Co dokážeme ovládnout myšlenkami. Vědci hledají odpověď i pomocí velmi neobvyklých metod
Vědci s plným zaujetím zápasí s „jednorukým banditou“, aniž by se hracího automatu dotýkali. Nebo ovládají invalidní vozík pouze tím, že na něj soustředí své myšlenky. Umožňuje jim to technologie přeměňující elektrické signály mozku na čitelné znaky. Postiženým lidem by mohla výrazně usnadnit život. Kde jsou však hranice čtení myšlenek? Odpověď se snažil najít časopis Geo ve svém novém vydání.
Stalo se to při koupání na Maltě, v létě roku 1998. Tom Schweiger spolu s několika přáteli skákali do příboje a potápěli se ve vlnách. Tom chvíli nedával pozor a skočil střemhlav rovnou mezi postupující vlny. Tvrdě narazil hlavou o dno. Pak „se ozvalo křupnutí a bylo po všem“, vzpomíná Tom. Ten děsivý zvuk bylo prasknutí páteře, která se mu zlomila mezi čtvrtým a pátým krčním obratlem.
Přátelé ho vytáhli na břeh. Tom Schweiger, třiadvacetiletý štíhlý a sebevědomý muž z rakouského Štýrska, v té době student Vyšší technické školy ve Weizu, se během chvilky stal invalidou. Od té doby může jenom trochu nadzvednout levé rameno a pravým pohnout. Všechny ostatní části těla – ruce, prsty, nohy, chodidla a prsty na nohou – však přestal vůlí ovládat. Nervové impulsy vysílané mužovým mozkem a poroučející tělu, aby rukou uchopilo knihu nebo udělalo krok, končí kousek pod jeho mozečkem v míše. Tento stav se nazývá tetraplegie – téměř úplné ochrnutí všech čtyř končetin.
O 15 let později sedí mezitím už devětatřicetiletý Tom Schweiger v jedné z laboratorních místnosti Technické univerzity ve Štýrském Hradci (Grazu), konkrétně v Ústavu pro sémantickou analýzu dat. Už čtvrt století zde vědci hledají způsob, jak lidem, kteří zcela nebo zčásti ztratili schopnost pohybu, vrátit alespoň trochu hybnosti, samostatnosti: konstruují tu takzvaná Brain-computer-interfaces (BCI), rozhraní mezi mozkem a počítačem. BCI registrují signály pacientova mozku, identifikují je a převádějí na příkazy pro ovládání technických zařízení. Zprostředkovávají kontakt například se softwarem pro psaní nebo invalidní vozík, případně dokáží dosáhnout i přímého elektronického ovládání pohybů víceméně ochrnutých končetin. Výjimečné na tom je, že vědci ze Štýrského Hradce nemusí implantovat do mozku pacientů dosud obvyklé elektrody – k zaznamenávání impulsů využívají elektroencefalografie, zkráceně EEG, jejíž pomocí měří mozkové vlny na pokožce hlavy.
Tom Schweiger je od roku 1999 jedním z dobrovolníků. „Oslovili mě, když jsem ještě chodil na rehabilitaci,“ vzpomíná Tom. Okamžitě s nabídkou souhlasil. Poté, co se mu zhroutil původní život, začal hned znovu. Mezitím ukončil studium geografie, oženil se a stal otcem dvou kluků, Tommyho a Juliana – staršímu z nich je čtyři a půl roku. Tom Schweiger si nestěžuje – alespoň ne na veřejnosti. Někdy ho však rozhořčí, když se setká s ignorancí. Už vícekrát zaskočil některé lékaře, kteří nemohli uvěřit tomu, že muž s paraplegií může zplodit děti.
Jeho žena Silvia ho v den D přivezla do BCI laboratoře ve Štýrském Hradci – sám nedokázal ovládat invalidní vozík. Vedoucí ústavu Gernot Müller-Putz dvojice vítá – Toma Schweigera zná už 15 let. Další dva vědci, Alex Kreilinger a psycholožka Hannah Hiebelová, dobrovolníka připravují na pokus. Vládne tu uvolněná atmosféra.
Kreilinger nasazuje ochrnutému pacientovi čepici s čidly EEG. Kabely je spojena s počítačem. Potom mu na ruku přilepí elektrody ke stimulaci svalů: jeden pár na zavírání ruky, druhý pro její otevírání, další na jemnou motoriku palce. Značky pro přesné umístění elektrod si Tom dal vytetovat – šetří to prý čas.
