Vzrušení – Pozornost
Koncentrace – Vědomí
Rozhodování – Výkonné funkce
Jazyk – učení – paměť
Motorická koordinace – Vnímání
Plánování – Řešení problémů
Myšlení
Arthur L. Benton – Antonio Damasio
Phineas Gage – Norman Geschwind
Donald Hebb – Alexander Luria –
Muriel D. Lezak – Brenda Milnerová
Karl Pribram – Oliver Sacks
Roger Sperry
Bender-Gestalt test
Bentonův test vizuální retence
Hodnocení klinické demence
Kontinuální výkonová úloha
Haylingův a Brixtonský test
Lexikální rozhodovací úloha
Mini vyšetření duševního stavu
Stroopova úloha
Wechslerova škála inteligence dospělých
Wisconsinská úloha třídění karet
Rozhraní mozek-počítač (BCI), někdy nazývané přímé nervové rozhraní nebo rozhraní mozek-stroj, je přímá komunikační cesta mezi lidským nebo zvířecím mozkem (nebo kulturou mozkových buněk) a externím zařízením. U jednosměrných BCI počítače buď přijímají příkazy z mozku, nebo do něj vysílají signály (například pro obnovení zraku), ale ne obojí. Obousměrné BCI by umožnily mozku a externímu zařízení vyměňovat si informace oběma směry, ale zatím se je nepodařilo úspěšně implantovat do zvířat nebo lidí.
V této definici slovo mozek znamená spíše mozek nebo nervový systém organické formy života než mysl. Počítačem se rozumí jakékoliv výpočetní zařízení, od jednoduchých obvodů až po křemíkové čipy (včetně hypotetických technologií budoucnosti, jako je kvantová výpočetní technika).
Výzkum BCI začal v 70. letech 20. století, ale první funkční experimentální implantáty na lidech se objevily až v polovině 90. let. Po letech pokusů na zvířatech nyní existují první funkční implantáty pro lidi, které jsou určeny k obnově poškozeného sluchu, zraku a pohybu. Společným znakem celého výzkumu je pozoruhodná plasticita mozkové kůry, která se často přizpůsobuje BCI a s protézami ovládanými implantáty zachází jako s přirozenými končetinami. Díky nedávnému technologickému a znalostnímu pokroku by se nyní průkopničtí výzkumníci mohli pokusit vyrobit BCI, které by lidské funkce spíše rozšiřovaly než jen obnovovaly, což bylo dříve jen doménou science fiction.
BCI versus neuroprotetika
Neuroprotetika je oblast neurovědy zabývající se nervovými protézami – umělými zařízeními, která nahrazují funkci narušeného nervového systému nebo smyslových orgánů. Nejrozšířenějším neuroprotetickým zařízením je kochleární implantát, který byl v roce 2006 implantován přibližně 100 000 lidí na celém světě. Existuje také několik neuroprotetických zařízení, jejichž cílem je obnovit zrak, včetně sítnicových implantátů, ačkoli tento článek pojednává pouze o implantátech přímo do mozku.
Rozdíly mezi BCI a neuroprotetikou spočívají především ve způsobu používání těchto termínů: neuroprotetika obvykle propojuje nervový systém se zařízením, zatímco termín „BCI“ obvykle propojuje mozek (nebo nervový systém) s počítačovým systémem. Praktická neuroprotetika mohou být propojena s jakoukoli částí nervového systému, například s periferními nervy, zatímco termín „BCI“ obvykle označuje užší třídu systémů, které se propojují s centrálním nervovým systémem.
Tyto termíny se někdy používají zaměnitelně, a to z dobrého důvodu. Neuroprotetika a BCI se snaží dosáhnout stejných cílů, jako je obnovení zraku, sluchu, pohybu, schopnosti komunikace a dokonce i kognitivních funkcí. Oba používají podobné experimentální metody a chirurgické techniky.
Krysy s implantovanými BCI v experimentech Theodora Bergera
Několika laboratořím se podařilo zaznamenat signály z mozkové kůry opic a potkanů, aby bylo možné ovládat BCI k provádění pohybu. Opice navigovaly počítačové kurzory na obrazovce a dávaly příkazy robotickým pažím k provádění jednoduchých úkolů pouhým přemýšlením o úkolu a bez jakéhokoli motorického výstupu. Další výzkum na kočkách dekódoval vizuální signály.
