Mózg online. Maszyna sterowana myślą i odwrotnie
Badacze z Laboratorium Informatyki i Sztucznej Inteligencji (CSAIL) w Massachusetts Institute of Technology (MIT) wspólnie z Uniwersytetem Bostońskim opracowali system informacji zwrotnej, który umożliwia korygowanie ruchów robota za pomocą interfejsu "mózg-maszyna". Robot Baxter, zbudowany przez firmę Rethink Robotics, miał przyporządkować pojemniki z farbą oraz szpulki z kablem odpowiednim pudełkom oznaczonym etykietami. Gdy Baxter kierował ramię w niewłaściwą stronę, nie rozpoznając obiektu, nadzorujący człowiek przesyłał ze swojego mózgu, poprzez fale EEG, "sygnał błędu" do układu sterowania Baxtera. Ten reagował, zmieniając decyzję.
Nie po raz pierwszy elektroencefalografia i fale mózgowe zostają wykorzystane do komunikacji z maszynami i sterowania nimi. Jednak rozwiązanie z CSAIL wyróżnia się prostotą, nie wymagając ani nowego języka programowania, ani specjalistycznych treningów umysłu.
Niedawno Elon Musk powołał do życia firmę Neuralink, której zadaniem jest rozwijanie komercyjnego interfejsu mózgowo-komputerowego. Pierwszym celem zespołu naukowców ma być skonstruowanie implantów, które zainstalowane w ludzkim mózgu pozwolą leczyć dotąd nieuleczalne (lub niezwykle trudne do opanowania) choroby, takie jak epilepsja, depresja czy choroba Parkinsona.
Musk chce stworzyć także coś, co nazywane jest w mediach "neuronową koronką". Ma to być urządzenie pozwalające sztucznej inteligencji działać w tandemie z ludzkim mózgiem - komputer stać się ma niejako bezprzewodowym przedłużeniem naszego umysłu, znacznie zwiększając jego moc obliczeniową. Dzięki takiemu dobrodziejstwu ludzie otrzymaliby dostęp do zasobów Internetu bez pośrednictwa zmysłów, znacznie szybciej i wydajniej. Mogliby również korzystać w ten sposób z potężnych i wciąż rozbudowywanych chmur obliczeniowych, czyli sieci tysięcy komputerów rozmieszczonych w serwerowniach na całym świecie. Docelowo zaś posiedliby zdolności obliczeniowe wszystkich najszybszych obecnie superkomputerów.
Twórca Tesli i SpaceX nie jest jedynym, który chce rozwijać tego rodzaju technologię. O podobnych rozwiązaniach myśli też twórca Facebooka Mark Zuckerberg.
- Pracujemy nad wykroczeniem daleko poza rozszerzoną rzeczywistość - powiedział w kwietniu, opowiadając o kierunku rozwoju firmy. - Oznacza to pracę nad bezpośrednimi interfejsami mózgu, które pewnego dnia pozwolą komunikować się z użyciem jedynie umysłu.
Projekt interfejsu mózgowo-maszynowego Facebooka nazywa się "Building 8" (B8). W przedsięwzięcie zaangażowany jest sześćdziesięcioosobowy zespół pracujący nad nieinwazyjnymi implantami, które pozwolą np. pisać bez użycia palców, a jedynie z wykorzystaniem umysłu. Systemy neuroobrazowania odczytywać mają nasze myśli, komunikując się bezpośrednio z ośrodkiem mowy w mózgu, po czym wyświetlą je na ekranie. Jak powiedzieli przedstawiciele Facebooka internetowemu serwisowi TechCrunch, nie chodzi tu o przetwarzanie jakichkolwiek myśli kłębiących się w głowie, a jedynie tych, które już zdecydowaliśmy się wyrazić - gdyż tylko takie docierają do ośrodka mowy.
