Neuroimplant czyta w myślach?

Pisarze i scenarzyści gatunku science fiction od dawna zapowiadają nadejście neuroimplantów. Chodzi o specjalne elektrody, umieszczane wewnątrz mózgu, które umożliwią np. bezdotykową obsługę smartfona. Naturalnie takie urządzenia musiałyby czytać w myślach – przynajmniej w pewnym sensie. Wyniki najnowszych badań naukowych dowodzą, że te futurystyczne fantazje mogą już niedługo stać się rzeczywistością.

Trudne początki

Neurotechnologia to dynamicznie rozwijająca się dziedzina nauki. Jej głównym celem jest zbudowanie bezpośredniego interfejsu pomiędzy układem nerwowym człowieka a urządzeniem elektronicznym. Stworzenie takiego połączenia mogłoby przede wszystkim umożliwić osobom sparaliżowanym komunikację ze światem zewnętrznym. Zaś w dalszej przyszłości neuroimplanty mogłyby być powszechnie używane do wykonywania tak banalnych czynności jak obsługa smartfona. Jeśli brzmi to dla Was jak science fiction, lepiej usiądźcie. Naukowcom z Uniwersytetu Stanforda właśnie udało się wyprodukować beta-wersję takiego implantu.

Naukowcy już wcześniej podejmowali próby umożliwienia osobom sparaliżowanym komunikacji ze światem zewnętrznym. Zazwyczaj chodziło o pisanie wiadomości poprzez poruszanie kursorem po wirtualnej klawiaturze. Oczywiście uczestnicy kontrolowali ruchy kursora wyłącznie za pomocą myśli, które “odczytywał” implant. Taka procedura zazwyczaj okazywała się skuteczna, choć kłopotliwa. Przede wszystkim pisanie było irytująco powolne. Kontrola kursora wymagała maksymalnego skupienia uwagi i oszacowania właściwego momentu aby “kliknąć”, a sam proces uczenia się obsługi programu zabierał dużo czasu. Aby wyeliminować te trudności, naukowcy rozpoczęli poszukiwanie alternatywnych metod.

Wystarczy intencja

W jaki sposób z aktywności naszych neuronów odczytać litery, które chcemy przenieść na papier lub ekran? Cały proces zaczyna się gdzieś w aksonowo-dendrytycznej dżungli kory mózgu. To tam powstaje myśl, by użyć konkretnego słowa złożonego z określonego zestawu znaków. Nie wiemy jeszcze, w którym dokładnie obszarze mózgu ma to miejsce. Jednak ta myśl generuje intencję wykonania ruchu (czyli aktywność neuronów w korze przedruchowej), a następnie dokładne sekwencje aktywacji mięśni niezbędnych do jego realizacji (aktywność neuronów w korze ruchowej). A procesy neuronalne odpowiadające za motorykę zostały już w dużej mierze zbadane. Dlatego naukowcy postanowili właśnie je wykorzystać do stworzenia interfejsu między człowiekiem a urządzeniem.

Badacze stworzyli dwa implanty, każdy złożony głównie ze 100 mikroskopijnych elektrod. Umieścili je w korze przedruchowej mózgu sparaliżowanego ochotnika. Ten obszar kory motorycznej jest zaangażowany przede wszystkim w odczytywanie intencji wykonania czynności. Uchwycenie ich, zdaniem naukowców, niosło większe prawdopodobieństwo właściwego odczytania zamiaru ochotnika niż detekcja sygnałów kierujących ruchami mięśni. Otóż intencja napisania danego znaku odnosi się tylko do jego wyobrażenia. Wykonanie ruchu jest natomiast związane ze złożoną sekwencją aktywacji rozmaitych mięśni. Dlatego, w pewnym sensie, łatwiej można zinterpretować sygnał o intencji niż o ruchu.

Czytanie w myślach

Gdy implant znalazł się we właściwym miejscu, naukowcy poprosili ochotnika o wyobrażenie sobie zapisywania alfabetu na kartce papieru – litera po literze. Jednocześnie ok. 200 elektrod w jego korze przedruchowej rejestrowało towarzyszącą “pisaniu” aktywność neuronów. Następnie naukowcy przeanalizowali zebrane dane i odszukali te cechy aktywności neuronów, które najlepiej charakteryzowały każdą literę. Przekształcając te nagrania w dwuwymiarowe obrazy, naukowcy zaobserwowali, że podczas “pisania” pojedynczej litery zawsze aktywna była grupa sąsiadujących ze sobą neuronów. Co ciekawe znaki o podobnym kształcie – np. “p” i “b” lub “h” i “n” – były reprezentowane przez pobliskie skupiska komórek. W ten sposób naukowcom udało się na podstawie sygnału neuronalnego odcyfrować właściwą literę z trafnością ok. 94%.

