Jednym z najciekawszych i najbardziej poruszających wyobraźnię nurtów współczesnej informatyki jest budowanie układów nazywanych akronimem BCI (Brain-Computer Interface), czyli, w tłumaczeniu na język polski, interfejsów mózgowo-komputerowych. Określane są nimi specjalnie oprogramowane sprzęty informatyczne, które pozwalają na monitorowanie aktywności mózgu oraz interpretowanie przetwarzanych danych wsadowych, lub działanie odwrotne, polegające na kontrolowanym pobudzaniu aktywności mózgu.
Uważa się, że rozwój BCI może być jednym z największych przełomów w informatyce w ostatnich dekadach, porównywalnym prawdopodobnie wyłącznie z rozwojem telefonii komórkowej oraz Internetu. Może pozwolić naukowcom nie tylko na monitorowanie i dekodowanie aktywności mózgu (czego efektem może być chociażby odwzorowywanie ruchów ręką 3-D), ale także wytworzenie sztucznego oka, udoskonalenie interfejsów pomagających osobom niepełnosprawnym, tworzenie ultrarealistycznych gier i symulatorów nowej generacji, czy rozwój wojskowych lub cywilnych programów szkoleniowych w nieosiągalnej dotychczas formie.
Mechanizmy BCI są możliwe ze względu na samą strukturę mózgu. Ponieważ komunikacja między neuronami zachodzi przez dendryty oraz aksony za pomocą impulsów (energetycznych, sensorycznych), które są inicjowane zawsze wtedy, kiedy przechodzi przez nasz mózg jakakolwiek myśl, efekty tej komunikacji są obserwowalne przez sprzęt taki jak EEG/fMRI, Dzięki temu naukowcy są w stanie wykrywać (z różną dokładnością) te sygnały, a następnie – dzięki specjalistycznemu oprogramowaniu – również je interpretować. Dobrze znanymi sprzętami, które umożliwiają prowadzenie takich operacji jest – oprócz EEG – również wymieniony wcześniej funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI): Urządzenia te monitorują pracę mózgu, pokazując – niekiedy bardzo precyzyjnie – która część mózgu i w jaki sposób jest aktywna na przykład podczas wykonywania ruchów ręką.
Co ciekawe, technologia BCI, chociaż jeszcze raczkująca, nie stanowi zupełnej innowacji, a przynajmniej nie w swojej podstawowej wersji. BCI w wydaniu pozornie bardzo futurystycznym (wykraczającym poza zwykłe monitorowanie aktywności organu) sięga swoimi korzeniami końca dwudziestego wieku. W 1999 roku badacze pod wodzą psycholog i neurolog dr Yang Dan na Uniwersytecie California zdekodowali impulsy w neuronach, aby odtworzyć obrazki widziane przez koty. Użyte zostały elektrody, które odczytywały impulsy pochodzące ze 177 komórek mózgowych. Impulsy te zostały nagrane, zdekodowane a następnie zrekonstruowane, dzięki czemu uzyskany został obraz pochodzący bezpośrednio z ośrodkowego układu nerwowego. Kilka lat później Jens Naumann został pierwszą osobą z nabytą ślepotą, której pomogło BCI. W jego przypadku zasada funkcjonowania BCI była odwrócona, ponieważ nie obraz z mózgu był dekodowany, ale to impulsy w samym organie były sterowane w taki sposób, aby niewidzący mężczyzna mógł odbierać tzw. fotyzmy, przekazywane właśnie przez interfejs. W 2008 roku badacze z ATR w Kioto odkryli nową metodę rekonstruowania obrazków bezpośrednio z mózgu i wyświetlania ich na komputerze w postaci monochromatycznej. W 2011 roku natomiast naukowcy z UC Berkeley dokonali następnego przełomu, rekonstruując materiały wideo na podstawie aktywności mózgu powodowanej ich oglądaniem.
Jednym z największych wyzwań, które stoją przed współczesnymi inżynierami oraz naukowcami jest aktualnie sam interfejs. Dotychczas wymienione (EEG, fMRI) działają na relatywnie prostej zasadzie, niemniej nie do końca efektywnej. Ze względu na swoją nieinwazyjność (rozumianą jako brak ingerencji w ciało człowieka) czaszka, skóra oraz inne czynniki blokujące, zniekształcają, a czasami zupełnie stopują, obserwowane impulsy. Inwazyjne BCI jest natomiast umieszczane najczęściej jako implant bezpośrednio w substancji szarej, pod kopułą czaszki, tak, aby maksymalnie ograniczyć wymienione poprzednio niedogodności. Dzięki temu rozwiązaniu krótkoterminowo jakość zbieranych informacji jest zdecydowanie najwyższa, jednak wysoka skłonność do budowy tkanek bliznowatych, w dłuższej perspektywie powoduje kolejne zakłócenia w odbiorze danych. Co więcej, już sama natura rozwiązań inwazyjnych czyni je droższymi, bardziej ryzykownymi oraz często negowanymi moralnie.