Doktor Kreilinger zapne stimulátor. Schweigerovy ochrnuté prsty se začnou pohybovat. Tom je pozoruje a usmívá se.
„No dobře, pojďme tedy na to.“ Kreilinger položí na stůl zelenou láhev s vodou. Schweiger se pekelně soustředí: představuje si, že zvedá nohy. Pokouší se navodit vnitřní pocit dotyčného úkonu – pro něj však neuskutečnitelného pohybu. Zelený pruh na monitoru ukazuje, jak silný je měřitelný signál této myšlenky. Počítač ji identifikoval a přeměnil na slabý proud, vedený k stimulátoru ovládajícímu úchop Schweigerovou rukou. Počítač se naučil číst dobrovolníkovy myšlenky – tedy alespoň některé, ty zcela konkrétně formulované. Schweiger se zase naučil myslet takovým způsobem, aby čtení svých myšlenek externím zařízením co nejvíce usnadnil. Pomalu napíná rameno a klade ochrnutou ruku na plastovou láhev. Představuje si, že komíhá nohama nahoru a dolů – software vyšle zdánlivě nesouvisející příkaz otevřít ruku. Každý další imaginární pohyb nohama spouští příslušný příkaz v pevně stanoveném pořadí: zvednutí nohy = čtyři prsty sevřou láhev, další zvednutí nohy = ohne se palec. Pak Schweiger zvedne láhev. Zcela sám. Je prvním člověkem, který ji dokázal zvednout pouze silou svých myšlenek. Šťastně a hrdě se usmívá.
Dokáže si vůbec po letech nehybnosti představit, jak se „hlásí“ pohybující se nohy? Ani ne, odpovídá Schweiger. Zato se mu prý někdy dokonce zdá, že běhá. „Je to však zvláštní zkušenost, když člověk myslí na nohy a pohnou se mu tak dlouho neovladatelné prsty,“ dodává dobrovolník. Tento paradox má však své vysvětlení. „Oblasti mozku reprezentující skutečné či imaginární pohyby nohou jsou ohraničeny mnohem zřetelněji než ty, které hýbou rameny nebo rukama,“ vysvětluje Müller-Putz. „V Tomově případě dokáže čepice s čidly EEG snadněji rozpoznat potřebné signály. Pro testovanou osobu jde o pohodlnější řešení, navíc snižující technické náklady.“
Ovládání strojů a zařízení pouhou silou myšlenek ještě donedávna zůstávalo výlučnou doménou sci-fi: podvojná bytost RoboCop, různí umělí „zástupci“ vlastního Já ve filmu „Náhradníci“ (Surrogates) s Brucem Willisem nebo až děsivě komplexní fúze softwaru a mozku v „Matrixu“ – to vše zůstává na míle vzdálené všemu, co dnes považujeme za skutečně možné. Realita se však pomalu přibližuje k fikci. Už delší dobu se ve vědeckých laboratořích v Evropě, Číně, Japonsku a v USA intenzívně a úspěšně pracuje na protézách, robotických ramenech a exoskeletech ovládaných mozkem. Různé firmy vyvíjejí BCI systémy pro počítačové hry. Vědeckému týmu působícímu v Berlíně se podařilo řídit auto pouze pomocí mozkových signálů. Americká armáda dokonce pověřila renomované vědecké instituce výzkumem „syntetické telepatie“, při níž se již myšlenky vůbec nebudou muset vyslovovat, nýbrž budou rozpoznány EEG skenerem a přenášeny přímo k příjemci.
Zvláště v medicíně se podobná technika jeví nanejvýš potřebná. Podle odhadů každoročně utrpí až 130 000 lidí na celém světě poranění míchy. Dalších 350 000 trpí podobně jako astrofyzik Stephen Hawking amyotrofní laterální sklerózou (ALS) – nepříjemným onemocněním nervového systému, které člověku nejprve ochromí svalstvo a pak ho připraví o řeč. Nezřídka končí „syndromem uzamčení“ (LIS), při němž sice člověk zůstává plně při vědomí, jeho tělo je však zcela paralyzováno.
Syndrom uzamčení se často dostavuje jako jeden z následků mrtvice mozkového kmene. Ve statistikách se to sice neuvádí, nicméně sdružení LIS eV v Berlíně, zastupující zájmy takto postižených pacientů, předpokládá, že jen v samotném Německu se vyskytuje 270 až 2700 případů. Podle odhadů belgických vědců je dokonce možné, že přes 40 procent všech pacientů, kteří se podle lékařské diagnózy nacházejí ve stavu bdělého kómatu, jsou ve skutečnosti ve „stavu uzamčení“, tedy při vědomí. Děsivá představa!
