Umysł rządzi

Ludziom, którzy całkowicie utracili kontrolę nad własnym ciałem, przychodzi z pomocą nowoczesny wózek inwalidzki zbudowany przez zespół naukowców w japońskim instytucie RIKEN BSI. Na czele projektu stoi prof. Andrzej Cichocki z Wydziału Elektrycznego Politechniki Warszawskiej.

Rafał Motriuk: Jak działa stworzony przez Pana system, dzięki któremu można za pomocą myśli sterować wózkiem inwalidzkim?

Andrzej Cichocki: To nieprecyzyjne stwierdzenie. Nie potrafimy czytać myśli ludzkich, nie ma takich urządzeń. Poza tym ze względów etycznych nie chcemy nawet próbować tego robić. Chodzi raczej o odczytywanie intencji czy wyobrażeń: użytkownik wyobraża sobie, że porusza prawą czy lewą ręką, a odpowiada to skręcaniu wózka w lewo lub w prawo. Jeśli chce się poruszać do przodu, wyobraża sobie np., że idzie lub biegnie. Używamy do tego znanego urządzenia: encefalografu, zwanego też EEG (którego działanie jest podobne do EKG), używanego do badania różnych funkcji mózgu, np. epilepsji. Nowoczesne encefalografy mają jednak zupełnie inną, zaawansowaną elektronikę. Bezpośrednia współpraca mózgu człowieka z komputerem też nie jest nowa, NASA interesowała się tym już w latach 70.

My mamy jednak nową ideę, jeśli chodzi o sposób przetwarzania sygnałów i wyławiania właściwych fal mózgowych. Naszą główną motywacją jest pomoc osobom częściowo sparaliżowanym i umożliwienie im kontaktu ze światem zewnętrznym. Tradycyjny komputer wymaga użycia klawiatury, joysticka, myszki czy ekranu dotykowego. My chcemy wyeliminować te elementy - na razie jesteśmy na etapie likwidacji joysticka czy myszki (czyli prostych komend: do przodu, w tył, w prawo, w lewo) dzięki systemowi Brain-Computer Interfacing. Zresztą zajmuje się tym wiele zespołów naukowców na całym świecie.

Ale Pana zespół dokonał kilku przełomów technologicznych?

Nasze innowacje dotyczą analizy i obróbki sygnałów EEG. Opracowaliśmy szybkie algorytmy, które w czasie rzeczywistym wyławiają z mózgu niezwykle słabe sygnały. Na encefalografie ich nie widać, ponieważ są bardzo zakłócone, jest mnóstwo szumów i właściwie nie da się z nich odczytać żadnej komendy. Do tego potrzebny jest specjalny program komputerowy, i to taki, który będzie dokonywał analizy w czasie rzeczywistym - czyli pozwoli na sterowanie wózkiem bez kilkusekundowych opóźnień, a tak było w większości dotychczasowych technologii.

Nasz system działa dość szybko, w ułamku sekundy obrabia skomplikowane sygnały i generuje odpowiednią komendę. Nie wiem, czy można to nazwać przełomem, ale na pewno jest to zaawansowany i nowatorski program matematyczny.

Na czym polega ta analiza?

Oczywiście najłatwiej byłoby to osiągnąć inwazyjnie: dostać się do środka mózgu i przyłożyć elektrodę w odpowiednich partiach jego kory. Niektóre ośrodki w USA robią takie badania w przypadku osób całkowicie sparaliżowanych. Sterowanie jest wtedy dokładniejsze, ale z drugiej strony niezbędna jest operacja na otwartym mózgu, istnieje groźba infekcji czy konieczność wymiany implantów po jakimś czasie. Nasz system jest bezinwazyjny i całkowicie bezpieczny: mierzymy sygnały na zewnątrz czaszki. Do tego potrzebna jest właśnie ta nowa technologia - Blind Signal Separation (Ślepa Separacja Sygnałów). Można ją porównać do nagrywania koncertu dużej orkiestry za pomocą zaledwie kilku mikrofonów. Każdy mikrofon rejestruje dźwięk wielu instrumentów na raz, nie da się ich od siebie oddzielić. A chodzi o to, by z takiego zapisu wyodrębnić poszczególne instrumenty. Inna analogia: w dużej restauracji wszyscy mówią na raz tak samo głośno i trudno zrozumieć, co kto mówi: wszystko zlewa się w jeden szum. Zadaniem naszego systemu jest wyłowienie głosu poszczególnych osób. Dopiero wtedy, gdy się to udaje, sterowanie wózkiem jest skuteczne.

Ale nie wystarczy wsiąść na taki wózek i z miejsca nim jeździć: trzeba najpierw dostosować system do danego mózgu.

Oczywiście, bo każdy z nas ma inny mózg, tak jak linie papilarne. Program trzeba dostosować do charakterystyki mózgu użytkownika i vice versa. Komputer próbuje dogadać się z mózgiem, żeby jak najsprawniej odczytywać fale, jak najskuteczniej odgadywać intencje, różnicować np. intencje ruchu prawej i lewej ręki albo ruchu stopy i dłoni. Z drugiej strony, użytkownik próbuje dostosować się do wymogów maszyny, wyćwiczyć odpowiednią koncentrację, by sygnał był jak najsilniejszy. Trochę jak tenisista, który stara się wyobrazić sobie uderzenie piłki, zanim faktycznie to zrobi. To dwa zależne od siebie procesy adaptacyjne.

