Dostęp bezpośredni

Czterech mężczyzn i dwie kobiety siedziało przed monitorem, który co jakiś czas intensywnie migał. W pobliżu niemal zupełnie nieruchomo leżało sześć białych szczurów laboratoryjnych – jedynie ich długie ogony od czasu do czasu rytmicznie się poruszały. Za każdym razem działo się to dokładnie wtedy, gdy człowiek przed monitorem przynajmniej przez cztery sekundy wpatrywał się w jasną, migającą plamę. Gdy na chwilę odwracał wzrok lub przymykał oczy – ogon szczura zwisał bezwładnie.

Ta czasowa synchronizacja nie była przypadkowa. Przedstawiciele obu gatunków ssaków byli uczestnikami badania opisanego w 2013 r. przez Seung-Schik Yoo i współpracowników. To jeden z pierwszych eksperymentów, w których udało się połączyć, przy użyciu komputera i dwóch technik stosowanych w neuronauce (EEG i tFUS), dwa mózgi – człowieka i szczura.

Osoby siedzące przed komputerami miały na głowach czepek z elektrodami, które pozwalały mierzyć aktywność elektryczną ich mózgów – technika ta znana jest jako elektroencefalografia, EEG. Dobrowolne skupienie wzroku na migającym ekranie wywoływało specyficzny sygnał w mózgu, rejestrowany przez elektrody. W odpowiedzi na ten sygnał komputer generował fale ultradźwiękowe (to tzw. technika tFUS), które wycelowano w konkretny obszar kory mózgowej szczura, odpowiedzialny za kontrolę ruchów ogonem. Zwierzęta były uśpione, ale ich neurony motoryczne, aktywowane przez ultradźwięki, wprawiały ogon w ruch.

Przypadek Hansa Bergera

Ponad 120 lat wcześniej 19-letni Hans Berger zakończył pierwszy semestr studiów i zgłosił się na roczne szkolenie wojskowe. Trafił do kawalerii. Któregoś dnia podczas ćwiczeń spadł z konia, a po kilku godzinach dotarł do niego telegram od ojca, który pytał, czy wszystko z nim w porządku. Członkowie rodziny nie mogli jeszcze usłyszeć o wypadku, nie mieli też zwyczaju kontaktować się z Hansem w ten sposób. Postanowili jednak do niego napisać, ponieważ siostra Hansa miała dziwne przeczucie, że coś złego musiało mu się przydarzyć. Berger uznał, że jego umysł musiał wysłać informację o wypadku bezpośrednio do umysłu jego siostry – czyżby więc telepatia? Cała sprawa tak bardzo go zaintrygowała, że postanowił zrezygnować z planowanej kariery astronomicznej i zająć się badaniem natury zjawisk psychicznych.

Trzy dekady później Berger, pracujący już w Jenie jako psychiatra, dokonał epokowego odkrycia. Zauważył, że przyłożone do czaszki elektrody pozwalają rejestrować zmiany potencjału elektrycznego, a zapis tych zmian zależy m.in. od aktywności podejmowanej przez człowieka. Tak powstała EEG – pierwsza technika pozwalająca na obrazowanie pracy mózgu. Jej produktem są słynne wykresy fal mózgowych, które Berger opisywał i przyporządkowywał do różnych stanów: m.in. odpoczynku, snu, intensywnego myślenia.

Środowisko naukowe z początku sceptycznie odnosiło się do możliwości i wiarygodności tej metody, ale już w czasie drugiej wojny światowej EEG posługiwali się lekarze i badacze na całym świecie. Technika ta wspaniale sprawdzała się m.in. w badaniach diagnostycznych osób z zaburzeniami snu, zapaleniem mózgu, udarami czy padaczką; otwarła także drogę do wielu odkryć dotyczących funkcjonalnej organizacji mózgu. Choć sporą wadą EEG jest niska rozdzielczość przestrzenna – przyłożone do czaszki elektrody rejestrują skutek aktywności elektrycznej wyłącznie dużych grup płytko położonych komórek nerwowych – to jednak łatwość użycia, mobilność, świetna rozdzielczość czasowa (szybka rejestracja zachodzących zmian) i niskie koszty powodują, że to ciągle jedna z najpopularniejszych nieinwazyjnych technik neuroobrazowania. Dziś istnieje na jej temat ogromna literatura i zidentyfikowano wiele rodzajów fal odpowiadających różnym bodźcom czy sposobom ich prezentacji. Z tych wszystkich powodów chętnie wykorzystują ją także twórcy interfejsów mózg-komputer (BCI – ang. brain-computer interface) i mózg-komputer-mózg (BBI – ang. brain-brain interface).