Internet Rzeczy oraz myśli
Doniesienia o postępach w dziedzinie interfejsów "mózg-maszyna" pojawiają się często. W ostatnich miesiącach media informowały np., że neurobiolodzy z Uniwersytetu Stanforda wszczepili elektrodową matrycę do mózgu Dennisa Degraya, osoby częściowo sparaliżowanej. Monitorowanie aktywności mózgu, tłumaczenie złożonych sygnałów elektrycznych, a następnie przenoszenie ich na wirtualną klawiaturę pozwoliło Degrayowi na dokładne pisanie aż 39 znaków na minutę - wyłącznie za pomocą siły umysłu.
Znane są już urządzenia i gry, w których stosuje się analizę aktywności mózgu. Przykładem jest m.in. kontroler Emotiv, czyli zakładana na głowę opaska z czternastoma elektrodami. Aby z niej korzystać, trzeba najpierw nauczyć urządzenie, co oznacza konkretny wzorzec aktywności mózgu. Gdy algorytm interpretujący nasze fale mózgowe będzie miał wystarczająco dużo danych, z Emotivem na głowie możemy - wyłącznie za pomocą myśli - grać w gry takie, jak "Emotipong" (wariant "Ponga") czy "Cerebral Constructor" ("Tetris").
Cóż znaczy jednak interfejs z urządzeniem, które znajduje się poza siecią? W dzisiejszych czasach - nic! Dlatego badacze z południowoafrykańskiego Uniwersytetu Wits połączyli mózg bezpośrednio z Internetem. Przynajmniej tak twierdzą. Stało się to w ramach projektu "Brainternet", którego docelowym zadaniem jest wkomponowanie mózgu jako "huba" w Internet Rzeczy (Internet of Things - IoT) oraz w sieć WWW.
Projekt działa poprzez odbieranie sygnałów z fal mózgowych EEG zebranych przez kontroler Emotiv podłączony do głowy użytkownika. Sygnały te są następnie przesyłane do prostego układu Raspberry Pi, który na żywo kieruje dane do interfejsu programowania aplikacji i wyświetla je na otwartej stronie internetowej, gdzie każdy może oglądać zachodzącą aktywność.
Uzupełnieniem "Brainternetu" może być technologia inżynierów z Uniwersytetu w Bostonie, która pomoże tworzyć miniaturowe anteny, sto razy mniejsze od obecnie stosowanych. Autor badania, prof. Nian X. Sun, chce, aby w przyszłości były one montowane w implantach wszczepianych do mózgu. Teoretycznie umożliwiłoby to sterowanie urządzeniami podłączonymi do IoT wyłącznie za pomocą myśli. Naukowcy z Bostonu już współpracują w tej sprawie z neurochirurgami ze szpitala w Massachusetts. Na razie implanty tylko monitorują pracę mózgu pacjentów chorych na epilepsję. Zdaniem twórców pozostaje jednak kwestią czasu, kiedy minianteny pozwolą komunikować się mózgowi z komputerem.
Umysł w wirtualnej rzeczywistości
Dalszym rozwinięciem interfejsów "mózg-maszyna" jest wejście w świat wirtualnej rzeczywistości. Niedawno w mediach pojawiła się informacja, że firma Neurable opracowała pierwszy na świecie interfejs "mózg-komputer" dla wirtualnej rzeczywistości. Wyobraźmy sobie, że można założyć zestaw słuchawkowy VR (virtual reality), patrzeć, jak wokół kształtuje się wirtualny świat, a następnie poruszać się po nim bez konieczności obsługi kontrolerów - sterować VR samymi myślami.
Na słynnej konferencji SIGGRAPH Neurable zaprezentowała pierwszą na świecie grę VR sterowaną umysłem. Nazywa się "Awakening" i wg doniesień można w niej za pomocą umysłu podnosić przedmioty, uruchamiać lasery, zamieniać psa-robota w balonik itp. Wszystko jest odtwarzane na zestawie HTC Vive, poprzez połączenie standardowego zestawu HTC Vive z modułem Neurable.
