17.06.2022

„Czy uda się połączyć mózg z komputerem?” – felieton


Skrócona wersja poniższego felietonu autorstwa prof. Ryszarda Tadeusiewicza została opublikowana w „Dzienniku Polskim” oraz „Gazecie Krakowskiej” 17.6.2022 r.

Coraz więcej spraw zawodowych, urzędowych i prywatnych załatwiamy przy pomocy komputerów, nic więc dziwnego, że komunikujemy się z nimi często i intensywnie. Komunikacja ta, korzystająca z ekranu dotykowego, klawiatury oraz myszki, jest dziś nieporównanie wygodniejsza niż w czasach gdy polecenia dla komputera musiałem pracowicie dziurkować na taśmie papierowej lub na kartach perforowanych i wprowadzać  przez specjalne czytniki. Dla dzisiejszych użytkowników informatyki jest to niewyobrażalne – a przecież tak było!

Być może w przyszłości będzie można sterować komputerem za pomocą myśli. O takich możliwościach mówiło się od wielu lat i tematyka ta ma nawet już swoją skrótową nazwę: BCI (Brain-Computer Interface). Docelowo być może koniczne będzie instalowanie w głowie chętnego użytkownika specjalnego przetwornika pomiarowego łączącego się bezprzewodowo z komputerem. Ale początkowe prace prowadzone na ten temat (między innymi w zespole dr Anny Broniec w Katedrze Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej AGH) zatrzymywały ingerencję inżynierską na zewnątrz czaszki osoby chcącej się łączyć z komputerem.

Wykorzystywany jest tu fakt, że gdy założymy czepek zawierający elektrody na głowę badanej osoby, to na tych elektrodach zarejestrujemy bardzo słabe potencjały pojawiające się na skórze głowy pod wpływem aktywności mózgu (tak zwane sygnały EEG). Warto tu może wspomnieć, że sygnały EEG badał i opisywał  w 1890 roku krakowski uczony, prof. Adolf Beck, który był pionierem tej techniki. Sygnały EEG wykorzystują dziś lekarze w neurologii i psychiatrii, a my jako inżynierowie próbujemy powiązać te sygnały z poleceniami, jakie człowiek mógłby wydawać maszynie jedynie poprzez myślenie o nich, bez wykonywania żadnych fizycznych czynności.

Najwcześniej udało się wykorzystać wykrywanie tzw. fal alfa EEG. Człowiek jest w stanie wygenerować takie fale gdy się relaksuje. Gdy jest aktywny, myśli o czymś, podejmuje decyzje – w sygnale EEG dominują szybkie fale beta. Ale gdy się odpręży, rozluźni – pojawia się fala alfa, łatwa do wykrycia, bo znana jest jej częstotliwość. W zespole dr Anny Broniec powstał oparty na tej zasadzie najpierw model dziecinnej kolejki elektrycznej, którą można było uruchomić, zatrzymać czy zawrócić – jedynie myśląc o tym. Potem dr Broniec kierowała pracą magisterską w ramach której powstał wózek inwalidzki, którego ruch był sterowany myślami osoby siedzącej na nim.

Jednak falą alfa można przekazać tylko jeden bit informacji na zasadzie „tak – nie”. Żeby wysłać bardziej złożony komunikat trzeba utworzyć go wybierając właściwe symbole z całego zestawu (na przykład liter). Są trzy metody takiego wybierania symboli za pomocą śledzenia aktywności mózgu. Pierwsza nazywana SSVEP (ang. steady state visual evoked potentials) polega na koncentrowaniu uwagi na właściwym symbolu migającym na ekranie komputera z określoną częstotliwością. Różne symbole migają z różnymi częstotliwościami, ale częstotliwość migania wybranego symbolu po skupieniu na nim uwagi jest odzwierciedlana w EEG. Ten wybrany symbol staje się elementem polecenia dla komputera. Po odpowiednim treningu to się udaje! Drugą metodą jest wykrywanie fali P300, pojawiającej się w sygnale EEG po pokazaniu przez komputer tego symbolu, którego właśnie oczekuje człowiek przesyłający komunikat myślą. Fala P300 sygnalizuje rozpoznanie i jest wykorzystywana w medycynie między innymi do diagnozowania demencji. W BCI znajduje podobne zastosowanie. Trzecia metoda nazywana jest ERD/ERS (ang. event-related desynchronization/synchronization) i oparta jest na odczycie intencji ruchu palcem albo stopą. Gdy chcemy wykonać jakiś ruch – w zwoju przedcentralnym mózgu pojawia się sygnał – w innymi miejscu dla ręki i w innym dla nogi.

Wymienione metody nie są doskonałe, ale umożliwiają sterowanie samymi myślami różnymi systemami. W 2007 roku firma Emotiv zaoferowała grę, w której gracz, mający na głowie czepek z elektrodami, mógł myślą sterować  przebiegiem gry.

Ale ta droga przekazu informacji z mózgu do komputera za pomocą EEG jest bardzo wolna i mało wydajna. Rozwijamy ją, bo może ona mieć duże znaczenie dla osób niepełnosprawnych czy sparaliżowanych, ale nie wyobrażam sobie, żeby w ten sposób dało się napisać na komputerze duży artykuł. Ale przyszli użytkownicy komputerów będą je być może sterować poprzez specjalne implanty, przesyłające informacje bezpośrednio z ich mózgów do systemów informatycznych. Postęp jest bardzo szybki, więc może kiedyś zamiast wystukiwać ten felieton na klawiaturze - będę mógł go tylko wymyślić, a tekst stworzy czytający w moim mózgu komputer?

Ale to pieśń przyszłości, natomiast dzisiaj kończę rozcierając spracowane palce...

Wykaz wszystkich publikacji popularnonaukowych prof. Tadeusiewicza wraz z odnośnikami do ich pełnych wersji