Ci ostatni, łącząc techniki neuroobrazowania i neurostymulacji, od kilku lat wykonują eksperymenty, o jakich marzył Hans Berger. Telepatia bowiem istnieje – tyle że wymaga odpowiedniej technologii.

Malowanie umysłem

Poruszanie szczurzym ogonem samo w sobie nie jest zbyt wymagającym intelektualnie zadaniem – w końcu miliardy szczurów robią to każdego dnia – ale w eksperymencie Yoo i współpracowników niezwykłe było to, że szczurzym ogonem wymachiwał w zasadzie mózg człowieka. To człowiek decydował bowiem, z własnej woli, skupiając wzrok na ekranie, czy i kiedy wprawić w ruch część ciała zwierzęcia – podobnie jak większość ludzi może swobodnie zdecydować, kiedy ruszyć własną kończyną. Wyjątkiem są oczywiście osoby sparaliżowane. To głównie z myślą o nich od wielu lat projektuje się interfejsy mózg-komputer.

Schemat ich działania jest dość prosty: rejestracja ściśle zdefiniowanej aktywności mózgu (np. przy użyciu wszczepionych do mózgu elektrod albo technik nieinwazyjnych, takich jak EEG) powoduje wysłanie do komputera sygnału, który w odpowiedzi wykonuje jakieś zadanie. Często związek pomiędzy aktywnością mózgu a wywoływaną czynnością jest arbitralny: uczestnik badania może być na przykład poinstruowany, że aby przemieścić robotyczną rękę w określoną stronę, należy skupić uwagę na określonej części ekranu, wyobrazić sobie ruch lewą bądź prawą częścią ciała (czym sterują różne półkule mózgowe) albo pomyśleć o czymś przyjemnym. Tego typu komunikacja z komputerem wymaga od użytkownika odpowiedniego, czasem trwającego wiele miesięcy treningu.

W ostatnich latach różni pacjenci, w tym osoby ze zdiagnozowanym zespołem zamknięcia (zob. artykuł Marcina Miłkowskiego na str. 84), byli w stanie nauczyć się w ten sposób poruszać kursorem na ekranie komputera, m.in. po to, by obsługiwać syntezator mowy albo sterować ramieniem robota. Dwoje sparaliżowanych niemieckich artystów – Heide Pfützner i Jürgen Thiele – przy pomocy BCI stworzyło nawet serię prostych komputerowych obrazów.

Całkowicie sparaliżowanym pacjentom tego rodzaju „protezy” mogą w ogromnym stopniu podnieść jakość życia. Niektórzy badacze w takich metodach widzą potencjał rehabilitacyjny – korzystanie z nich ma pobudzać, a może nawet reorganizować uszkodzony mózg, ostatecznie prowadząc do częściowego przywrócenia kontroli nad ciałem. Także osoby zdrowe mogą czerpać korzyści ze stosowania dodatkowych, robotycznych kończyn, nad którymi kontrola byłaby sprawowana bezpośrednio przez mózg. Potencjał tej technologii wydaje się olbrzymi, także ze względu na ciągłe postępy w robotyce, projektowaniu aplikacji mobilnych oraz coraz lepsze techniki neuroobrazowania i odczytywania przez komputer map aktywności mózgu.

Atak piratów

Interfejsy mózg-komputer-mózg idą o krok dalej. Po tym, jak sygnał z mózgu trafi do komputera, jest on interpretowany i przetwarzany na sygnał wysyłany do kolejnego mózgu – dzięki stosowaniu którejś z wielu technik stymulowania neuronów. Nie muszą to być komórki nerwowe szczurów – odbiorcami takich sygnałów byli już ludzie.

W 2014 r. Rajesh Rao i współpracownicy zaprojektowali grę komputerową dla dwóch osób. Ich zadaniem była obrona miasta przed atakami pirackiego statku, raz za razem odpalającego rakiety; gracze kontrolowali działko, które śledziło pociski i pozwalało je zestrzeliwać, zanim doleciały do celu. Dla utrudnienia na niebie czasem pojawiał się przyjacielski samolot, do którego nie należało strzelać. Tylko jeden z graczy (Nadawca) miał przed sobą ekran z grą – zaś drugi (Odbiorca) – siedzący w zupełnie innym budynku, oddalonym o milę – kontrolował działko. Nadawca mógł więc strzelać do statków wyłącznie za pośrednictwem Odbiorcy. Komunikacja następowała zaś wyłącznie poprzez BBI.