Dyrektor generalny firmy, Ramses Alcaide, twierdzi, że zaprezentowana technologia nie wykorzystuje jako sygnałów sterujących wzorców fali mózgowej EEG związanych z koncentracją lub relaksacją, co ma miejsce w kilku urządzeniach już dostępnych na rynku. Zamiast tego oprogramowanie Neurable rejestruje potencjały związane z wydarzeniami - czyli bardziej specyficzne sygnały, które pojawiają się, gdy mózg reaguje na bodźce, co pozwala na celową metodę interakcji.
Sztuka prosto z głowy
Technologia BCI (brain-computer interface) pozwala osobom niepełnosprawnym na pisanie wiadomości, wysyłanie e-maili, surfowanie w Internecie, sterowanie inteligentnym domem, poruszanie protezami kończyn, a nawet poruszanie się wózkiem inwalidzkim z napędem silnikowym. To jednak wciąż tylko codzienność i zmagania z dniem powszednim, a człowiek potrzebuje w życiu czegoś więcej, np. sztuki. W 2010 r. zespół badaczy w Niemczech wykorzystał więc BCI do eksperymentów z "malarstwem mózgiem", przeprowadzonych z udziałem osób ze stwardnieniem zanikowym bocznym, skutecznie uwalniając kreatywny potencjał sparaliżowanych artystów.
Według artykułu opublikowanego kilka miesięcy temu w czasopiśmie "Plos One", austriacki zespół neuroinżynierów skonstruował pierwszy program do kompozycji muzyki sterowany wyłącznie przez mózg. Naukowcy przetestowali technologię z grupą zdrowych ochotników, którym podczas eksperymentów udawało się zarówno kopiować utwory muzyczne, jak też tworzyć własne kompozycje.
Gernot Müller-Putz, kierownik Instytutu Inżynierii Neuronalnej Politechniki w Grazu, zainspirowany sukcesem programu "malarstwa mózgiem", pomyślał, że można by użyć techniki neurowyboru do wskazywania konkretnego rodzaju nut i w efekcie - do napisania całej partytury muzycznej. Sygnały mózgu są rejestrowane przez elektroencefalogram noszony na głowie jak czepek kąpielowy. Ponieważ mózg każdego człowieka jest trochę inny, system musi być skalibrowany tak, aby dokładnie odczytywać natężenie fali mózgowej uczestnika eksperymentu. Już podczas pierwszej próby grupa testujących BCI radziła sobie z ponad 88-procentową dokładnością z kopiowaniem słów. Mniej więcej takim samym sukcesem skończyła się operacja kopiowania zapisu nutowego popularnej pieśni "Alouette". Skompletowanie 25 nut melodii zajęło badanym średnio 21 minut.
Naukowcy zaprosili również profesjonalnego muzyka, aby spróbował skomponować coś za pomocą samego mózgu. Podczas ćwiczenia polegającego na kopiowaniu "Alouette" osiągał dokładność na poziomie 93,6%. O wiele szybciej poszło mu zaś swobodne komponowanie - potrafił napisać 26-nutową melodię w zaledwie 14 minut.
Co da się umieścić w głowie
Połączenie z maszynami za pomocą interfejsu BCI i sterowanie nimi to jasna część przewidywań dotyczących bezpośredniego sprzężenia mózgu ze światem maszyn. Są jednak i mroczniejsze prognozy. Dzięki analizie aktywności mózgu można nie tylko kontrolować myślą maszyny, ale też, jak pokazują eksperymenty na zwierzętach, wpływać na umysły i ciała innych stworzeń. Można wyciągać z czyjejś głowy obrazy i fragmenty pamięci, co przetestowano na szczurach. Coraz częściej mówi się też o umieszczaniu w głowach cudzych myśli lub wspomnień.
Zajmująca się neuroprotezami firma Kernel z Krzemowej Doliny oferuje implant mózgowy opracowany przez Teda Bergera z Uniwersytetu Południowej Kalifornii. Wszczepione do mózgu urządzenie wspomaga proces zapamiętywania. Zostało już przetestowane - i to z powodzeniem - na szczurach oraz na naczelnych.
