Interfejs mózg-komputer Seminarium BioInformatyka, 21 IV 2015 - Bartosz Dec

Interfejs mózg-komputer – czym jest?

- (ang. brain-computer interface, BCI) – interfejs pozwalający na bezpośrednią

komunikację między mózgiem a odpowiednim urządzeniem zewnętrznym.

Celem badań nad interfejsem mózg-komputer są usprawnienie lub naprawa

ludzkich zmysłów albo czynności ruchowych. W komercyjnych celach

technologia dostępna jest np. jako zamienniki joysticka lub klawiatury.

Historia – od czego się zaczęło?

Historia interfejsów mózg-komputer rozpoczyna się od odkrycia przez Hansa

Bergera aktywności elektrycznej w mózgu człowieka oraz rozwoju

elektroencefalografii.

W 1924 roku Berger był pierwszym, który zarejestrował aktywność ludzkiego

mózgu za pomocą elektroencefalografu (EEG). Analizując wyniki EEG,

Berger był w stanie zidentyfikować aktywność mózgu taką jak fale alfa (8-

12 Hz) znane również jako fale Bergera.

Pierwsze urządzenie stworzone przez naukowca było niezwykle proste.

Berger umieszczał srebrne przewody pod czaszkami pacjentów.

Miguel Nicolelis

Miguel Nicolelis, profesor Uniwersytetu Duke'a w Durham w Północnej Karolinie

Był orędownikiem korzystania z wielu elektrod rozmieszczonych na większym

obszarze mózgu, w celu uzyskania sygnałów neuronowych do kierowania BCI.

Takie zespoły neuronowe zwiększają precyzję i ułatwiają kontrolę interfejsu

mózg-komputer.

Po przeprowadzeniu wstępnych badań na szczurach w 1990 Nicolelis i jego

koledzy opracowali BCI, które dekodowało aktywności mózgu małp sowich i

używało zewnętrznego urządzenia do odtworzenia ruchów małp w ramionach

robotów.

Małpy mają zaawansowane umiejętności chwytania i sięgania i dobre

umiejętności manipulacyjne rąk, co czyni je idealnymi obiektami badań do

tego rodzaju pracy. Eksperymenty Nicoleisa pozwoliły odtworzyć ruchy

małp na ramionach robotów.

Małpy rezus uznawane są za lepsze obiekty do badań ze względu na ich

budowę mózgu zbliżoną do ludzkiego. Małpy wstępnie operowały

ramieniem używając joysticka i widząc obraz na ekranie komputera. Później

pokazano im robota bezpośrednio i nauczono kontrolować ramię poprzez

obserwowanie jego ruchów. BCI wykorzystało prognozy prędkości z

poprzedniego badania, by kontrolować zasięg uchwytu, a także siłę

zacisku „dłoni”.

Inne badania

Oprócz przewidywania kinematycznych i kinetycznych parametrów

ruchów kończyn rozwijane są interfejsy mózg-komputer do przewidywania

elektromiograficznej lub elektrycznej aktywności mięśni naczelnych.

Takie BCI może być stosowane w celu przywrócenia mobilności w

sparaliżowanych kończynach przez elektryczną stymulację mięśni.

Największą przeszkodą dla technologii BCI na początku drugiej dekady XXI

wieku był brak modalności czujnika, który zapewniał bezpieczny, dokładny

i solidny dostęp do sygnałów mózgowych.

Badania BCI na ludziach

Inwazyjne interfejsy – wzrok

Inwazyjne badania BCI wykorzystywane były między innymi w naprawie

uszkodzonego wzroku i zapewnienie nowej funkcjonalności dla osób z

porażeniem wzroku

Bezpośrednie implanty mózgowe były stosowane w leczeniu ślepoty

nabytej

Jednym z pierwszych naukowców, którzy wyprodukowali działający interfejs

BCI umiejący przywrócić wzrok był prywatny badacz William Dobelle

W 2002 roku Jens Naumann stał się pierwszym

pacjentów, którzy otrzymali implanty Dobelle'a

drugiej generacji

Natychmiast po otrzymaniu implantu, Jens był w

stanie wykorzystać jego niedoskonale odtworzoną

wizję, by kierować powoli samochodem wokół

parkingu instytutu badawczego

Pierwszy prototyp Dobelle'a został wszczepiony „Jerry'emu”