Vědci zabývající se výzkumem BCI se učí stále lépe využívat neuronálních mechanismů, jež u člověka řídí vnímání motoriky. Každému úkonu, každému vědomému pohybu těla předchází úplný ohňostroj mozkových buněk, změřitelný ve formě sledu elektrických impulsů. Přesně tytéž mozkové buňky se aktivují i v situaci, když si člověk pohyb jen představuje, ba dokonce také, když už dotyčné části těla nejsou k dispozici. Příkladem podobného efektu jsou například „fantómové bolesti“ v dávno amputovaných končetinách. Tak jako existují fantómové bolesti, existují i fantómové pohyby – podobné těm, jež vědci ze Štýrského Hradce registrují u Toma Schweigera ve chvíli, kdy pomyslí na své nohy. Největší výzvou však je extrahovat z onoho nepřetržitého ohňostroje neuronů přesně ten impuls, který by mohl posloužit jako spouštěč digitálního řetězce příkazů. Vždyť v lidském mozku se nachází asi 100 miliard nervových buněk a až 100 biliónů synaptických spojení, umožňujících přenos, výměnu signálů. V samotné mozkové kůře dostává každá nervová buňka informace od minimálně 30 000 dalších – jde o ustavičnou „vřavu“ neuronů, neutichající, ani když spíme.
Sondy na lebce
Problém koktejlových večírků – tak vědci nazývají zmíněnou bouři signálů. Elektrické impulsy mozku připomínají vřavu ozývající se z večírku o několik domů dál. Teprve když k němu přijdeme blíž, dokážeme identifikovat útržky konverzace, a až když se dobře zaposloucháme, rozpoznáme jednotlivé hlasy.
Na začátku si proto mnozí mysleli, že pokud chceme lépe porozumět signálům mozku, musíme se prostě přiblížit k místu jejich vzniku. V devadesátých letech, kdy se zejména v USA dostaly do centra pozornosti mainstreamové vědy BCI projekty – většinou financované Pentagonem –, proto neurologové zaváděli hluboko do mozku testovaných subjektů mikroelektrody. Zpočátku prováděli pokusy na laboratorních zvířatech, později i na dobrovolnících. Mimochodem na miniaturní čipy, jež při tom používali, je možné umístit až 100 senzorů.
Imobilní pacienti se pomocí takových neurálních implantátů skutečně naučili ovládat robotické paže nebo posouvat kursor na obrazovce počítače. Neurolog John Donoghue naučil pacienta, jenž byl od krku dolů ochrnutý, dokonce ovládat invalidní vozík pomocí mozkových vln přenášených z mikročipů do počítače. Philip Kennedy z Atlanty se zas pokouší dobrovolníkovi, který po autonehodě zůstal zcela ochrnutý, vrátit řeč pomocí syntetizátoru převádějícího pacientovy myšlenky na tóny. Vědeckému týmu ze Severní Karolíny se nedávno podařil pokus s opicí makak rhesus (Macaca mulatta). Pomocí implantátů dokázala pohnout najednou dvěma virtuálními rameny – jen silou myšlenek.
Vědci v Evropě a v Asii již dávno experimentují s elektrodami upevněnými na povrchu lebky. Výhodou metody tzv. neinvazívního BCI je, že se uskutečňuje bez operativního zákroku. Nevýhodou zůstává relativní nepřesnost měření, zejména při signálech, jež vznikají v hlouběji ležících oblastech mozku. Pro tuto technologii jsou proto potřebné impulsy, jež by počítač dokázal jednoznačně přiřadit k přesně „ohraničené“ myšlence – jednak proto, že dobrovolníkům trvá celé hodiny či týdny, dokud ho to nenaučí, ale zejména proto, že signály vznikají v přesně lokalizovaných oblastech mozkové kůry – podobně jako ty pro imaginární pohyby nohou, jejichž pomocí Tom Schweiger ovládá svoji dříve neživou ruku.
V laboratoři BCI na půdě Technické univerzity ve Štýrském Hradci mezitím uplynuly téměř dvě hodiny. Na Schweigerovi už jsou patrné známky únavy. Náplň pokusu se nyní mění: Schweigerova levá chromá ruka střídavě uchopuje kus dřeva a svírá je v dlani a hůl, kterou drží mezi palcem a prostředníčkem. Pomocí senzoru reagujícího na skutečné pohyby mužova pravého ramene otevírá a zavírá prsty jeho cukáním. Prostřednictvím BCI rozhraní střídá úchop celou rukou s úchopem dvěma prsty – tím, že si představuje pohyb nohou. Z minuty na minutu mu to však jde obtížněji. Zelený pruh na monitoru zobrazující intenzitu dobrovolníkovy koncentrace se pohybuje stále pomaleji.