Jaka jest skuteczność tego systemu i jak długo trwa trening?

Przede wszystkim musimy uznać, że nie wszyscy potrafią się tego nauczyć: ok. 20-30 proc. użytkowników nie opanuje tej umiejętności, przynajmniej w ramach dostępnych dziś technologii. Długość treningu też jest względna: od kilku dni do nawet kilku miesięcy. Skuteczność systemu jest dość wysoka, od 80 do 95 proc. Ale nie powiedzieliśmy ostatniego słowa: chcemy, żeby wózek był w stu procentach sprawny, pewny i przede wszystkim bezpieczny, bo przecież nie zaproponujemy wózka, który z powodu własnych niedoskonałości może wbrew intencjom użytkownika wpaść do rowu. Potrzebujemy jeszcze ok. pięciu lat.

Pracujemy też nad inną metodą, która działa na zasadzie tzw. potencjałów wywołanych. Użytkownik patrzy na ekran, np. na wyświetlane ludzkie twarze. Potrafimy wykryć, na której z tych twarzy pacjent się koncentruje. Dzięki temu otrzymujemy system, który pozwala aż na dziesięć albo nawet trzydzieści różnych komend. To mniej więcej tyle, ile liter w alfabecie. Więc jeśli jedna twarz odpowiada jednej literze czy cyfrze, to można już pisać e-maile!

Taki system mógłby więc mieć i inne możliwości?

Oczywiście. Wózek to tylko przykład. Dzięki takiej interakcji sparaliżowany użytkownik mógłby swobodnie nawigować po internecie. Jest też koncepcja o nazwie smart house (inteligentny dom): jeżeli nowoczesne sprzęty domowe można połączyć z komputerem i mózgiem człowieka, to użytkownik może np., nie wykonując żadnego ruchu, otworzyć okno, zamknąć drzwi, ściszyć radio czy zmienić kanały w telewizorze.

Inne zastosowanie to rozrywka. Gry komputerowe nowej generacji mogą wyglądać tak, że dwóch lub więcej zawodników będzie konkurowało i wygrywał będzie ten, kto lepiej skoncentruje się na danym zagadnieniu. To zresztą może być jednocześnie i rehabilitacja, i zabawa. I wreszcie sterowanie robotem, który byłby niejako agentem użytkownika.

Interesuje się tym pewnie wojsko: zdalnie sterowany mózgiem robot-żołnierz mógłby być bardzo przydatny...

Nie interesują nas zastosowania militarne. Naszym celem jest pomoc starszym i niepełnosprawnym. Skupiamy się też na rehabilitacji osób z niedowładami, np. po udarach mózgu. Zwłaszcza że najmniejsze sukcesy - dotyczące powiedzmy skutecznego nawigowania kursorem po ekranie komputera - to fantastyczna motywacja. Pacjenci nie tylko chcą pracować dalej, ale w ich mózgach wytwarzają się nowe połączenia, które zastępują te uszkodzone - i wtedy mózg częściowo się odradza. W przyszłości takie metody będzie można stosować na dużo szerszą skalę, np. w terapii osób z autyzmem czy ADHD, którym szczególnie potrzebne są ćwiczenia na koncentrację.

Chcemy też powiązać nasze systemy z emocjami. Nasze pobudzenia mózgowe są emocjonalne: twarze, które się uśmiechają, wzbudzają emocje pozytywne, a to zwiększa moc sygnałów płynących z mózgu. Można sobie też wyobrazić, że dzięki emocjom generujemy pewne komendy.

Badania sponsoruje częściowo koncern Toyota - czy są plany zastosowania tych technologii w samochodach?

Nie w tym rzecz. Projekt został opracowany przy współpracy z inżynierami i naukowcami Toyoty i RIKEN Brain Science Institute. Toyota i RIKEN BSI chce pomóc społeczeństwu japońskiemu czy generalnie ludziom starszym i niepełnosprawnym, by byli oni bardziej niezależni, by poprawić jakość ich życia i zmniejszyć stres.

Wracając do wózka: czy wiadomo, kiedy znajdzie się na rynku i ile będzie kosztował?

Tego na razie nie wiemy, my wykonujemy badania podstawowe. Wszystko oczywiście zależy od zapotrzebowania. Myślę, że gotowy produkt, a przynajmniej nasza udoskonalona technologia mogłaby zostać wdrożona w ciągu czterech-pięciu lat.

Prof. Andrzej Cichocki jest pracownikiem Wydziału Elektrycznego Politechniki Warszawskiej. Obecnie przebywa w Instytucie Badań Mózgu w japońskim RIKEN.

Rafał Motriuk jest korespondentem naukowym Polskiego Radia i stałym współpracownikiem "TP".