Studie, které vyvinuly algoritmy pro rekonstrukci pohybů z neuronů motorické kůry, jež řídí pohyb, se datují do 70. let 20. století. Práce skupin vedených Schmidtem, Fetzem a Bakerem v 70. letech 20. století prokázaly, že opice se mohou rychle naučit dobrovolně ovládat frekvenci střelby jednotlivých neuronů v primární motorické kůře prostřednictvím uzavřeného operantního podmiňování, což je tréninková metoda využívající tresty a odměny.
V 80. letech minulého století Apostolos Georgopoulos z Univerzity Johnse Hopkinse zjistil matematický vztah mezi elektrickou odezvou jednotlivých neuronů motorické kůry mozkové u opic makaků rhesus a směrem, kterým opice pohybovaly rukama (na základě kosinové funkce). Zjistil také, že rozptýlené skupiny neuronů v různých oblastech mozku kolektivně ovládají motorické příkazy, ale kvůli technickým omezením svého vybavení byl schopen zaznamenat vypalování neuronů pouze v jedné oblasti najednou.
Od poloviny 90. let došlo k rychlému rozvoji BCI. Několika skupinám se podařilo zachytit komplexní signály z mozkového motorického centra pomocí záznamů z neuronových souborů (skupin neuronů) a použít je k ovládání externích zařízení, včetně výzkumných skupin vedených Richardem Andersenem, Johnem Donoghuem, Phillipem Kennedym, Miguelem Nicolelisem a Andrewem Schwartzem.
Významné úspěchy výzkumu
Phillip Kennedy a jeho kolegové vytvořili první intrakortikální rozhraní mozek-počítač tím, že opicím implantovali neurotrofické kuželové elektrody.
Záznamy kočičího vidění pořízené Garrettem Stanleym pomocí BCI implantovaného do laterálního genikulárního jádra (horní řádek: původní snímek; dolní řádek: záznam)
V roce 1999 vědci pod vedením Garretta Stanleyho z Harvardovy univerzity dekódovali střelbu neuronů a reprodukovali tak obrazy, které viděly kočky. Tým použil soustavu elektrod umístěných v thalamu (který integruje všechny smyslové vjemy v mozku) bystrozrakých koček. Výzkumníci se zaměřili na 177 mozkových buněk v oblasti laterálního genikulárního jádra thalamu, které dekóduje signály ze sítnice. Kočkám bylo promítnuto osm krátkých filmů a bylo zaznamenáno vypalování jejich neuronů. Pomocí matematických filtrů výzkumníci dekódovali signály a vytvořili filmy toho, co kočky viděly, a byli schopni rekonstruovat rozpoznatelné scény a pohybující se objekty.
Miguel Nicolelis byl významným zastáncem používání více elektrod rozmístěných na větší ploše mozku k získání neuronálních signálů pro řízení BCI. Takové neuronové soubory prý snižují variabilitu výstupu produkovaného jednotlivými elektrodami, která by mohla znesnadnit ovládání BCI.
Po prvních studiích na krysách v 90. letech Nicolelis a jeho kolegové vyvinuli BCI, které dekódovaly mozkovou aktivitu sovích opic, a použili tato zařízení k reprodukci opičích pohybů v robotických pažích. Opice mají pokročilé schopnosti dosahování a uchopování a dobré manipulační schopnosti, což z nich činí ideální testovací subjekty pro tento druh práce.
V roce 2000 se skupině podařilo sestrojit BCI, který reprodukoval pohyby sovy, zatímco opice ovládala joystick nebo sahala po potravě. BCI fungoval v reálném čase a mohl také ovládat samostatného robota na dálku přes internetový protokol. Opice však neviděly pohybující se ruku a nedostávaly žádnou zpětnou vazbu – jednalo se o tzv. otevřenou smyčku BCI.