Implant łączy się z hipokampem, czyli obszarem mózgu odpowiedzialnym za pamięć. Działa on jako rodzaj wzmacniacza. Urządzenie odbiera impulsy nerwowe w czasie nauki, przetwarza za pomocą wbudowanego mikroprocesora, po czym stymuluje hipokamp silnymi impulsami mającymi naśladować te naturalne. Badacze poszukiwali też wspólnych wzorców wspomnień u badanych zwierząt. Okazało się, że szczury, ucząc się tych samych rzeczy, kodują je w swoich mózgach w podobny sposób. Dla naczelnych nie udało się jeszcze odnaleźć wspólnych wzorców.
Jeżeli dalsze eksperymenty to potwierdzą, pojawi się szansa na urządzenie, które zapewni nam pamięć niemal absolutną. A przy okazji - o czym autorzy nie piszą, ale co wynika logicznie z ich odkryć - wyraźnie rysuje się możliwość wypełniania mózgu nowymi wspomnieniami, których tam wcześniej nie było. Realna staje się więc również kradzież wspomnień, czyli wyciąganie z mózgu rozmaitych informacji - niezależnie od woli badanego.
Zdalne sterowanie
Dziesięć lat temu bioinżynier Karl Deisseroth i jego koledzy z Uniwersytetu Stanforda opublikowali swoje opracowanie na temat optycznego sterowania mózgiem - obecnie znanego jako optogenetyka. Wzór wypalania neuronów jest tam kontrolowany przez światło. Aby stworzyć pożądany system, umieszczali w mózgu myszy komórki z genami odpowiedzialnymi za syntezę biomolekuły opsyna ChR2, pochodzącej od pewnego gatunku glonów. Cząsteczki te wykorzystują energię światła do wpuszczania jonów do neuronów. To zaś droga do kontroli aktywności elektrycznej neuronów, czyli wpływania za pomocą światła na zachowanie zwierzęcia, wręcz sterowania nim. W ramach eksperymentów udawało się np. wybudzać zwierzęta ze snu samymi jedynie impulsami światła.
Jednak optogenetyka to nie żadna "bułka z masłem". Ponieważ światło nie może łatwo przeniknąć do gęstej tkanki tłuszczowej mózgu, badacze musieli torować mu drogę, wszczepiając obiektowi badań światłowodowe kable. Trudności techniczne doprowadziły do opracowania mniej inwazyjnej metody, znanej jako DREADD. W tym przypadku receptor aktywowany normalnie przez neuroprzekaźnik acetylocholina jest modyfikowany w odpowiedzi na substancję czynną. Po dostarczeniu tej substancji, neurony mogą być manipulowane i w ciągu kilku godzin zmieniane. Główną wadą tej koncepcji okazała się jednak powolność stymulacji.
W ostatnich kilku latach naukowcy zaproponowali więc nowszą technikę stymulacji neuronów, wykorzystującą fale radiowe o niskiej częstotliwości lub pole magnetyczne, mogące przeniknąć do ciała bez powodowania uszkodzeń. Fale służą do podgrzewania nanocząsteczek tlenku żelaza wstrzykiwanych lub genetycznie generowanych w organizmie. W procesie podobnym do optogenetyki rozgrzane nanocząsteczki otwierają kanał jonowy, dzięki czemu jony wapnia przedostają się do komórki. W zależności od lokalizacji nanocząsteczek, jony mogą realizować zdalnie wiele różnych operacji - od uwalniania insuliny po tłumienie hormonów żołądkowych wywołujących uczucie głodu.
W sierpniowej edycji czasopisma "eLife" ukazało się opracowanie na temat prowadzonych przez prof. fizyki Arnda Pralle' a z Uniwersytetu w Buffalo badań nad "stymulacją magneto-termiczną". Naukowcom udało się dzięki niej zdalnie kontrolować mózg myszy, zmuszając je do biegania na sygnał i zatrzymywania się. Udało się nawet przejąć kontrolę nad kończynami zwierząt, bez pośrednictwa ich woli.
