Egzoszkielet sterowany umysłem i gumowa ręka

… czyli jak dźgnąć kogoś widelcem bez konsekwencji.

Sparaliżowany od pasa w dół Juliano Pinto, uzbrojony w egzoszkielet i zestaw elektrod kopnął pierwszą piłkę na Mundialu.

kick
Źródło: Walk Again Project

Niezwykłe wydarzenie i fascynująca demonstracja możliwości nauki – a jednak całość trochę umknęło światu, ponieważ w transmisji telewizyjnej poświęcono mu zaledwie kilka sekund.

Większość doniesień medialnych wspomina o sterowaniu egzoszkieletem myślami. Warto przybliżyć sobie, co kryje się za tym tajemniczym stwierdzeniem i w jaki sposób coś takiego jest w ogóle możliwe – oraz w jakim kierunku podąża stojący za tym wszystkim Miguel Nikolelis.

Jak czytać w myślach?

By w ogóle móc cokolwiek myślą sterować, trzeba najpierw tę myśl odczytać. Nie jest to bynajmniej czytanie w myślach w potocznym rozumieniu tego słowa. W neuronauce przez „czytanie myśli” rozumie się wizualizację i zapis aktywności neuronów w mózgu, a jedną z najstarszych technik która na to pozwala jest elektroencefalograf (EEG). Pierwsze nagranie EEG wykonane na człowieku zostało dokonane przez Hansa Bergera już w 1924. Do dzisiaj EEG jest ważnym narzędziem badawczym i klinicznym, choć dopiero od stosunkowo niedawna eksploruje się jego potencjał w komunikacji pomiędzy mózgiem a komputerem (BCI – brain computer interface).

neurobigos_mundial
Mózg w grze! Ilustracja: Aleksandra Malkusz

Samo odczytywanie zapisu EEG jest dzisiaj relatywnie proste – zestawy EEG stają się coraz bardziej zaawansowane, ale jednocześnie wygodniejsze w użyciu.

Wyzwanie tkwi jednak w tym, jak taki zapis zrozumieć.

Spójrzcie na ilustrację poniżej – to zapis fal mózgowych kolegi (na potrzeby artykułu będziemy go nazywać Jan Bigos), który użyczył swojego mózgu specjalnie na potrzeby Neurobigosu. Tak się nawet składa, że użyłem tego samego zestawu elektrod, co Miguel na Mundialu. Poleciłem więc Janowi B. powtarzać w myślach swój kod PIN do karty, żeby nie miał pusto w głowie. Drodzy czytelnicy, przed Wami fale mózgowe i PIN Pana Jana B. –proszę korzystać z jego konta do woli!

albert pin code
EEG i zielony poproszę.

Jak widać, ciężko gdzieś w tym zapisie znaleźć jakikolwiek PIN (niestety). Sygnał EEG nie jest na pierwszy rzut oka specyficzny, co znaczy, że kolega mógł nawet myśleć o niebieskich migdałach – gołym okiem nie odróżnilibyśmy takich dwóch zapisów. W dodatku, większość zapisu EEG to „hałas”, szum – mieszanka wszystkich spontanicznych procesów zachodzących w mózgu (które nas nie interesują) plus sygnały elektryczne nie mające swojego źródła w mózgu, ale także wyłapane przez elektrody  „przy okazji”. Ktoś kiedyś powiedział (i za nic nie mogę sobie przypomnieć kto!), że wyciąganie wniosków o tym, co dzieje się w mózgu za pomocą EEG można przyrównać do próby podsłuchania sąsiadów przez ucho przystawione do podłogi. Rozszerzyłbym tę analogię dodając, że jest to nieco jak podłuchiwanie szepczących do siebie sąsiadów podczas imprezy.

Na szczęście naukowcy mają swoje sposoby na poradzenie sobie z tym problemem.

Jak zrozumieć fale mózgowe?

Naszym celem jest dokopanie się do konkretnego wzoru aktywacji, który jest powiązany z interesującym nas procesem i odpowiednie przetworzenie go, by miał jakiś sens. Jeśli idzie o komunikację mózg-komputer, to chcemy nauczyć program taki wzór rozpoznawać, a na podstawie tego, czego dotyczy konkretny sygnał – wykonać odpowiednią komendę. A taką komendą może być w zasadzie wszystko – na przykład poruszenie kończyną.

