Piekło zamknięcia i technologie

Technologie przyszÅ‚oÅ›ci sÄ… wÅ›ród nas — wcale nie ukrywane, tylko nierozumiane. Na przykÅ‚ad interfejsy mózg-komputer: teorie spiskowe wiążą je z bezpoÅ›rednim odczytem myÅ›li, z kolei sprzedawane pod tym hasÅ‚em zabawki zwykle nie majÄ… z mózgiem prawie nic wspólnego. A prawda leży poÅ›rodku, tylko czasami trudno do niej dotrzeć. Pisarz Arthur A. Clarke twierdzi wrÄ™cz, że wystarczajÄ…co zaawansowanej technologii nie da siÄ™ odróżnić od magii. Ale Richard Feynman (a wczeÅ›niej Albert Einstein) powtarzaÅ‚, że jeżeli czegoÅ› nie potrafisz wytÅ‚umaczyć w prosty sposób to znaczy, że tak naprawdÄ™ sam tego nie rozumiesz. Ja jestem fizykiem, wiÄ™c poniższy esej wytÅ‚umaczy tajemnice jasno i zrozumiale, bez odwoÅ‚ywania siÄ™ do magii.

Zacznijmy od definicji: interfejs mózg-komputer (ang. brain-computer interface, BCI) to system oferujący bezpośrednie sterowanie urządzeniem zewnętrznym za pomocą samego mózgu, bez pośrednictwa mięśni. Tym urządzeniem jest komputer, który może już dalej bez trudu sterować dowolną maszyną.

Gdy przestajÄ… dziaÅ‚ać mięśnie, wyÅ‚Ä…czajÄ… siÄ™ wszystkie normalne kanaÅ‚y komunikacji: myszka, klawiatura, mowa, gesty, mruganie… W skrajnym przypadku stanu caÅ‚kowitego zamkniÄ™cia, do którego prowadzÄ… choroby neurodegeneracyjne, sygnaÅ‚y sterujÄ…ce trzeba odczytać bezpoÅ›rednio z mózgu. Przypomnijmy najpierw, co wiemy a czego nie wiemy o jego dziaÅ‚aniu.

Wiemy, że mózg skÅ‚ada siÄ™ z niecaÅ‚ych stu miliardów komórek zwanych neuronami. Pobudzenie elektryczne jednego neuronu propaguje siÄ™ przez synapsy do dziesiÄ…tków tysiÄ™cy bliższych lub dalszych sÄ…siadów. JeÅ›li do neuronu dotrze tÄ… drogÄ… wystarczajÄ…co dużo pobudzeÅ„, wygeneruje on potencjaÅ‚, który też propaguje siÄ™ przez dziesiÄ…tki tysiÄ™cy synaps… i tak dalej. Znamy i rozumiemy równania opisujÄ…ce propagacjÄ™ tych potencjałów w pojedynczym neuronie, depolaryzacjÄ™ bÅ‚ony itp. Od strony technicznej wiemy prawie wszystko.

Nie wiemy, jak w tym kÅ‚Ä™bku wzajemnie pobudzajÄ…cych siÄ™ komórek rodzÄ… siÄ™ Å›wiadomość i uczucia — ba, nawet sterowanie ruchem ludzkiej rÄ™ki jest dla nas wciąż niedoÅ›cignionym wzorem i tajemnicÄ….

Potrafimy mierzyć potencjaÅ‚y neuronów wewnÄ…trz mózgu — ale wymaga to wtyczki podobnej do tej z filmu „Matrix”, wiÄ™c wygodniej mierzyć Å›rednie potencjaÅ‚y docierajÄ…ce do powierzchni gÅ‚owy. I to jest wÅ‚aÅ›nie elektroencefalogram, czyli EEG. Od ponad 80 lat badamy EEG aby dowiedzieć siÄ™ czegoÅ› o funkcjonowaniu mózgu, ale postÄ™p jest powolny. Dlaczego?