Schéma BCI vyvinutého Miguelem Nicolelisem a jeho spolupracovníky pro použití na opicích rodu Rhesus
Pozdější experimenty Nicolelisové s opicemi rhesus se podařilo uzavřít smyčku zpětné vazby a reprodukovat opičí pohyby dosahu a úchopu v robotické paži. Díky hluboce rozštěpenému a brázditému mozku jsou opice rhesus považovány za lepší model pro lidskou neurofyziologii než sovy. Opice byly vycvičeny k dosahování a uchopování objektů na obrazovce počítače manipulací s joystickem, zatímco odpovídající pohyby robotické paže byly skryté. Později byl opicím ukázán přímo robot a naučily se ho ovládat sledováním jeho pohybů. BCI používal k řízení pohybů dosahování předpovědi rychlosti a současně předpovídal sílu úchopu ruky.
Mezi další laboratoře, které vyvíjejí BCI a algoritmy pro dekódování signálů neuronů, patří John Donoghue z Brownovy univerzity, Andrew Schwartz z Pittsburské univerzity a Richard Andersen z Caltechu. Tito výzkumníci dokázali vytvořit funkční BCI, přestože zaznamenávali signály z mnohem menšího počtu neuronů než Nicolelis (15-30 neuronů oproti 50-200 neuronům).
Donoghueova skupina informovala o výcviku opic rhesus, které pomocí BCI sledovaly vizuální cíle na obrazovce počítače s pomocí joysticku nebo bez něj (uzavřená smyčka BCI). Schwartzova skupina vytvořila BCI pro trojrozměrné sledování ve virtuální realitě a také reprodukovala ovládání BCI v robotické paži. Skupina se dostala na titulní stránky novin, když prokázala, že opice se může krmit kousky cukety pomocí robotické paže poháněné signály z mozku zvířete.
Andersenova skupina použila ve svém BCI záznamy aktivity před pohybem ze zadní parietální kůry, včetně signálů, které se vytvářely, když pokusná zvířata očekávala, že dostanou odměnu.
Kromě predikce kinematických a kinetických parametrů pohybů končetin se vyvíjejí BCI, které predikují elektromyografickou nebo elektrickou aktivitu svalů. Takové BCI by mohly být použity k obnovení pohyblivosti ochrnutých končetin pomocí elektrické stimulace svalů.
Invazivní výzkum BCI se zaměřuje na opravu poškozeného zraku a poskytování nových funkcí ochrnutým lidem. Invazivní BCI se implantují přímo do šedé hmoty mozkové během neurochirurgického zákroku. Protože invazivní zařízení spočívají v šedé hmotě, produkují nejkvalitnější signály ze všech zařízení BCI, ale jsou náchylná k tvorbě jizev, což způsobuje, že signál slábne nebo se dokonce ztrácí, protože tělo reaguje na cizí objekt v mozku.
Rozhovor s Jensem Naumannem, mužem se získanou slepotou, o jeho vidění BCI v pořadu CBS The Early Show
Ve vědě o zraku se k léčbě nevrozené (získané) slepoty používají přímé mozkové implantáty. Jedním z prvních vědců, kteří přišli s funkčním mozkovým rozhraním pro obnovu zraku, byl soukromý výzkumník William Dobelle.
První Dobelleho prototyp byl implantován „Jerrymu“, muži oslepenému v dospělosti, v roce 1978. Do Jerryho zrakové kůry bylo implantováno jednopásmové BCI obsahující 68 elektrod a podařilo se mu vyvolat fosfeny, pocit vidění světla. Součástí systému byly kamery umístěné na brýlích, které vysílaly signály do implantátu. Zpočátku implantát umožňoval Jerrymu vidět odstíny šedé v omezeném zorném poli při nízké snímkové frekvenci. To také vyžadovalo, aby byl připojen k dvoutunovému hlavnímu počítači, ale zmenšující se elektronika a rychlejší počítače umožnily, že jeho umělé oko je přenosnější a nyní mu umožňuje provádět jednoduché úkoly bez pomoci.
Maketa jednotky ilustrující konstrukci rozhraní BrainGate
V roce 2002 se Jens Naumann, který byl v dospělosti rovněž slepý, stal prvním ze série 16 platících pacientů, kteří obdrželi implantát Dobelle druhé generace, což znamenalo jedno z prvních komerčních využití BCI. Zařízení druhé generace používalo sofistikovanější implantát umožňující lepší mapování fosfénů do koherentního vidění. Fosfeny jsou rozprostřeny po celém zorném poli, což vědci nazývají efektem hvězdné noci. Bezprostředně po implantaci byl Jens schopen používat své nedokonale obnovené vidění k pomalé jízdě po parkovišti výzkumného ústavu.
Cílem BCI zaměřených na motorickou neuroprotetiku je buď obnovit pohyb u ochrnutých osob, nebo jim poskytnout pomocná zařízení, jako jsou rozhraní s počítači nebo robotické paže.
Vědci z Emoryho univerzity v Atlantě pod vedením Philipa Kennedyho a Roye Bakaye jako první nainstalovali člověku mozkový implantát, který produkoval signály dostatečně kvalitní na to, aby simuloval pohyb. Jejich pacient, Johnny Ray, trpěl po mozkové mrtvici syndromem zablokovaného pohybu. Rayovi byl implantát nainstalován v roce 1998 a žil dostatečně dlouho na to, aby s implantátem začal pracovat a nakonec se naučil ovládat počítačový kurzor.
Tetraplegik Matt Nagle se v roce 2005 stal prvním člověkem, který ovládal umělou ruku pomocí BCI v rámci první devítiměsíční zkoušky čipového implantátu BrainGate společnosti Cyberkinetics Neurotechnology na člověku. Implantát BrainGate s 96 elektrodami, který byl Nagleovi implantován do pravého precentrálního gyru (oblast motorické kůry pro pohyb ruky), mu umožnil ovládat robotickou ruku pomocí myšlenek na pohyb ruky, stejně jako počítačový kurzor, světla a televizi.
Částečně invazivní zařízení BCI se implantují do lebky, ale spočívají mimo mozek, nikoli uprostřed šedé hmoty. Produkují signály s lepším rozlišením než neinvazivní BCI, kde kostní tkáň lebky signály odklání a deformuje, a mají nižší riziko tvorby jizev v mozku než plně invazivní BCI.
Elektrokortikografie (EKG) využívá stejnou technologii jako neinvazivní elektroencefalografie (viz níže), ale elektrody jsou zabudovány do tenké plastové podložky, která je umístěna nad mozkovou kůrou pod tvrdou plenou. Technologie EKG byla poprvé vyzkoušena na lidech v roce 2004 Ericem Leuthardtem a Danielem Moranem z Washingtonovy univerzity v St. V pozdějším pokusu umožnili výzkumníci dospívajícímu chlapci hrát hru Space Invaders pomocí implantátu ECoG. Tento výzkum naznačuje, že je obtížné vyrobit kinematické BCI zařízení s více než jedním rozměrem ovládání pomocí ECoG.
Zařízení BCI s reaktivním zobrazováním světla jsou stále v oblasti teorie. Ta by zahrnovala implantaci laseru do lebky. Laser by byl trénován na jeden neuron a odrazivost neuronu by byla měřena samostatným senzorem. Když neuron zapálí, vzor laserového světla a vlnové délky, které odráží, by se mírně změnily. To by výzkumníkům umožnilo sledovat jednotlivé neurony, ale vyžadovalo by to menší kontakt s tkání a snížilo by to riziko vzniku jizev.
Kromě invazivních experimentů se provádějí také experimenty na lidech, při nichž se jako rozhraní používají neinvazivní neurozobrazovací technologie. Takto zaznamenané signály byly použity k napájení svalových implantátů a obnovení částečného pohybu u experimentálního dobrovolníka. Neinvazivní implantáty se sice snadno nosí, ale jejich rozlišení signálu je špatné, protože lebka signály tlumí, rozptyluje a rozmazává elektromagnetické vlny vytvářené neurony. Vlny lze sice stále detekovat, ale je obtížnější určit oblast mozku, která je vytvořila, nebo činnost jednotlivých neuronů.