Jednym z tych starszych i popularniejszych jest wykorzystanie techniki potencjałów wywołanychZapis EEG jest długim ciągiem sygnału i w zasadzie nie różni się od staromodnego EEG zapisywanego na długim zwoju papieru.

laughter_eeg

Wyobraźmy sobie więc, że podłączyliśmy kogoś do elektrod i pokazujemy mu ciąg liczb lub liter na ekranie. Literą docelową jest „B”.  Jak tylko pojawi się ona na ekranie, stawiamy znacznik na zapisie EEG, żeby wiedzieć który wycinek EEG odpowiada momentowi, w którym osoba przed monitorem widziała literę. Tutaj zaznaczyłem ją czerwonym zarysem.

albert pin markers

Powtarzamy tę procedurę wiele razy, a następnie „wycinamy” fragmenty zapisu EEG tylko wokół naszego znacznika. Następnym krokiem jest uśrednienie tych fragmentów, dzięki czemu powinniśmy pozbyć się wiekszości szumów (hałasu), uwydatniając w ten sposób sygnał powiązany z wykryciem litery docelowej. W rezultacie otrzymujemy swoisty podpis – charekaterystyczny dla pewnego procesu wzorzec aktywacji. W naszym przypadku będzie to tzw. potencjał P300 – czyli pozytywne odchylenie w potencjale elektrycznym następujące około 300 milisekund po zaprezentowaniu litery, która odstaje od wszystkich innych (stąd nazwa tego paradygmatu – „oddball paradigm”). Warto podkreślić, że uśredniając fragmenty EEG, w których nie ma naszej litery docelowej, załamek P300 nie będzie widoczny.

erpintro_avgdata_negup
Źródło: ERPinfo.org

W latach osiemdziesiątych wykorzystano tę technikę by umożliwić osobom cierpiącym na syndrom zamknięcia komunikowanie się ze światem zewnętrznym. Osoby cierpiące na ten synrom są świadome, jednak nie mają władzy nad swoim ciałem. Pomysł genialny w swojej prostocie – pacjenci oglądali ciągi liter i znaków, a algorytm, na podstawie odchyleń P300, rozpoznawał litery, które mieli na myśli pacjenci i składał z nich zdania.

Paradygmat z P300 jest jednym z najczęściej używanych w BCI. Jednak, jak się domyślacie, sterowanie kończynami wymaga czegoś bardziej złożonego. Do dekodowania komend motorycznych (czyli sygnałów wysyłanych przez mózg do kontroli mięśni) grupa Nikolelisa wykorzystuje bezśladowy filtr Kaumana (UKF) –podobny algorytm używany jest do usuwania szumów z nagrań audio. Dodatkowym wyzwaniem jest potrzeba wyciągnięcia z sygnału nie jednego parametru, jak w przypadku P300, ale kilku lub nawet kilkunastu – bo przecież ruch kończyną jest sprawą skomplikowaną. Potrzebujemy informacji o sile nacisku, przyspieszeniu, rozciągnięciu, kierunku i tak dalej.

Niemniej jednak ogólna zasada pozostaje podobna jak w naszym przykładzie – celem algorytmu jest „wykopanie” intresującego nas sygnału spośród szumów w czasie rzeczywistym i przetłumaczenie go na komendy poruszające egzoszkieletem. Mundialowa prezentacja jest oparta na latach badań wielu grup badawczych przeprowadzanych głównie na małpach, z użyciem elektrod umiejscowionych wewnątrz czaszki. Miguel jest jednym z tych, którzy postulują użycie sygnału z wielu neuronów jednocześnie, zamiast tych kilku starannie wybranych. Dodatkową nowością jest także wykorzystanie starego dobrego EEG – możliwość użycia systemu, który nie wymaga wszczepiania ludziom niczego pod czaszkę, niesie za sobą oczywiste korzyści.

miguel i suit
Miguel z egzoszkieletem. Foto: REUTERS

Gumowa ręka, widelec, a odzyskanie czucia w nogach

Czy może być coś bardziej ekscytującego od przywrócenia osobom sparaliżowanym władzy nad kończynami?  Tak – sprawienie, by osoby te odzyskały w nich czucie. Kojarzycie pewnie to dziwne wrażenie, gdy ścierpnie Wam noga a mimo to próbujecie chodzić jak gdyby nigdy nic? Ponieważ nie czujemy podłogi pod stopą, czujemy się strasznie niezręcznie i ciężko jest nam „zaufać”, że stopa stoi bezpiecznie na podłodze. Kontrolowanie egzoszkieletu, czy zastępienie nóg protezami musi mieć podobny efekt – chodzenie nie będzie sprawiało wrażenia naturalnego. Miguel ma zamiar jednak wykorzystać pewną interesującą właściwość mózgu. Oto egzoszkielet Nikolelisa wysyła drgania do ramion w momencie postawienia stopy na ziemi. Powiecie, że ciężko jest wczuć się w takie chodzenie, skoro bodziec dotykowy zamiast do stóp dochodzić będzie do rąk – jednak klasyczna iluzja gumowej ręki podpowiada nam, że poczucie własności naszego ciała nie jest wcale takie nienaruszalne, jak mogłoby się wydawać.