Spróbujmy sobie wyobrazić podobne do EEG badanie, w którym pacjentem bÄ™dzie komputer. Zmierzymy Å›rednie pole elektryczne wokół centralnej jednostki komputera — na szczęście procesor, podobnie jak mózg, też dziaÅ‚a „na prÄ…d”. Co zobaczymy w takim sygnale? Na pewno bÄ™dzie widać, kiedy komputer jest wyÅ‚Ä…czony. Podobnie w EEG — zÅ‚oÅ›liwi twierdzÄ…, że najlepiej nadaje siÄ™ do diagnozy Å›mierci klinicznej. JeÅ›li już jest wÅ‚Ä…czony, to im intensywniej dziaÅ‚a tym mierzone pole bÄ™dzie silniejsze. Ale czy akurat oglÄ…damy film, czy wykonujemy obliczenia naukowe — trudno powiedzieć. Chyba, że potencjaÅ‚y pojawiajÄ… siÄ™ głównie w okolicy koprocesora, odpowiedzialnego za obliczenia zmiennoprzecinkowe. Ale co konkretnie jest liczone? Znów trudno powiedzieć. Chyba, że zaobserwujemy jakieÅ› charakterystyczne dla danego rodzaju obliczeÅ„ cykle… Podobnie w EEG poruszamy siÄ™ trochÄ™ na Å›lepo. Przez 80 lat udaÅ‚o nam siÄ™ skojarzyć pewne typy cyklicznej aktywnoÅ›ci ze stadiami snu czy napadami epileptycznymi, ale, podobnie jak z „badania” pola elektrycznego wokół procesora, nie odczytamy dokÅ‚adnie co robi komputer, tak z EEG nie odczytamy myÅ›li.

W takim razie, jak można sterować komputerem za pomocą myśli? Jest kilka pomysłów. Przez 80 lat przyglądania się EEG zauważyliśmy kilka prostych zjawisk, związanych z reakcją mózgu na różne bodźce. Na przykład widoczne w zapisie EEG potencjały wywołane zależą od tego, jak bardzo konkretny bodziec przykuwa naszą uwagę. Pokazane w serii fotografii zdjęcie miejsca zbrodni może wywołać silniejszy potencjał u mordercy który zeznaje, że nigdy tego miejsca nie widział. Ten potencjał, zwany P300 (występuje ok. 300 milisekund po bodźcu) może też posłużyć do stworzenia interfejsu mózg-komputer: jeśli migać będą kolejne literki, a my będziemy koncentrować uwagę tylko na „D”, ignorując pozostałe, to komputer powinien odczytać silniejszy potencjał P300 w momentach, gdy miga „D”. Czyli możemy pisać, tylko za pomocą myśli. Nie jest to takie proste, bo w mózgu naraz dzieje się mnóstwo innych rzeczy i potencjały giną w “szumie” niezwiązanych z bodźcem myśli, więc dla pewności każda literka miga zwykle kilka razy. Również ciągłe koncentrowanie uwagi na wybranych bodźcach nie jest wbrew pozorom łatwe, pomaga na przykład liczenie mignięć.

Tak właśnie działają współczesne interfejsy mózg-komputer. Poza P300 wykorzystywane są jeszcze inne potencjały, na przykład w niektórych systemach próbujemy na podstawie EEG odróżnić wyobrażenia ruchu lewą i prawą ręką. W każdym razie nie jest to odczyt myśli, tylko świadomie generowanych intencji. Największy problem, z którym nie bardzo potrafimy sobie poradzić polega na tym, że EEG jest elektrycznym śladem nie tylko wybranych myśli, ale wszystkich zachodzących w danej chwili w mózgu procesów, i poza wspomnianymi powyżej nie ma wielu pomysłów na to, jak odseparować odpowiadające im sygnały.

Jest też mniejszy problem, z którym potrafimy sobie poradzić, ale nie zawsze chcemy. Podobnie jak różne procesy zachodzące wewnątrz mózgu, do EEG dodają się też potencjały spoza mózgu. Wszystkie nasze mięśnie, podobnie jak mózg, też działają „na prąd”, i prąd ten jest niestety bez porównania silniejszy niż to, co do powierzchni głowy dociera z mózgu. Dlatego właśnie przy badaniu EEG elektrody umieszcza się we włosach (bo tam jest najmniej mięśni), należy się rozluźnić czyli zmniejszyć napięcie mięśni i nie mrugać, bo ruch gałki ocznej też generuje prąd.

Chyba, że wÅ‚aÅ›nie sygnaÅ‚y z mięśni i oczu chcemy wykorzystać do sterowania, tak jak w grze „mindball” prezentowanej w warszawskim Centrum Nauki Kopernik: w elektrodach umieszczonych na czole Å›lady EEG sÄ… zdominowane przez potencjaÅ‚y pochodzÄ…ce od mięśni czoÅ‚a i ruchów gaÅ‚ki ocznej. SÄ… one bez porównania silniejsze niż to, co dociera do tych elektrod z mózgu, i bardzo Å‚atwe do odczytu: sygnaÅ‚ pojawia siÄ™ tylko wtedy, gdy miÄ™sieÅ„ pracuje, a oko siÄ™ porusza — wystarczy tym zdarzeniom przypisać komendy. Mózg „niestety” dziaÅ‚a bez przerwy.