Záznamy mozkových vln pořízené elektroencefalogramem
Elektroencefalografie (EEG) je nejstudovanějším potenciálním neinvazivním rozhraním, a to především díky svému jemnému časovému rozlišení, snadnému použití, přenosnosti a nízkým nákladům na zřízení. Kromě náchylnosti této technologie k šumu je však další podstatnou překážkou pro využití EEG jako rozhraní mozek-počítač rozsáhlé školení, které je nutné, aby uživatelé mohli s touto technologií pracovat. Například Niels Birbaumer z univerzity v německém Tübingenu použil v experimentech zahájených v polovině 90. let minulého století EEG záznamy pomalého korového potenciálu k tomu, aby ochrnutí pacienti mohli omezeně ovládat počítačový kurzor. (Birbaumer již dříve vycvičil epileptiky, aby ovládnutím této nízké napěťové vlny zabránili hrozícím záchvatům.) V rámci experimentu bylo deset pacientů vycvičeno k tomu, aby ovládali své mozkové vlny a pohybovali počítačovým kurzorem. Proces byl pomalý, pacienti potřebovali více než hodinu, aby kurzorem napsali 100 znaků, přičemž trénink často trval mnoho měsíců.
Dalším parametrem výzkumu je typ měřených vln. Birbaumerův pozdější výzkum s Jonathanem Wolpawem na Newyorské státní univerzitě se zaměřil na vývoj technologie, která by uživatelům umožnila vybrat si mozkové signály, které považují za nejsnazší pro ovládání BCI, včetně mu a beta vln.
Dalším parametrem je použitý způsob zpětné vazby, který se ukazuje ve studiích signálů P300. Vzorce vln P300 se generují mimovolně (zpětná vazba podnětu), když lidé vidí něco, co poznávají, a mohou umožnit BCI dekódovat kategorie myšlenek, aniž by pacienti byli nejprve vyškoleni. Naproti tomu výše popsané metody biofeedbacku vyžadují naučit se ovládat mozkové vlny, aby bylo možné detekovat výslednou mozkovou aktivitu. V roce 2000 například výzkum Jessicy Baylissové z Rochesterské univerzity ukázal, že dobrovolníci s helmami pro virtuální realitu mohou ovládat prvky ve virtuálním světě pomocí svých údajů P300 EEG, včetně zapínání a vypínání světel a zastavování makety auta.
V roce 1999 vědci z Case Western Reserve University pod vedením Huntera Peckhama použili 64elektrodovou EEG lebku, aby vrátili omezené pohyby rukou kvadruplegikovi Jimu Jatichovi. Zatímco se Jatich soustředil na jednoduché, ale protikladné pojmy, jako je nahoru a dolů, jeho výstupní beta-rytmus EEG byl analyzován pomocí softwaru, který identifikoval vzory v šumu. Byl identifikován základní vzor, který byl použit k ovládání spínače: Nadprůměrná aktivita byla nastavena na zapnuto, podprůměrná na vypnuto. Kromě toho, že signály umožnily Jatichovi ovládat počítačový kurzor, byly také použity k řízení nervových ovladačů zabudovaných v jeho rukou, čímž se obnovil určitý pohyb.
Byly nasazeny elektronické neuronové sítě, které přesouvají fázi učení z uživatele na počítač. Experimenty vědců Fraunhoferovy společnosti z roku 2004 s využitím neuronových sítí vedly ke znatelnému zlepšení během 30 minut tréninku.
Cílem experimentů Eduarda Mirandy je využít EEG záznamů duševní aktivity spojené s hudbou k tomu, aby se postižení mohli hudebně vyjádřit prostřednictvím encefalofonu.
Magnetoencefalografie (MEG) a funkční magnetická rezonance (fMRI) byly úspěšně použity jako neinvazivní BCI. V hojně uváděném experimentu umožnila fMRI dvěma skenovaným uživatelům hrát Pong v reálném čase tím, že změnila jejich hemodynamickou odezvu nebo průtok krve mozkem pomocí technik biofeedbacku. fMRI měření hemodynamických reakcí v reálném čase bylo také použito k ovládání robotických ramen se sedmisekundovou prodlevou mezi myšlenkou a pohybem.
Komercializace a společnosti
John Donoghue a jeho kolegové výzkumníci založili společnost Cyberkinetics. Společnost, která je nyní kótovaná na americké burze a známá jako Cyberkinetic Neurotechnology Inc, prodává své elektrodové soustavy pod názvem BrainGate a za svůj hlavní cíl si stanovila vývoj praktických BCI pro lidi. BrainGate je založen na soustavě Utah Array, kterou vyvinul Dick Normann.