W eksperymencie uczestnicy kładą obie ręce na stole, przed sobą. Jedną z rąk zakrywa się ekranem, a przed uczestnikiem kładzie się sztuczną rękę. Prowadzący eksperyment przez parę minut dotyka pędzelkiem równocześnie tej prawdziwej ręki (znajdującej się za ekranem) oraz tej sztucznej. Niektórzy z uczestników eksperymentu doznają wrażenia, jakby bodziec dotykowy dochodził do nich ze sztucznej ręki, zupełnie jakby była częścią ich własnego ciała. Jeśli eksperyment się uda, efekt dźgnięcia gumowej rękmi widelcem jest spektakularny:

Być może brzmi to niewiarygodnie, jednak pamiętać trzeba, że nawet poczucie własności ciała („ta noga należy do mnie”) jest czymś, co mózg musi skonstruować na podstawie bodźców zarówno wewnętrznych, jak i zewnętrznych. W tym wypadku jest to połączenie bodźca dotykowego z wizualnym.

Celem Miguela nie jest jednak stworzenie tymczasowej iluzji. Poszczególne części kory ruchowej – obszaru mózgu odpowiedzialnego za planowanie i wykonywanie ruchów – odpowiadają konkretnym częściom ciała. Jak to w mózgu zwykle bywa, nie są one jednak wcale takie trwałe – to znaczy, mogą zostać przeorganizowane w razie potrzeby.

1421_Sensory_Homunculus
Kora ruchowa – jej poszczególne fragmenty odpowiadają konkretnym częściom ciała. Źródło: Wiki

Teoretycznie jest możliwe przeprogramowanie tych reprezentacji tak, by mózg skojarzył ruch kończyn z bodźcem dotykowym na ramionach i ustawił połączenia w taki sposób, jakby bodziec dotykowy miał swoje źródło w kończynach dolnych. W rezultacie pacjentowi będzie się wydawać, iż wibracje naprawdę dochodzą z jego nóg – z punktu widzenia mózgu nie będzie różnicy, czy fizycznie pojawiają się one na ramionach czy gdziekolwiek indziej.

Nikolelis ma właśnie taką nadzieję. Jest na razie kwestią domysłów, czy coś takiego faktycznie będzie miało miejsce, choć eksperyment z gumową ręką oraz poprzednie badania Miguela wykonane na małpach pozwalają sądzić, że jest to do pewnego stopnia możliwe – a z pewnością uzasadniają one dalsze badania w tym kierunku.

Póki co, czekam z niecierpliwością na publikację Nikolelisa (bo, jak słusznie przypomina Rafał na blogu Nic Prostszego – peer review or it didn’t happen). Nie można zapomnieć, że demonstracja na Mundialu to jedynie początek – do pokonania jest jeszcze wiele ograniczeń technicznych i dokonanie wielu usprawnień, które będa z pewnością wymagać jeszcze wielu lat pracy. Czy optymizm Miguela są jednak uzasadnione i tak jak sam mówi, jeszcze w ciągu naszego życia doczekamy się momentu, gdy sparaliżowane osoby będą mogły znów chodzić? Czas pokaże – nieraz zdarzało się przecież, że to, co kiedyś wydawało się niemożliwe, pewnego dnia stało się rzeczywistością.

Zupełnie jak z wynikiem meczu Holandia – Hiszpania.

pink

Artykuł BBC o wydarzeniu wraz z wywiadem z Miguelem jest tu.

Strona laboratorium Miguela jest tutaj (znajdziecie tam materiały video i publikacje)

A NeuroBigos można też śledzić na Facebooku oraz Twitterze.

Reklamy

Jedna uwaga do wpisu “Egzoszkielet sterowany umysłem i gumowa ręka

  1. Pingback: Binarna telepatia | NeuroBigos

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Facebooku

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Google+

Komentujesz korzystając z konta Google+. Wyloguj / Zmień )

Connecting to %s