Jeśli „interfejs mózg-komputer” (brain-computer interface, czyli BCI) kojarzy wam się z najnowszą technologią i Elonem Muskiem, to niesłusznie. Naukowcy tworzą i doskonalą takie urządzenia od wielu lat.  

Do ich działania konieczne jest jednak wszczepianie elektrod do mózgu, czyli operacja neurochirurgiczna, która niesie za sobą ryzyko. Ze względów etycznych przeprowadza się je więc u niektórych chorych, np. cierpiących na epilepsję. Jeśli nie pomagają leki, za pomocą elektrycznych impulsów można wtedy zahamować atak choroby.

Pierwszy „interfejs” wszczepiono choremu w 1977 roku, by przywrócić mu słuch. Od tego czasu implanty z elektrodami wszczepionymi do mózgu stosuje się do przywracania słuchu, wzroku, łagodzenia objawów choroby Parkinsona, czy silnych bólów, których nie da się inaczej uśmierzyć. Implanty wszczepione do mózgu osób sparaliżowanych pozwalają im też kontrolować ruchy protez rąk lub nóg.

Czy komputer może czytać w myślach

Część sparaliżowanych osób może komunikować się z otoczeniem za pomocą czujników analizujących ruchy oczu, gdy spogląda się na tablicę z listą słów. Nie jest to szybki i łatwy sposób. Prędkość komunikacji w tym przypadku nie przekracza zwykle kilku liter na minutę.

W 2017 roku udało się za pomocą interfejsu mózg-komputer umożliwić sparaliżowanym pisanie. Implanty umieszczone w korze ruchowej mózgu pozwoliły na przetwarzanie wyobrażeń o poruszaniu różnymi częściami ciała na ruch kursora na ekranie, z którego (podobnie jak za pomocą ruchów oka) wybiera się litery. Pisanie w ten sposób odbywało się już w tempie przeciętnie 25 znaków na minutę.

Interfejs mózg-komputer odczytuje myśli

W 2020 roku zespół dr. Josepha Makina z University of California w San Francisco (UCSF) badał cztery kobiety, którym wcześniej wszczepiono elektrody mające kontrolować napady epileptyczne. Każdą z nich poproszono o przeczytanie kilku zdań.

Za każdym razem, gdy wypowiadamy zdanie, aktywność naszego mózgu jest podobna, ale nie identyczna. Rejestrowanie sygnałów elektrycznych i prosta zamiana na tekst jest więc niemożliwa.

Z wychwytywaniem wzorców i podobieństw doskonale radzą sobie algorytmy uczenia maszynowego. W tym przypadku sieci neuronowe poprawnie rozpoznawały zdania i myliły się średnio w trzech przypadkach na sto. Były to jednak badania prowadzone niejako „przy okazji”, bo na chorych cierpiących na epilepsję.

Po raz pierwszy zastosowano interfejs mózg-komputer do czytania w myślach u osoby sparaliżowanej

Teraz, jak donosi prestiżowy tygodnik naukowy „Science”, po raz pierwszy wykazano, że taki interfejs może „czytać myśli” i pozwolić na sprawną komunikację ze światem osobie sparaliżowanej (i nie cierpiącej na inne schorzenie), której implanty wszczepiono tylko w tym konkretnym celu.

Do udziału w badaniach wytypowano osobę, która wcześniej z powodu udaru mózgu straciła zdolność poruszania mięśniami, także odpowiedzialnymi za mowę. Pacjent komunikował się za pomocą ruchów głowy, co pozwalało wybrać mu pięć słów na minutę.

Neurochirurg Edward Chang z University of California w San Francisco, postanowił wykorzystać tę samą metodę, co zespół dr. Makina – implanty wszczepione w korę ruchową odpowiedzialną za mowę. Sieć neuronową zaś wyuczono, jak przekładać sygnały odczytane z mózgu na konkretne pozycje ze zbioru 50 najpotrzebniejszych słów.

Algorytm mylił się w około 25 procentach przypadków, piszą badacze w pracy opublikowanej na łamach „The New England Journal of Medicine”. To przełomowe osiągnięcie – gdyby wybierał słowa losowo, myliłby się w 92 procentach przypadków.

Badany z pomocą interfejsu mózg-komputer mógł komunikować się w tempie 18 słów na minutę. To sześcio-siedmiokrotnie wolniej niż wynosi normalne tempo mowy (około 120 słów na minutę), ale prawie czterokrotnie szybciej, niż było to możliwe za pomocą ruchów głowy.

Badaczy szczególnie cieszy to, że eksperyment się udał dekadę po tym, jak pacjent stracił mowę w wyniku wylewu. Mózg bowiem bezustannie się przebudowuje i nie było jasne, czy po takim czasie część kory ruchowej odpowiedzialnej za mowę będzie jeszcze aktywna elektrycznie.

Chang dodaje, że interfejs jest na razie eksperymentalny, a system nie nadaje się do powszechnego użytku. Przede wszystkim trzeba usunąć przeszkodę w postaci kabli, czyli zbudować bezprzewodową wersję interfejsu. Potem trzeba zminiaturyzować urządzenie, żeby uniezależnić sparaliżowanego od systemu, który obecnie ma wielkość lodówki turystycznej.

Czy można będzie kiedyś czytać w myślach?

Trudno jednak będzie naukowcom stworzyć system rozpoznający znacząco większą liczbę słów niż 50. Im więcej słów, tym liczba relacji między nimi większa. Przeciętny człowiek na co dzień wykorzystuje przeciętnie od tysiąca do trzech tysięcy słów.

Stworzenie tak sieci neuronowej, która rozpoznawałaby je wszystkie jest technicznie możliwe. Wymagałoby jednak wytrenowania jej na niezwykle dużej liczbie przykładów. Takie dane są nieosiągalne, nie ma bowiem aż tylu pacjentów ze wszczepionymi elektrodami.

Jednak nawet bardzo ograniczony zasób słów może pozwolić osobom sparaliżowanym na komunikowanie się ze światem. „To jeszcze nie ten moment, ale sądzimy, że to mogłoby stać się podstawą protezy mowy” – mówi Makin brytyjskiemu „Guardianowi”.

Nasze myśli można podsłuchać także bez implantów

Jeśli jednak mamy zwyczaj mówić do siebie w myślach, bez problemu będzie można nas podsłuchać już dziś. O ile damy sobie założyć odpowiednie urządzenie.

W 2018 roku powstało w laboratoriach Massachussets Institute of Technology skrzyżowanie słuchawki z mikrofonem, przylegające jednak ciaśniej do twarzy. Cztery wbudowane elektrody zbierały impulsy elektryczne, wysyłane przez nerwy do mięśni odpowiedzialnych za mowę, gdy powiemy coś do siebie w myślach. Choć mięśnie się wówczas nie poruszają, z impulsów można odczytać, jakie słowa chcemy wypowiedzieć.

Urządzenie impulsy zbierało, analizowało i rozpoznawało słowa. Nie było doskonałe, rozpoznawało nieco ponad 90 proc. wypowiedzianych słów z uprzednio zdefiniowanej listy kilkuset. Ale to wystarczało, by wysłać zapytanie do wyszukiwarki Google czy sterować urządzeniami elektronicznymi.

Nie jest więc wykluczone, że nie powstanie kiedyś urządzenie na tyle czułe, by móc „czytać w myślach”. Pod warunkiem, że będziemy je do siebie bezgłośnie wypowiadać.

Źródła: Science, New England Journal of Medicine.