „umělých“ mozkových vlnách vytvářených v laboratorních zařízeních, ale brzy by je měli odzkoušet i zdraví dobrovolníci a po nich by se snad mohli dočkat i první pacienti, jimž jsou BCI určeny především.

S elektrodami v mozku
Mnoho odborníků sdílí přesvědčení, podle kterého je snímání signálů elektrodami připevněnými k hlavě „slepou uličkou“. Tento typ BCI snímá výsledky aktivity milionů nervových buněk a navíc je čte silně zkreslené po průchodu kostí lebky a kůží. Je to jako když jdete po ulici před fotbalovým stadionem, kde se právě hraje utkání,  a nasloucháte vřavě, která k vám doléhá z tribun. Relativně nová generace BCI využívá elektrod voperovaných přímo do mozku. Tato zařízení zachytí bezprostředně aktivitu malé skupinky neuronů. Pokud bychom se vrátili přirovnáním na náš pomyslný fotbalový stadion, pak v tomto případě sedíme přímo na  tribuně a posloucháme, co si vyprávějí lidé v řadě za námi. V tomto případě snímají vědci z mozku skutečně aktivitu neuronů, která nesou zcela konkrétní povely mozku pro pohyb nebo slovo.

Jedním z mála lidí, kteří měli možnost odzkoušet tento typ BCI byl muž uváděný pod pseudonymem Johny Ray. Ten utrpěl vážnou mozkovou cévní příhodu, po které zůstal prakticky celý ochrnutý. Neurolog Philip Kennedy ze společnosti Neural Signals spolu se svými spolupracovníky Ronem Bakayem a Princewill Ehirimovou voperoval v roce 1998 Rayovi do mozku elektrody BCI, s jejichž pomocí mohl pacient ovládat kursor počítače. Ray dokázal psát jednoduché zprávy, např. „Mám hlad.“, a BCI mu ulehčoval život až do jeho smrti na jaře roku 2002.

Kennedy použil pro konstrukci BCI nového typu elektrody, ke které neurony přirostou a které jsou proto v mozku ukotveny natolik pevně, že dovolují stálé snímání aktivity okolních nervových buněk. Johny Ray dostal BCI s pouhými dvěma elektrodami. Kennedy už má ale připraven BCI s osmi elektrodami a jiné výzkumné týmy se snaží zkonstruovat BCI s několika desítkami či stovkami elektrod. Odborníci jsou přesvědčeni, že BCI se stovkami a tisícovkami elektrod už by mohly řídit práci umělých protéz.

Takové BCI se zatím testují na laboratorních zvířatech. Už v polovině 90. let dokázali vědci z Medical College ve Philadelphii voperovat do mozku laboratorních potkanů 47 elektrod BCI, kterým pak potkani ovládali napáječku. Když měla zvířata žízeň, stačilo jim jen „pomyslet“ a z ústí napáječky začala vytékat voda. Stejný tým v roce 2000 voperoval elektrody BCI do mozku opice v oblasti zodpovědné za řízení pohybů přední končetiny. Opice ovládala pomocí tohoto BCI robotickou paži a sahala s ní pro ovoce, na než z klece nedosáhla vlastní rukou. S pokusy na zvířatech lze ale dojít jen po určitou hranici. Zvíře při nich například stále pohybuje i vlastní končetinou a neuvědomuje si, že ovládá mechanické zařízení svými nervovými impulsy. Nebylo proto s to se v ovládání zařízení nijak výrazně zlepšovat. Vědci z Arizona State University však dokázali překročit i tento pomyslný práh. Pokusné opice vybavili BCI snímajícím aktivitu neuronů ovládajících pohyb přední končetiny a zároveň pokusnému zvířeti tuto končetinu připoutali k tělu, aby s ní nemohlo pohnout. Teď měly před sebou opice zhruba stejně těžký úkol, jaký čeká ochrnutého pacienta při ovládání protézy nahrazující končetinu. Po třech týdnech snažení dokázala jedna pokusná opice ovládat prostřednictvím BCI kurzor počítače, jako kdyby to dělala vlastní „rukou“.

Následovaly pokusy s robotickou paží. Opice při něm byly vybaveny BCI s elektrodami snímajícími aktivitu neuronů v oblasti zodpovědné za řízení pohybu přední končetiny a zároveň dostaly náhražku hmatu. Čím silněji tlačila opice svými nervovými impulsy na stisk prstů robotické paže, tím silnější vibrace se jí přenášely na maličký vibrátor připevněný na kůži. Opice tak má kontrolu nad silou stisku robotické paže a  měla by se s ní naučit manipulovat tak, aby předměty neupustila nebo naopak nepoškodila příliš silným stiskem.

Před prvními zkouškami těchto BCI u lidí bude nejprve nutné prověřit jejich bezpečnost. Důležitou vlastností je i „dlouhověkost“ elektrod, které nelze pacientům každou chvíli měnit. Pokusným opicím vydržely některé elektrody v plně funkčním stavu i tři roky, ale není jisté, zda je tak dlouhodobá spolehlivost elektrod pravidlem nebo spíše výjimkou. Vyvíjejí se proto i zcela nové typy elektrod, jež by dokázaly snímat aktivity neuronů v lidském mozku co nejšetrněji.

Nové protézy by ale mohly být ovládány i BCI, jež snímají aktivitu mozku přes lebku a kůži. Rakouský neurolog Gert Pfurtscheller vybavil pacienta ochrnutého na  celém těle robotickou protézou a ten po pěti měsících tréninku dokázal prostřednictvím BCI snímajícím elektroencefalografické vlny  z jeho hlavy  donutit robotickou paži k tomu, aby uchopila jablko a donesla mu je k ústům. Zcela bezvládný pacient se tak mohl zakousnout do jablka, které si sám podal.

Poznámka: Články v rubrice Kabinet jsou určeny pro potřeby pedagogů.  Jsou doplněny obrázkovými soubory o velikosti přesahující 1 MB. Stahování připojených souborů může trvat několik minut.

Připojená presentace ve formátu ppt:  Lidské oko

Datum: 18.02.2004
Tisk článku

Protetika III - Jörg Rudolf Strub, Kern Matthias, Jens Christoph Türp, Witkowski Siegbert, Heyedecke Guido, Wolfart Stefan
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 849 Kč
cena: 798 Kč
Protetika III
Jörg Rudolf Strub, Kern Matthias, Jens Christoph Türp, Witkowski Siegbert, Heyedecke Guido, Wolfart Stefan

Diskuze:

Žádný příspěvek nebyl zadán



Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni




















Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace