Νέα γενιά διεπαφών εγκεφάλου - μηχανής αντιλαμβάνεται τις ανθρώπινες προθέσεις

Scientific American

Εδώ και 15 χρόνια οι νευροεπιστήμονες κατασκευάζουν διεπαφές εγκεφάλου - μηχανής (ΔΕΜ), που επιτρέπουν στα νευρικά σήματα να κινήσουν δρομείς στην οθόνη υπολογιστών ή να λειτουργήσουν προσθετικά μέλη. Η τεχνολογία αυτή προχωρά αργά, επειδή η μετάφραση της ηλεκτρικής πυροδότησης των νευρώνων σε εντολές για την κίνηση ενός ρομποτικού βραχίονα είναι πολύ περίπλοκη διαδικασία.
Μια ερευνητική ομάδα στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια (Caltech) προσπαθεί να δώσει νέα ώθηση στο πεδίο της νευροπροσθετικής, αξιοποιώντας νευρική επεξεργασία υψηλότερου επιπέδου, δηλαδή την πρόθεση για πραγματοποίηση μιας πράξης και στη συνέχεια τη μετάδοση των κατάλληλων ηλεκτρικών σημάτων στον ρομποτικό βραχίονα. Αντί να στέλνουν σήματα από τον κινητικό φλοιό, όπως έχουν δοκιμάσει άλλα εργαστήρια, οι επιστήμονες του Caltech τοποθετούν ηλεκτρόδια στον Οπίσθιο Βρεγματικό Φλοιό (ΟΒΦ), τα οποία μεταδίδουν στο προσθετικό άκρο την πρόθεση του εγκεφάλου να δράσει.

Εγγραφή και ανάγνωση

Η αποκωδικοποίηση των νευρικών σημάτων παραμένει πρόκληση για τους νευροεπιστήμονες, αλλά η αξιοποίηση των σημάτων του ΟΒΦ, που βρίσκεται στην κορυφή της αλυσίδας εντολών, εκεί που σχηματίζεται η πρόθεση π.χ. να πιάσουμε ένα ποτήρι ή να κάνουμε ένα βήμα, φαίνεται να έχει ως αποτέλεσμα τον ταχύτερο, πιο ευέλικτο έλεγχο της προσθετικής τεχνολογίας. Κινούμε τα μέλη του σώματός μας κάθε μέρα χωρίς πολλή νοητική προσπάθεια και γι' αυτό η πραγματοποίηση αυτών των κινήσεων με ευκολία είναι ο στόχος κάθε φιλόδοξου ΔΕΜ. Η όχι ιδιαίτερα αποδοτική προσπάθεια αποκωδικοποίησης των νευρικών σημάτων που εκκινούν σωματικές κινήσεις ήταν εκείνη που επέβαλε να βρεθούν νέοι τρόποι, για να αντλήσουμε πληροφορίες από την κακοφωνία ηλεκτρικής δραστηριότητας μεταξύ των 86 δισεκατομμυρίων νευρώνων του εγκεφάλου.

Ο καθηγητής Ρ. Αντερσεν του Caltech μαζί με τον τετραπληγικό Ερικ Σόρτο, που ενεργοποιώντας με το μυαλό του ρομποτικό βραχίονα μπόρεσε να πιει μόνος του νερό από το ποτήρι

Μια διεπαφή εγκεφάλου - μηχανής λειτουργεί στέλνοντας και λαμβάνοντας («εγγράφοντας» και «διαβάζοντας») μηνύματα προς και από τον εγκέφαλο. Υπάρχουν δύο βασικές κατηγορίες τεχνολογιών διεπαφής. Η ΔΕΜ «εγγραφής» χρησιμοποιεί ηλεκτρικά ερεθίσματα, για να μεταδώσει σήματα στους νευρικούς ιστούς. Ηδη υπάρχουν αρκετές επιτυχημένες κλινικές εφαρμογές αυτής της τεχνολογίας, όπως η προσθετική κοχλία που ερεθίζει το ακουστικό νεύρο, επιτρέποντας στους κωφούς να ακούν ήχους. Ο βαθύς ερεθισμός του εγκεφάλου χρησιμοποιείται για διαταραχές όπως η νόσος Πάρκινσον, ενώ συσκευές που ερεθίζουν τον αμφιβληστροειδή βρίσκονται υπό δοκιμή για να ανακουφίσουν από ορισμένες μορφές τύφλωσης.
Αντίθετα, οι ΔΕΜ «ανάγνωσης», που καταγράφουν τη νευρική δραστηριότητα, είναι ακόμη στο επίπεδο ανάπτυξης. Οι ιδιαίτερες προκλήσεις, που παρουσιάζει η ανάγνωση νευρικών σημάτων, πρέπει να αντιμετωπιστούν πριν αυτή η επόμενης γενιάς τεχνολογία φτάσει στους ασθενείς. Χοντρικές εκδοχές ΔΕΜ «ανάγνωσης» υπάρχουν εδώ και δεκαετίες, όπως είναι το ηλεκτροεγκεφαλογράφημα, που καταγράφει τη μέση δραστηριότητα σε περιοχές του εγκεφάλου διαστάσεων εκατοστών, οι οποίες περιλαμβάνουν πολλά εκατομμύρια νευρώνες, αντί μεμονωμένους νευρώνες ενός συγκεκριμένου νευρωνικού δικτύου. Η λειτουργική μαγνητική τομογραφία (fMRI) είναι επίσης μια έμμεση μέτρηση της ροής αίματος, που εντοπίζει τις περιοχές έντονης δραστηριότητας στον εγκέφαλο, αλλά η διακριτική ανάλυσή της είναι χαμηλή και οι μεταβολές στη ροή του αίματος αργές, με αποτέλεσμα η τεχνική αυτή να μην μπορεί να διακρίνει γρήγορες αλλαγές στην εγκεφαλική δραστηριότητα.

Συστοιχίες

Για να αντιμετωπιστούν αυτά τα μειονεκτήματα, ιδανικά θα ήθελε κανείς να μπορεί να καταγράψει τη δραστηριότητα μεμονωμένων νευρώνων. Τα τελευταία χρόνια, συστοιχίες μικροηλεκτροδίων που εισάγονται χειρουργικά στα κατάλληλα σημεία του εγκεφάλου κάνουν δυνατή μια τέτοια καταγραφή. Οι συστοιχίες που χρησιμοποιούνται σήμερα έχουν διαστάσεις 4 επί 4 χιλιοστά του μέτρου και περιέχουν 100 ηλεκτρόδια, καθένα από τα οποία έχει μήκος 1 έως 1,5 χιλιοστά. Ολόκληρη η συστοιχία, που μοιάζει με μικροσκοπικό κρεβάτι από καρφιά, μπορεί να καταγράψει τη δραστηριότητα 100 έως 200 νευρώνων. Τα σήματα από αυτά τα ηλεκτρόδια οδηγούνται σε αποκωδικοποιητές, που χρησιμοποιούν μαθηματικούς αλγορίθμους για να μεταφράζουν διάφορα μοτίβα δραστηριότητας μεμονωμένων νευρώνων, σε σήματα που εκκινούν μια συγκεκριμένη κίνηση, όπως ο έλεγχος ενός ρομποτικού βραχίονα, ή ενός υπολογιστή. Αυτές οι ΔΕΜ θα βοηθήσουν ασθενείς που έχουν τραυματισμό ψηλά στον νωτιαίο μυελό, έχουν πάθει σοβαρό εγκεφαλικό, ή έχουν ορισμένα είδη σκλήρυνσης και μυικής δυστροφίας.

Η ερευνητική ομάδα του Caltech επικεντρώνεται σε τετραπληγικούς και χρησιμοποιεί ΔΕΜ ανάγνωσης της δραστηριότητας του εγκεφαλικού φλοιού, δηλαδή των ανώτερων 3 χιλιοστών της επιφάνειας του εγκεφάλου, που αν απλωνόταν σε επίπεδο θα είχε εμβαδό 80.000 τετραγωνικών χιλιοστών. Μια ΔΕΜ μπορεί να αλληλεπιδράσει με διάφορες περιοχές του φλοιού, που εξειδικεύονται σε συγκεκριμένες λειτουργίες. Μια τέτοια περιοχή είναι ο Οπίσθιος Βρεγματικός Φλοιός (ΟΒΦ), όπου σχηματίζονται τα νοητικά σχέδια σωματικών κινήσεων. Μια υποπεριοχή του ΟΒΦ, ο πλευρικός ενδοπαριακός φλοιός, σχετίζεται με την πρόθεση κίνησης των ματιών, ενώ μια άλλη, ο εμπρόσθιος ενδοπαριακός φλοιός, προετοιμάζει τις κινήσεις που χρειάζονται για να πιάσουμε κάτι.

Πλεονεκτήματα

Ο ΟΒΦ παρουσιάζει πολλά πλεονεκτήματα για τον έλεγχο ρομποτικών προσθετικών μελών και υπολογιστών. Ελέγχει και τα δύο χέρια, ενώ ο κινητικός φλοιός κάθε ημισφαιρίου ελέγχει το χέρι της άλλης πλευράς του σώματος. Ακόμα, ο ΟΒΦ αποκαλύπτει τον στόχο μιας κίνησης. Οταν σε ένα πρωτεύον θηλαστικό - πειραματόζωο επιδειχθεί κάτι ενδιαφέρον, αυτή η περιοχή του εγκεφάλου «ανάβει», σηματοδοτώντας τη θέση του επιθυμητού αντικειμένου. Αντίθετα, ο κινητικός φλοιός στέλνει σήματα μόνο για τη διαδρομή που θα πρέπει να ακολουθήσει η κίνηση για να φτάσει με το χέρι του το αντικείμενο. Γνωρίζοντας το σκοπό μιας επιθυμητής κίνησης, η ΔΕΜ μπορεί να την αποκωδικοποιήσει γρήγορα, μέσα σε ένα - δυο δέκατα του δευτερολέπτου, όταν ο υπολογισμός του σήματος τροχιάς από τον κινητικό φλοιό απαιτεί περισσότερο από ένα δευτερόλεπτο.
Μια ΔΕΜ πρέπει να κάνει περισσότερα από το να λαμβάνει και να επεξεργάζεται εγκεφαλικά σήματα. Πρέπει επίσης να στέλνει πληροφορίες ανατροφοδότησης από το προσθετικό μέλος προς τον εγκέφαλο. Οταν απλώνουμε το χέρι για να πιάσουμε κάτι, η οπτική ανατροφοδότηση από τα μάτια βοηθά στην ακριβή κατεύθυνση του χεριού προς το στόχο. Η τοποθέτηση του χεριού εξαρτάται από το σχήμα του αντικειμένου που θέλουμε να πιάσουμε. Αν το χέρι δεν λάβει απτικές πληροφορίες και σήματα για τη θέση του χεριού αφού το πιάσει, τότε ο έλεγχος χάνεται γρήγορα. Γι' αυτό η ιδανική ΔΕΜ πρέπει πέρα από το να στέλνει τις προθέσεις του ατόμου στο ρομποτικό μέλος, να επιστρέφει στον εγκέφαλο και πληροφορίες αφής και θέσης στο χώρο, που προέρχονται από το ρομποτικό μέλος. Ερευνητές του πανεπιστημίου του Πίτσμπουργκ πέτυχαν κάτι τέτοιο, εισάγοντας μικροηλεκτρόδια στο σωματοαισθητηριακό φλοιό ενός τετραπληγικού, ο οποίος ένιωσε να έχει αίσθηση τμημάτων της επιφάνειας του χεριού του.
Για τον επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας του Caltech, Ρίτσαρντ Αντερσεν, ανεκτίμητη είναι η αίσθηση πληρότητας που έχει ο επιστήμονας όταν μοιράζεται μαζί με τετραπληγικούς ασθενείς τη χαρά τους, που μπόρεσαν με το μυαλό τους να κινήσουν ένα ρομποτικό άκρο, για να αλληλεπιδράσουν ενεργά μετά από καιρό με τον φυσικό κόσμο γύρω τους. Αυτά τα εκπληκτικά επιτεύγματα της επιστημονικοτεχνικής προόδου θα έπρεπε να ήταν προσιτά σε όλους τους ανθρώπους, που τα έχουν ανάγκη. Ανεξάρτητα από το μέγεθος του πορτοφολιού τους.

Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»