Początkowo implant pozwolił Jerry'iemu zobaczyć odcienie szarości w

ograniczonym polu widzenia na w niskiej ilości klatek na sekundę

Badania BCI na ludziach

Inwazyjne interfejsy – ruch

Interfejsy mózg-komputer

koncentrując się na neuroprotetyce

ruchowej, dążą do przywrócenia

ruchu u osób z porażeniem lub

dostarczenia urządzenia, aby im

pomóc w życiu codziennym,

używając np. interfejsów z

komputerów lub ramion robota

Badania BCI na ludziach –

Nieinwazyjne interfejsy Nieinwazyjne neuroobrazowanie jako interfejsu BCI

Elektroencefalografia (EEG) – najbardziej przebadany nieinwazyjny interfejs

Wady: wrażliwość technologii na hałas, intensywne szkolenie wymagane,

by użytkownicy mogli pracować w tej technologii

MEG i fMRI – Magnetoencefalografia (MEG) i funkcjonalne obrazowanie

rezonansem magnetycznym (fMRI)

Czy będziemy w stanie nagrywać sny?

W 2008 badania opracowywane

w Laboratorium Komputerowej

Neurologii do Zaawansowanych

Badań Telekomunikacyjnych

(ATR) w Kyoto, w Japonii,

pozwoliło naukowcom

zrekonstruować obrazy

bezpośrednio z mózgu i

wyświetlać je na komputerze

Badania BCI na ludziach –

Częściowo inwazyjne interfejsy Częściowo inwazyjne interfejsy mózg-komputer są wszczepiane w czaszkę, ale reszta

zostaje na zewnątrz mózgu, a nie w istocie szarej

Elektrokortykografia (wewnątrzczaskowe EEG – EcoG) – wypróbowali u ludzi w 2004

roku Eric Leuthardt i Daniel Moran z Uniwersytetu Waszyngtońskiego w St Luis –

nastolatek gra w Space Invaders.

Komercjalizacja

John Donoghue i wpół-badacze

założyli Cyberkinetics. Firma sprzedaje

swoje siatki elektrod pod nazwą

BrainGate i postawiła na rozwój

praktycznych interfejsów mózg-

komputer dla ludzi, jako jej główny cel.

BrainGate jest oparty na macierzy Utah

opracowanej przez Dicka Normanna.

Midnball to produkt opracowany

i skomercjalizowany przez

szwedzką firmę Interactive

Productline, w której gracze

rywalizują o kontrolę ruchu piłki

w całej planszy, poprzez

stawanie się bardziej

zrelaksowanym i skupionym.

Celem Interactive Productline

jest rozwój i sprzedaż

nieskomplikowanych produktów

EEG, które trenują skupienie i

relaksację.

Hiszpańska firma Starlab, pojawiła się na rynku w 2009 roku razem z

bezprzewodowym 4-kanałowym systemem o nazwie Enobio. W 2011 Enobio 8 i 20-

kanałowe (CE Medical) zostało wydane i jest obecnie w handlu dzięki

wyodrębnionej ze Starlab firmie Neuroelectrics. Zaprojektowany dla celów

medycznych i naukowych system zapewnia rozwiązanie uniwersalne oraz platformę

dla rozwoju aplikacji.

W roku 2009, pierwszy na świecie osobisty system translacji bazowany na EEG wszedł

na rynek: IntendiX. System może pracować z pasywnymi, aktywnymi, lub nowymi

suchymi elektrodami EEG

W marcu 2012 g.tec pokazał nowy moduł intendiX o nazwie Screen Overlay Control

Interface (SOCI), który umożliwia użytkownikom grać w World of Warcraft lub Angry

Birds

And the Japaneses – of course..

Interfejs mózg-komputer-mózg

Christophera Jamesa z

Uniwersytetu w Southampton –

2012

Międzynarodowy zespół

badaczy (Francja, Indie) – 2014

Względy etyczne

uzyskanie świadomej zgody od osób, które mają trudności w komunikacji

zastosowania terapeutyczne i ich możliwości przekroczenia

kwestie etyki badań, które powstają, gdy przechodzi się z doświadczeń na

zwierzętach do zastosowania u ludzi

czytanie myśli i prywatność

kontrola umysłu

korzystanie z technologii w zaawansowanych technikach przesłuchań przez

władze rządowe

selektywne wzmocnienie i rozwarstwienie społeczne,

komunikacja z mediami

Miguel Nicolelis

Pomysł – szczytna idea

Szkolona małpa Aurora – „supergwiazda” dziedziny sterowania myślą

Zabawa z joystickiem

O krok dalej – mechaniczne ramie

Wirtualna małpa – Awatar

Badanie trzech kręgów

Robot sterowany przez Internet

Miguel Nicolelis:

„Where is this going? We have no idea. We're just scientists. We are

paid to be children, to basically go to the edge and discover what is

out there”.

Koniec

Dziękuję za uwagę