„Začínám být unavený,“ přizná po chvíli.
„Pak je to pro dnes všechno,“ odpovídá Kreilinger.
Čím vším ovládáme mozek
Neinvazívní metody interakce mezi mozkem a počítačem se pro praktickou aplikaci ukázaly stejně vhodné jako invazívní postupy s mozkovými implantáty. Vědecký tým kolem Josého del R. Millana z Vysoké školy polytechnické v Lausanne tak například vyvinul invalidní vozík ovládaný imaginárními pohyby, který je však schopen sám se učit čím dál lépe interpretovat mentální příkazy svého uživatele, a časem dokonce převzít určitou část jeho ovládacích úkonů.
Vědci z univerzity v Brémách zase zkonstruovali invalidní vozík ovládaný pomocí EEG, jejž navíc vybavili robotickým ramenem, aby svému uživateli umožňoval obsluhovat například mikrovlnnou troubu. Vědci z univerzity Cing-chua v Pekingu a univerzitní nemocnice v Hamburku testovali systém BCI pro imobilní pacienty: prostřednictvím signálů ze zrakového centra mozku dokáže ovládat například klávesnici mobilního telefonu nebo dálkového ovládání automatického otevírání dveří, televizoru či klimatizace. Pracuje na principu barevných světel blikajících na různých frekvencích, jež nejsou lidským okem přímo vnímatelné. Podle toho, na jaké světlo se uživatel koncentruje, spouští daná frekvence ve zrakovém centru určité nervové signály. Ty pak v reálném čase přečte a zanalyzuje počítač převádějící je na předem stanovené úkony: Vypnout televizor! Zapnout světlo! Otevřít dveře!
Ne všem se to líbí
Berlín, Franklinova ulice, Technická univerzita. Uprostřed laboratorní místnosti Institutu pro strojové učení stojí hrací automat značky „Addams Family“. Poněkud nezvyklé zařízení, obvykle bývá prostor přeplněn pracovními stoly se změtí kabelů, laptopy a monitory. Při pohledu z okna se v dálce leskne věž vysílače na Alexandrově náměstí.
Informatik Michael Tangermann se plně soustředí na obrazovku před sebou. Na hlavě má plastovou čepici osazenou 128 elektrodami, jež jsou kabely spojené s počítačem. Vědcovy ruce spočívají na kolenou. Na monitoru se zobrazuje šest do kruhu uspořádaných políček s písmeny. Potom přímo ze středu kruhu vyletí zelená šipka a přesune se po obrazovce směrem k písmenu D. Písmeno krátce zasvítí a objeví se v textovém poli v horní části obrazovky. Zázrak!
„Představuji si, že střídavě pohybuji prsty levé a pravé ruky,“ vysvětluje vědec zkoumající BCI, „podobně jako klavírista cestující v metru, který si v duchu přehrává koncertní skladbu.“ Každý pomyslný pohyb má podobu nervového impulsu zaznamenaného elektrodami. Každému slabému impulsu software následně přiřadí konkrétní příkaz: ohnutí prstů pravé ruky = posunout kursor doprava, mírné ohnutí prstů levé ruky = posunout kursor doleva, dokud nedosáhne požadovaného znaku. Myšlenky se zrcadlí na monitoru.
Dalším písmenem je I, za ním následuje E a mezera. Michael Tangermann soustředěně píše písmeno za písmenem – vlastními myšlenkami. Po pěti minutách našeho nesmírného údivu se na obrazovce objeví věta: „Myšlenky jsou nespoutané.“ Tangermann píše plynule.
Jednoho dne se i kursor na monitoru stane součástí lidského těla, vysvětluje fyzik Klaus-Robert Müller, vedoucí výzkumné skupiny na Technické univerzitě v Berlíně. „Naše metoda nevyžaduje žádný čas potřebný na trénink. Při testování na zdravých dobrovolnících dokázaly dvě třetiny z nich používat danou techniku nejpozději do jedné hodiny. Umožňuje napsat až osm znaků za minutu.“ Dokonce i pacienti s tetraplegií dokáží už po jednom sezení komunikovat pomocí berlínského BCI – byť o něco pomaleji.