Podpięty do EEG komputer rejestrował zamiar zestrzelenia rakiety: Nadawca wyobrażał sobie ruch prawą ręką i w ten sposób przesuwał kursor nad przycisk „ognia!”. Po najechaniu na ten przycisk komputer w drugim budynku otrzymywał sygnał, który przetwarzał na impuls elektromagnetyczny wycelowany w ściśle określony obszar kory ruchowej Odbiorcy (stosowano przezczaszkową stymulację magnetyczną – TMS). Impuls aktywował odpowiednie komórki nerwowe, co prowadziło do ruchu palca umiejscowionego nad guzikiem, który odpalał działko w grze. Jeśli wszystko odbyło się wystarczająco szybko, program zaliczał zestrzelenie rakiety. Jeśli zamiast pocisku pojawiał się przyjacielski samolot, Nadawca nie wyobrażał sobie żadnego ruchu ręką – dzięki czemu do mózgu Odbiorcy nie trafiał żaden impuls prowadzący do pociągnięcia za spust. Jedna z trzech par graczy osiągnęła godną podziwu skuteczność przekraczającą 80 proc. zestrzeleń. W późniejszej wersji tego eksperymentu – w której wykorzystano uproszczoną wersję Tetris – udało się też połączyć ze sobą dwóch Nadawców z jednym Odbiorcą. Co ciekawe, mózg Odbiorcy potrafił „pogodzić” ze sobą sygnały pochodzące z dwóch źródeł, szybko ucząc się odróżniać źródło „wiarygodne” od „niewiarygodnego” (niektóre sygnały były celowo zaszumione).

Rozszerzona jaźń

Ograniczenia zastosowanych metod są oczywiste – z mózgu do mózgu przesyłany był tylko jeden bit informacji (w grę wchodził tylko jeden z dwóch stanów: strzelać do rakiety czy nie, obrócić klocek czy nie). Nie wygląda więc na to, by w najbliższym czasie BBI mogły np. wyprzeć telefony – niezastąpione narzędzie umożliwiające transfer informacji z mózgu do mózgu na dużych odległościach. Trudno sobie także wyobrazić zbiorowe rozwiązywanie problemów wyłącznie w oparciu o przekaz informacji za pośrednictwem BBI, choć i o takich zastosowaniach fantazjują niektórzy badacze. Inni marzą nawet o osiągnięciu „czystej”, nieskażonej językowymi niedoskonałościami komunikacji między ludźmi. Ileż razy nie byliśmy w stanie się wysłowić czy przelać na papier głębi naszych myśli – tylko dlatego, że język nie ma świadomego dostępu do tego wszystkiego, co dzieje się w mózgu. Problem w tym, że sieci połączeń neuronalnych w naszych mózgach prawdopodobnie mocno się różnią między jednostkami, zwłaszcza gdy idzie o kodowanie informacji semantycznych. Przekazanie takiego samego wzorca pobudzenia mózgu mogłoby więc wywołać u odbiorcy zupełnie inne myśli. Tym zaś, co te sieci w jakimś stopniu upodabnia i sprawia, że jednak czasem się dogadujemy, jest właśnie ten niedoskonały język.

Czytaj pozostałe teksty dodatku "WIELKIE PYTANIA NA NOWO: MÓZG"

Wątpliwości te nie oznaczają oczywiście, że badacze zabrnęli w ślepą uliczkę. Niezwykły potencjał BCI i BBI związany jest z plastycznością naszych mózgów i ich zdolnością do integrowania informacji zwrotnych płynących z otoczenia. Uczenie się obsługi nowych elementów – robotycznych ramion, aplikacji mobilnych, a nawet części ciała innych organizmów – wyłącznie mózgiem może przypominać trochę uczenie się przez niemowlę precyzyjnych ruchów kończynami i odkrywanie własności swojego ciała. Na tej podstawie mózg tworzy obraz ciała, będący fundamentem naszego poczucia „ja”. Być może BCI i BBI pozwolą na dodanie do tego obrazu nowych elementów, które zastąpią lub uzupełnią nasze naturalne kończyny – podatne na zużycie i mniej funkcjonalne wraz z wiekiem. Dzięki temu nadal będziemy czuli się sobą, nawet jeśli zmieni się nasz wygląd czy możliwości.

Hans Berger powiesił się w 1941 r., po latach walki z depresją. Nie doczekał zasłużonej Nagrody Nobla. Interfejsy mózg-komputer lub mózg-komputer-mózg, które do dzisiaj opierają się na technice wymyślonej przez Bergera, z pewnością taką nagrodę kiedyś komuś przyniosą. ©℗