Ta technika analizy danych miała jednak pewną poważną wadę – była dość powolna. Żeby ją przyspieszyć, naukowcy wykorzystali zaprogramowaną specjalnie w tym celu sztuczną inteligencję. Algorytm cyklicznej sieci neuronalnej uczył się klasyfikacji znaków metodą prób i błędów. Pomimo że posiadał nieduży zbiór danych treningowych – raptem 242 zdania – zadziałał wyjątkowo dobrze. Odczytywał intencje uczestnika z zaledwie półsekundowym opóźnieniem i 95% skutecznością (zastosowanie dodatkowego algorytmu “autokorekty” zwiększyło trafność do 99%). Uczestnik, korzystając z neuroimplantu, był w stanie zapisać ok. 90 znaków na minutę. Jest to mniej więcej taka prędkość, jaką osiąga w pełni sprawny człowiek niespiesznie piszący na zwykłej klawiaturze. Ten wynik niemal czterokrotnie przewyższa możliwości wcześniejszych systemów korzystających z wirtualnej klawiatury! Ale te wyniki zostały uzyskane na zbiorze danych treningowych, które neuroimplant “znał”. W kolejnej rundzie naukowcy poprosili uczestnika o “napisanie” dowolnych odpowiedzi na wyświetlane pytania. System odczytał nieznane słowa z prędkością ok. 75 znaków na minutę i 98% poprawnością.

A to dopiero prototyp!

Ten neuroimplant, zdaniem jego twórców, nie jest jeszcze w pełni kompletnym systemem, który można by zastosować w praktyce klinicznej. Przede wszystkim do tej pory został przetestowany u jednej osoby, trudno więc przewidzieć jego skuteczność w większej skali. Poza tym uczestnik używał jedynie uproszczonego alfabetu pozbawionego cyfr, dużych liter, znaków specjalnych i większości znaków interpunkcyjnych. Co więcej, działanie implantu zmienia się nieco z biegiem czasu. Przypuszczalnie wynika to z procesem gojenia się tkanek po wszczepieniu elektrod. Dlatego, przynajmniej początkowo, ten system wymaga regularnej, cotygodniowej rekalibracji.

Pomimo wszystkich wymienionych wyżej zastrzeżeń, ten prototyp wykazuje znacząco większą szybkość i skuteczność działania w porównaniu do swoich poprzedników. Poza tym w praktyce przypomina zwykłe pisanie – w tym sensie, że nie wymaga całkowitego skupienia na literach, jak przy nauce pisania. Kiedy umiemy już pisać – czy to odręcznie, czy na smartfonie lub zwykłej klawiaturze – robimy to niemal automatycznie. Możemy się więc skupić na treści, którą chcemy przekazać i na normalnych interakcjach z otaczającym środowiskiem. Ten system ma ten sam potencjał – w przeciwieństwie do swoich poprzednich wersji. Używanie ich wymagało nieustannej koncentracji, aby przesuwać kursor i zatrzymywać go nad właściwym znakiem. To o wiele mniej intuicyjne niż pomyślenie o tym znaku!

Przyszłość zaczyna się dziś

Na razie naukowcy przetestowali neuroimplant jedynie na alfabecie ograniczonym wyłącznie do małych liter i podstawowych znaków interpunkcyjnych. W przyszłości planują rozbudować go tak, by obejmował wszelkie możliwe znaki. Jednak część liter jest do siebie bardzo podobna – chociażby wielka litera “I” i mała litera “l”. Co za tym idzie, intencje ich napisania koduje zbliżony wzorzec aktywności neuronów. A to może utrudniać zadanie neuroimplantu. Dlatego naukowcy planują stworzyć czcionkę, w której każda litera jest unikatowa. Taki zabieg zwiększy skuteczność “czytania w myślach”. Podsumowując – ta neurotechnologia ma ogromny potencjał. Dostrzegł go między innymi Elon Musk, który w 2016 roku założył firmę NeuraLink, dedykowaną wyłącznie badaniom nad interfejsami człowiek-komputer.

Czy zatem możemy spodziewać się, że kolejny iPhone będzie można obsługiwać wyłącznie myślami? Cóż, opracowanie komercyjnych neuroimplantów z pewnością zabierze jeszcze ładnych parę lat. Lecz przytoczone powyżej badanie pokazuje, że era neurotechnologii nadchodzi wielkimi krokami.

Autor:

Natalia Koperska

Źródło:

Willett, F.R., Avansino, D.T., Hochberg, L.R. et al. High-performance brain-to-text communication via handwriting. Nature, 2021


PRZECZYTAJ TEŻ:


Skomentuj

Witryna wykorzystuje Akismet, aby ograniczyć spam. Dowiedz się więcej jak przetwarzane są dane komentarzy.