Niezależnie jednak od rodzaju interfejsu mechanizm zawsze pozostaje taki sam: elektrody odczytują niezbędne do wykonania poprawnej analizy parametry napięcia w neuronach. Sygnały są wzmacniane, filtrowane oraz interpretowane przez specjalistyczne oprogramowanie. W rozwiązaniu odwrotnym to komputer może wysyłać informacje do elektrod, które „przekazują” neuronom pojedyncze informacje. O tego rodzaju działaniu interfejsów mógł przekonać się między innymi Jens Naumann oraz jemu podobni.
Jednym z najbardziej interesujących zastosowań interfejsów mózgowo-komputerowych jest sterowanie urządzeniami przez myśli. Porównując ten mechanizm do pilota telewizyjnego, wydaje się w tym momencie, że jest on niezbędny, aby sterować ustawieniami kanałów, czy głośności telewizora. Specjalistyczne interfejsy mogą w przyszłości pomóc w zarządzaniu tego typu urządzeniami po odbyciu odpowiedniego, prawdopodobnie stosunkowo krótkiego, treningu mentalnego.
Opisywane interfejsy działają na – do pewnego stopnia – identycznej zasadzie jak neuroprotezy. Różnica pomiędzy tymi dwoma mechanizmami leży głównie w używanej terminologii. Podczas gdy neuroproteza generalnie łączy układ nerwowy (również nerwy peryferyjne) z urządzeniem (takim jak implanty ślimakowe, które pobudzają nerw słuchowy), BCI komunikuje mózg, czyli centralny układ nerwowy, z samym systemem komputerowym, przekładając warstwę logiki działania aplikacji na oprogramowanie po stronie tego systemu komputerowego.
Chociaż podstawowe zasady, które stoją za działaniem BCI, są dosyć łatwe do przyswojenia i w warstwie teoretycznej mogą nie nastręczać ogromnej ilości wątpliwości, na poziomie techniczno-wykonawczym problemów jest już znacznie więcej. Wynika to z kilku podstawowych przyczyn. Pierwszą i najważniejszą jest bardzo wysoka złożoność mózgu. Sporym niedopowiedzeniem jest określenie, że wszystkie odczucia są wynikiem wyłącznie różnego rodzaju sygnałów elektrycznych. Nawet przy uproszczonym założeniu, że mózg działa właśnie w wyłącznie taki sposób (czyli w teoretycznym modelu z usuniętymi chociażby procesami chemicznymi, które nie są monitorowane przez EEG/fMRI), sama ilość neuronów połączonych w bardzo skomplikowaną sieć, która nieustannie się komunikuje, na dzień dzisiejszy zupełnie uniemożliwia śledzenie w całej złożoności. Możliwości te są aktualnie ograniczone do dekodowania lub wysyłania relatywnie niezłożonych pakietów danych, odpowiedzialnych za krótkie i uproszczone obrazy/dźwięki, lub komunikaty wysyłane do peryferyjnego układu nerwowego. Kolejne niedogodności są związane ze sprzętem, który wciąż jest bardzo stacjonarny, a przede wszystkim kosztowny w produkcji i utrzymaniu. Stacjonarność wydaje się zatem istotnym problemem metod nieinwazyjnych, podczas gdy konieczność wykonania operacji wydaje się istotnym (technicznym, psychologicznym, kosztowym) problemem metod inwazyjnych. Ostatnim rodzajem problemów są te związane z warstwą etyczno-socjologiczną. O ile zagadnienia techniczne wymagają tysięcy godzin pracy specjalistów, o tyle te związane z pozostałymi aspektami działań BCI również budzą kontrowersje. Interfejsy bowiem z jednej strony są nadzieją dla osób niepełnosprawnych, mogą służyć do dogłębnej analizy psychologicznej a także po prostu do rozrywki nowej generacji, to z drugiej strony mogą być stosowane również do manipulacji zmysłami oraz ich odczytywaniu do celów niekoniecznie zgodnych z prawem do ochrony tożsamości.
Niemniej przyszłość BCI wydaje się już dzisiaj jednym z najbardziej innowacyjnych i dogłębnie badanych działów współczesnej informatyki. Na razie rozwijana przede wszystkim w ośrodkach naukowych oraz działach R&D konsorcjów medycznych i informatycznych na pewno nieprędko będzie miała szansę na wkroczenie do sfery komercyjnej. Wydaje się jednak, że rozwój tych technologii – nawet jeżeli nie zostaną prędko dostarczone do szerszej publiki – będzie kluczowym nurtem rozwoju w sferze innowacyjnych projektów komputerowych.
Autor: http://www.datalab.pl/