Nowy wynalazek pozwala na zdalne sterowanie aktywnością neuronów dzięki nanocząsteczkom magnetycznym, które stymulują neurony wyposażone we wrażliwe na zmiany temperatury kanały jonowe. Po podgrzaniu nanocząsteczek za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego następuje otwarcie tych kanałów, co w konsekwencji powoduje wzbudzanie neuronów.
Proces ten wymaga implantacji specjalnie zbudowanych nici DNA i nanocząsteczek, które wiążą się z określonymi neuronami. Po zakończeniu małoinwazyjnej procedury mózg może być zdalnie sterowany przez zmienne pole magnetyczne.
Mimo że mowa dopiero o myszach i głównie o pozytywnych, leczniczych aspektach techniki, rysuje się niejasny niepokój, iż komuś kiedyś uda się skonstruować optogenetyczny czy magneto-termiczny sterownik człowieka, wzbudzający w nim chęć np. do pracy, kupienia czegoś czy zagłosowania na konkretną partię…
W sierpniu 2013 r. ukazał się głośny komunikat o eksperymencie dwóch naukowców z Uniwersytetu stanu Waszyngton, którzy połączyli - nieinwazyjnie, rzecz jasna - swoje własne mózgi. W efekcie jeden z nich przejął przez Internet kontrolę nad ruchami palca drugiego, przebywającego w gabinecie po drugiej stronie kampusu uczelni.
Śmiałkami byli Rajesh Rao i Andrea Stocco. Elektroencefalograf rejestrował aktywność fal mózgowych Rao, przekształcając je w impuls elektryczny, przesyłany następnie przez Internet do urządzenia służącego do tzw. przezczaszkowej stymulacji magnetycznej mózgu (TMS) Stocco. Prof. Rao grał więc rolę przekaziciela myśli. Miał przed sobą ekran i wyobrażał sobie, że prawą dłonią przesuwa na ekranie kursor, którym trafia w przycisk odpalający armatę. W pomieszczeniu po drugiej stronie kampusu Stocco miał na sobie zwykły różowy czepek pływacki, z przyłożoną nad lewą korą ruchową głowicą do przezczaszkowej stymulacji. Urządzenie to przez indukcję w szybko zmieniającym się polu magnetycznym wywołuje depolaryzację i hiperpolaryzację neuronów w mózgu, czyli pobudzenie tych obszarów, które odpowiadają za określone działanie (np. ruch ręki i palca). Po otrzymaniu sygnału i stymulacji przez TMS mózgu odbiorcy, ten wykonywał bezwiednie odpowiedni ruch. Stocco opowiada, że wrażenie było podobne jak w przypadku nerwowego tiku - zupełnie nie miał nad tym kontroli.
Był to mały ruch palca człowieka, ale być może wielki ruch ludzkości w nie do końca pewnym kierunku.
Amerykańska agencja DARPA uzyskała w roku 2017 fundusze w kwocie 65 mln dolarów, które zostaną przeznaczone na opracowanie neuronowych implantów umożliwiających człowiekowi bezpośrednią komunikację z typowo komputerowymi interfejsami wymiany danych. Uruchomiony projekt to część większego programu o nazwie NESD (Neural Engineering System Design), którego celem jest poszerzenie możliwości ludzkiego umysłu o cyfrowe zmysły.
Istotny wymóg projektu stanowi nie tylko zdolność komunikacji człowieka z maszyną. Opracowywany interfejs ma być dwukierunkowy.
- Dzięki zwiększeniu zdolności zaawansowanych interfejsów neuronowych umożliwiających przetwarzanie sygnałów z co najmniej miliona neuronów, NESD ma zapewnić dwustronną komunikację z mózgiem w niespotykanej dotąd skali - stwierdził Phillip Alvelda, szef i inicjator programu NESD.
DARPA, jak wiadomo, koncentruje się na projektach militarnych. Wyobraźnia podpowiada, do czego wojsku mogłyby przydać się interfejsy tego rodzaju. Usprawnienie łączności na polu walki to dopiero początek rozważań…
Ciąg dalszy TEMATU NUMERU w najnowszym wydaniu miesięcznika "Młody Technik"