Jak widać, znacznie łatwiej sterować za pomocą sygnałów odczytywanych z mięśni, i nie ma w tym nic złego, jeśli produktu nie próbujemy sprzedawać jako interfejsu mózg-komputer. Jeśli przyjąć, że dopuszczamy w tej dziedzinie pośrednictwo mięśni, należałoby do niej włączyć na przykład klawiaturę: komentarze na forach internetowych wpisywane są za jej pośrednictwem z użyciem mieśni, ale, choć trudno w to czasem uwierzyć, w większości przypadków powstają w mózgu człowieka.

Wróćmy do poruszonego we WstÄ™pie tematu niepeÅ‚nosprawnych o dramatycznie ograniczonych możliwoÅ›ciach komunikacji, żyjÄ…cych w piekle zamkniÄ™cia. Ostatni krÄ…g tego piekÅ‚a to stan caÅ‚kowitego zamkniÄ™cia, w którym przestaÅ‚y dziaÅ‚ać motoneurony, czyli kable przewodzÄ…ce decyzje z mózgu do mięśni, ale mózg pozostaje w peÅ‚ni sprawny. Dzieje siÄ™ tak w koÅ„cowym stadium stwardnienia zanikowego bocznego (ALS), na które choruje na przykÅ‚ad wybitny astrofizyk Steven Hawking. WyÅ‚Ä…czenie sterowania kluczowymi dla życia mięśniami prowadziÅ‚o kiedyÅ› do nieuchronnej Å›mierci — dzisiaj dziÄ™ki postÄ™pom medycyny potrafimy podtrzymywać zanikajÄ…ce funkcje życiowe, ale nie potrafimy zapewnić komunikacji. Wtedy jedynÄ… nadziejÄ… pozostaje interfejs mózg-komputer.

W roku 2008 przeprowadziÅ‚em pierwszy w Polsce publiczny pokaz dziaÅ‚ania BCI. NiecaÅ‚e 4 lata od rozpoczÄ™cia badaÅ„ prezentowaliÅ›my na CeBIT najnowoczeÅ›niejsze i najszybsze na tych targach UrzÄ…dzenie BCI, nadrabiajÄ…c w ten sposób kilkunastoletnie opóźnienie Polski w tej dziedzinie. Efekty tej dziaÅ‚alnoÅ›ci byÅ‚y nieoczekiwane: z jednej strony kolejne ministerstwa RP odrzuciÅ‚y siedem kolejnych wniosków o finansowanie badaÅ„ nad BCI, z drugiej strony zaczÄ™li siÄ™ zgÅ‚aszać niepeÅ‚nosprawni o dramatycznie ograniczonych możliwoÅ›ciach komunikacji, których nadzieje rozbudziÅ‚y prezentacje naszych sukcesów w mediach. Wtedy nastÄ…piÅ‚a twarda konfrontacja nauki z rzeczywistoÅ›ciÄ…: dziaÅ‚alność akademicka, finansowana z nakÅ‚adów na naukÄ™, koÅ„czy siÄ™ na prototypach — a stÄ…d do systemu gotowego do stosowania w praktyce codziennej zwykle daleko. Jedynym wyjÅ›ciem okazaÅ‚o siÄ™ zaÅ‚ożenie firmy.

Najpierw wzięliśmy się za to, na czym znamy się najlepiej, czyli EEG. W oparciu o otwarte biblioteki dostępne na licencji GPL, w tym również tworzone do celów naukowych w Uniwersytetach Warszawy i Nottingham, stworzyliśmy pierwszy w świecie profesjonalny system EEG oparty całkowicie o wolne (jak w słowie „wolność”) oprogramowanie. Oparcie na licencji GPL oznacza przejście do równoległego świata, w którym każdy problem rozwiązuje się tylko raz, a dokładny opis tego rozwiązania (czyli kod źródłowy programów) jest dostępny dla wszystkich. Dzięki temu na rozwiązaniach z systemu GNU/Linux opiera się na przykład Android. Rynek profesjonalnych systemów EEG wygląda odwrotnie niż rynek nowoczesnych telefonów: stosunkowo niewiele firm produkuje sprzęt wysokiej klasy, sprzedawany użytkownikom przez wielu integratorów, którzy uzupełniają go o własne oprogramowanie. Gdyby każdy producent musiał utrzymywać zespół programistów tworzących i rozwijających własny system (jak Apple), współczesne telefony byłyby znacznie droższe. Firma BrainTech zmieniła rynek systemów EEG tak, jak powstanie GNU/Linuksa zmieniło rynek systemów operacyjnych.