Philip Kennedy založil v roce 1987 společnost Neural Signals s cílem vyvinout BCI, které by ochrnutým pacientům umožnily komunikovat s okolním světem a ovládat externí zařízení. Kromě invazivního BCI prodává společnost také implantát pro obnovení řeči. Zařízení Brain Communicator BCI společnosti Neural Signals využívá skleněné kužely obsahující mikroelektrody potažené proteiny, které podporují vazbu elektrod na neurony.
Přestože bylo pomocí BCI Williama Dobelleho léčeno 16 platících pacientů, do roka po Dobelleho smrti v roce 2004 se nové implantace přestaly provádět. Společnost Avery Biomedical Devices, kterou Dobelle ovládal, a Stony Brook University pokračují ve vývoji implantátu, který zatím nebyl schválen FDA pro implantaci lidem.
Vědci také sestrojili zařízení pro propojení s nervovými buňkami a celými nervovými sítěmi v kulturách mimo zvířata. Kromě dalšího výzkumu zařízení implantovatelných zvířatům se experimenty na kultivované nervové tkáni zaměřily na budování sítí pro řešení problémů, konstrukci základních počítačů a manipulaci s robotickými zařízeními. Výzkum technik stimulace a záznamu z jednotlivých neuronů pěstovaných na polovodičových čipech se někdy označuje jako neuroelektronika nebo neuročipy.
První na světě: Neuročip vyvinutý výzkumníky z Caltechu Jeromem Pinem a Michaelem Maherem
Vývoj prvního funkčního neuročipu ohlásil tým Caltechu pod vedením Jeroma Pinea a Michaela Mahera v roce 1997. Čip z Caltechu měl místo pro 16 neuronů.
V roce 2003 zahájil tým vedený Theodorem Bergerem na University of Southern California práci na neuročipu, který měl fungovat jako umělý hipokampus. Neuročip byl navržen tak, aby fungoval v mozku potkana, a má sloužit jako prototyp pro případný vývoj protéz pro vyšší mozkové orgány. Hipokampus byl vybrán proto, že je považován za nejuspořádanější a nejstrukturovanější část mozku a je nejlépe prozkoumanou oblastí. Jeho funkcí je kódovat zážitky, které se ukládají jako dlouhodobé vzpomínky v jiných částech mozku.
Thomas DeMarse z Floridské univerzity použil kulturu 25 000 neuronů odebraných z mozku potkana k řízení simulátoru stíhacího letounu F-22. Po odběru byly korové neurony kultivovány v Petriho misce a rychle se začaly znovu spojovat, aby vytvořily živou neuronovou síť. Buňky byly uspořádány na mřížce 60 elektrod a použity k ovládání funkcí náklonu a vychýlení simulátoru. Studie se zaměřila na pochopení toho, jak lidský mozek provádí a učí se výpočetní úlohy na buněčné úrovni.
Diskuse o etických důsledcích BCI byla poměrně tichá. Důvodem může být skutečnost, že tento výzkum je velkým příslibem v boji proti zdravotnímu postižení a výzkumníci v oblasti BCI zatím nepřitáhli pozornost skupin bojujících za práva zvířat. Důvodem může být i to, že BCI se používají spíše k získávání signálů pro ovládání zařízení než naopak, ačkoli výzkum zraku je v tomto ohledu výjimkou.
Tato etická debata se bude pravděpodobně zintenzivňovat s tím, jak budou BCI stále technologicky dokonalejší a bude zřejmé, že je lze používat nejen terapeuticky, ale i ke zlepšení lidských funkcí. Dnešní mozkové kardiostimulátory, které se již používají k léčbě neurologických onemocnění, jako je deprese, by se mohly stát typem BCI a mohly by být použity k modifikaci dalších chování. Neuročipy by se také mohly dále rozvíjet, například umělý hipokampus, což vyvolává otázky, co vlastně znamená být člověkem.
Některé etické otázky, které by za těchto okolností BCI vyvolaly, jsou již diskutovány v souvislosti s mozkovými implantáty a širší oblastí ovládání mysli.
Perspektiva BCI a mozkových implantátů všeho druhu je důležitým tématem science fiction. Přehled této literatury naleznete v části Mozkové implantáty ve fikci a filozofii.
(seznam univerzit viz Neural Engineering – Neural Engineering Labs)