Od kiedy odkryto aktywność elektryczną mózgu człowieka i zapoczątkowano rozwój elektroencefalografii w 1924 r., człowiek stara się wykorzystać impulsy z mózgu to sterowania urządzeniami mechanicznymi. Coraz częściej wykorzystuje się je w rehabilitacji osób z niepełnosprawnością.
Zbudowana na Uniwersytecie Technologicznym Chalmers w USA neuroproteza ręki to pierwsza tego typu „sterowana myślami” konstrukcja, która jest na stałe łączona z kośćmi pacjenta. Dzięki tej integracji proteza pozwala na lepszą ruchliwość ręki oraz daje naturalne wrażenie, że proteza jest częścią ciała. Prowadzi do poprawienia jakości życia pacjentów po amputacji.
W nowych projektach wykorzystuje się doświadczenia wielu lat prac nad tzw. Brain- Computer Interface (BCI), czyli urządzeniami pozwalającymi na komunikację za pomocą myśli, poprzez odczyt fal mózgowych, bez pośrednictwa mięśni. Technika BCI wykorzystuje odczytywanie za pomocą elektroencefalografu (EEG) zapisu aktywności bioelektrycznej mózgu. Dzięki EEG można np. rozpoznać, które z grupy neuronów w danym momencie intensywniej pracują. Naukowcy rozpoznają wzory sygnałów elektrycznych w mózgu, które pojawiają się w określonych sytuacjach. Pacjent uczy się świadomego wytwarzania tych wzorów, aby przy pomocy myśli wprawić przedmiot w ruch. Metoda ta jest nieinwazyjna.
Człowiek jest w stanie sterować ruchami protezy, kontrolując i odpowiednio modulując fale mózgowe, które następnie odczytywane są przez system przekładający te sygnały na polecenia dla protezy. Okazuje się, że aktywności mózgu są bardzo zbliżone do siebie podczas wykonywania ruchu i podczaj jego wyobrażania. Dzięki temu użytkownik nie musi wykonywać ruchu, a wystarczy, że go sobie wyobraża.
Ponadto zróżnicowana jest lokalizacja obszarów aktywności mózgu stosownie do wybranych części ciała. Daje to możliwość odpowiedniego zaklasyfikowania intencji użytkownika, np. wyobrażenie ruchu prawą ręką powoduje skręt wózka inwalidzkiego w prawą stronę, lewą ręką – w lewą stronę, a prawą stopą – ruch do przodu.
Ważnym problemem do przezwyciężenia w działaniu interfejsów BCI sterujących protezami czy egzoszkieletami są opóźnienia w przetwarzaniu sygnału EEG. Powinny one być wykonywane w czasie rzeczywistym, opóźnienia tych mechanizmów to opóźnienia ruchu.
Inaczej proces przebiega w protezach bionicznych, odbierających sygnały z nerwów, jakie zachowały się w kikucie ręki lub nogi, do której przytwierdzono protezę.
Naturalna ludzka ręka jest kontrolowana dzięki „nerwowym” rozkazom kierowanym z centralnego do peryferyjnego systemu nerwowego, np. ręki. Równocześnie przenoszone są informacje dotyczące pozycji palców, siły uścisku czy ślizgania się przedmiotów, przekazywane z naturalnych sensorów np. mięśnia do centralnego systemu nerwowego poprzez pobudzanie dośrodkowych peryferyjnych nerwów.
W przypadku osoby sparaliżowanej, u której nie ma żadnych sygnałów nerwowych przekazuje się sygnały do komputera.
Dla takich pacjentów, niemieccy uczeni z Uniwersytetu w Tybindze stworzyli mentalne połączenie z komputerem. Aby przesunąć kursor na ekranie monitora, pacjent musi jedynie odpowiednio kontrolować swoje myśli. Elektrody przyczepione do głowy osoby siedzącej przed komputerem odczytują elektryczne impulsy w korze mózgowej.
Zależnie od wyników odczytu kursor na monitorze przesuwa się w górę albo w dół. W trakcie odpowiedniego treningu chory uczy się kierować swoimi falami mózgowymi. Naukowcy opracowali specjalny edytor tekstu, dzięki któremu po kilku tygodniach treningu można już w miarę swobodnie przekazywać swoje opinie, pytania czy prośby.
Z kolei amerykańscy uczeni z Emory University School of Medicine w Atlancie wybrali bardziej inwazyjne rozwiązanie. Zdecydowali się wszczepić dwóm ochotnikom elektrody bezpośrednio do mózgu. Pobudzane w trakcie myślenia komórki nerwowe emitują sygnał elektryczny, przekazywany do zewnętrznego odbiornika. Pacjent musi sobie wyobrażać ruch różnymi częściami ciała. Po niedługim treningu potrafi przesunąć kursor w wybrane miejsce ekranu.
Jeśli jednak mówimy o wykorzystaniu EEG jako interfejsu mózg-maszyna, to trzeba pamiętać, że wymaga to od uczestników eksperymentów intensywnego i długotrwałego szkolenia. Wyuczenie odpowiednich poziomów skupienia, które pobudzą elektrody, wymaga dużo pracy i czasu. A zatem sterowanie umysłem to nie tylko wyzwanie techniczne. Sporo pracy i wysiłku wymaga to również od człowieka.
Oprac. tuk/, fot. pixabay.com
Data publikacji: 07.05.2020 r.