Tangermann ovládal pomocí systému BCI například laboratorní hrací automat. A po chvíli tréninku nebyl o mnoho pomalejší než hráči ovládající stroj rukama.
Výzkum rozhraní mezi člověkem a počítačem dosáhl stupně, jaký byl ještě před několika lety nemyslitelný. Nedávno se americkým neurologům podařilo zrekonstruovat obrazy z lidského mozku. Pokusným osobám promítali filmové ukázky a pomocí magnetické rezonance zaznamenávali aktivitu jejich zrakového centra. Na základě těchto údajů pak pomocí softwaru rekonstruovali obrazy konkrétních scén – sice dost rozmazané, ale přesto vskutku pozoruhodné.
Někteří vědci už volají po zastavení podobných pokusů. Požadují společenskou diskusi o tom, na co inkriminovanou technologii chceme využívat a na co ne. Důvodem je především to, že kromě lékařů se o ni intenzívně zajímá i armáda. Například výzkumná instituce amerického ministerstva obrany DARPA (Agentura pro výzkum pokročilých obranných projektů) již vynaložila na výzkum BCI milióny dolarů. Nejen proto, aby tím pomohla zlepšit kvalitu života válečných veteránů, ale i s cílem „zvýšit efektivitu vojáků na bojišti“. Teoreticky by totiž pomocí BCI bylo možné ovládat nejen protézy rukou, ale i bojové stíhačky.
Vědci soustředění kolem amerického biologa Peta Estepa hodlají zajít v propojení mozku s počítačem ještě dále: nejde jim už jen o čtení myšlenek počítačem, ale také o jejich rozšiřování. O umělé zvětšování knihovny uložené v našich neuronech, jež obsahuje vše, co se naučíme, rozpoznáme a na co si vzpomeneme – o znalosti z počítače. To, co se dnes ještě musíme učit dlouhá léta, by se tak brzy mohlo dát za několik sekund „nahrát“ do sítě nervových buněk. Zapomnětlivost? Nebude už aktuální. Demence se stane problémem minulosti.
Takový způsob neuronálního rozšiřování paměti – Estep ho nazývá „kognitivní BCI“ – se zatím pohybuje v rovině sci-fi podobně, jako tomu bylo před pár lety s invalidními vozíky ovládanými myšlenkami. „Máme však dobrý důvod předpokládat,“ dodává Estep, „že překážky, jež nás od něj dělí, nejsou nepřekonatelné.“
Jak rozhýbat neurony -myšlení vede ke zvýšení napětí
Každá myšlenka vyvolá mírné zvýšení napětí v mozku. Neurovědci tomu říkají „elektrický potenciál“. Svou hodnotou 10 až 15 milióntin voltu je 100 000krát slabší než baterie do kapesní svítilny. Změny elektrického napětí lze efektivně měřit na pokožce hlavy pomocí elektroencefalografie (EEG) a můžeme je dále využít k ovládání protéz nebo softwaru na psaní do počítače. Věda zabývající se výzkumem rozhraní mezi mozkem a počítačem (BCI) se přitom zaměřuje především na tři druhy mozkových signálů:
1. Signály z motorického centra. Tato oblast mozkové kůry je odpovědná za řízení vědomých pohybů – včetně imaginárních. Už sekundu před pohybovým úkonem vzniká elektrický potenciál, který se postupně zvětšuje. Asi půl sekundy před provedením pohybu jej již lze měřit a přibližně pětinu sekundy (200 milisekund) před úkonem je dostatečně silný na to, aby ho mohlo zachytit zařízení EEG.
2. Vlny P300. Objevují se vždy po specifické události, a to poměrně přesně – se zpožděním 300 milisekund. Na EEG se zobrazují jako ostré vrcholy („peaks“) křivky měření. Vlny P300 se jeví vhodné například k ovládání softwaru na psaní, neboť jsou měřitelné vždy, když se na obrazovce zobrazí požadovaný znak.
3. Signály ze zrakového centra. Pokud se díváme na pravidelně blikající světlo, vznikne nám krátce nato v mozku sled napětí se stejnou frekvencí. Při více světlech s různými frekvencemi se pak dá z mozkových vln vyčíst, na jaké světlo se právě koncentrujeme. Uvedené frekvence je následně možné jednoznačně přiřadit softwarovým příkazem. Tato důvtipná metoda je zvláště vhodná pro pacienty s ochrnutými okohybnými svaly.
Nové vydání časopisu GEO je právě v prodeji.