EksploracjÄ… równolegÅ‚ego Å›wiata okazaÅ‚a siÄ™ również analiza potrzeb niepeÅ‚nosprawnych żyjÄ…cych w sytuacji podobnej do bohatera filmu „Chce siÄ™ żyć”. OkazaÅ‚o siÄ™, że w zdecydowanej wiÄ™kszoÅ›ci przypadków do komunikacji wystarczÄ… istniejÄ…ce technologie, znacznie prostsze i taÅ„sze niż BCI — niestety wciąż za drogie dla wiÄ™kszoÅ›ci potrzebujÄ…cych. Na przykÅ‚ad okulografia (ang. eyetracking), czyli Å›ledzenie ruchów oka. Wykorzystujemy jÄ… szeroko w neuromarketingu do badania, które elementy reklamy czy strony internetowej najbardziej przykuwajÄ… wzrok. Obiektywne odpowiedzi na takie pytania warte sÄ… dużych pieniÄ™dzy, dlatego cena systemu nie stanowi problemu. Inaczej sprawa wyglÄ…da gdy chcemy taki system udostÄ™pnić niepeÅ‚nosprawnemu, dla którego ruchy oka sÄ… jedynym sposobem komunikacji ze Å›wiatem. Wtedy 60 tysiÄ™cy zÅ‚otych staje siÄ™ zwykle barierÄ… nie do przebycia. A potrzebujÄ…cych jest wiÄ™cej, niż nam siÄ™ wydaje. Czasem sÅ‚yszymy o kimÅ› sÅ‚awnym, jak wspomniany Steven Hawking czy genialny gitarzysta Jason Becker, któremu ALS odebraÅ‚o panowanie nad mięśniami w wieku 20 lat, ale dziÄ™ki ruchom oczu wciąż porozumiewa siÄ™ i komponuje (zob. jasonbeckerguitar.com), Jean-Paul Bauby, redaktor naczelny magazynu Elle, który po wylewie mógÅ‚ tylko mrugać okiem, i napisaÅ‚ w ten sposób książkÄ™ „Motyl i skafander”, czy artysta graffiti Tempt1 (Tony Quan), który tworzy mimo ALS dziÄ™ki zÅ‚ożonemu przez przyjaciół z tanich części i wolnego oprogramowania systemowi eyewriter.org.

Ale nie wszyscy mieli szansÄ™ stać siÄ™ sÅ‚awni i bogaci zanim nadeszÅ‚a choroba. Historie dziesiÄ…tków tysiÄ™cy niepeÅ‚nosprawnych żyjÄ…cych w piekle zamkniÄ™cia sÄ… zwykle bliższe historii Przemka Chrzanowskiego, który od urodzenia nie mógÅ‚ nawiÄ…zać kontaktu z otoczeniem — tak opisuje swojÄ… sytuacjÄ™ z tych czasów: nazywali mnie debilem, kÅ‚odÄ…, roÅ›linÄ…. WyÅ‚em w duchu z rozpaczy. PróbowaÅ‚em oczyma dać znać, że wszystko rozumiem. Na motywach jego historii powstaÅ‚ scenariusz filmu „Chce siÄ™ żyć”, ale smutnÄ… rzeczywistość opisuje raczej reportaż „Jak motyl”, który można obejrzeć na vod.pl.

Nierówny dostęp do najnowszych zdobyczy medycyny zaczyna dominować motywy współczesnych dystopii. W dziecinnie komiksowym wydaniu widać to w filmie “Elysium”, który proponuje klasyczne dla gatunku rozwiązanie: wystarczy dokopać Niedobrym i Bogatym, żeby dobrodziejstwa rozlały się na całą ludzkość. Ale jest też prawdziwa i realna droga, trudniejsza i mniej widowiskowa. Prowadzi przez wspomniany wcześniej równoległy świat oprogramowania wolnego jak w słowie “wolność”.

W systemach komunikacji dla niepełnosprawnych najdroższe jest właśnie oprogramowanie. Ale jeśli zbudujemy system na licencji GPL, to koszt licencji oprogramowania spada do zera. Laptop stanowiący niezbędny element systemu komunikacji to coraz mniejszy wydatek. Pozostałe elementy, dzięki coraz szerszej dostępności tanich i zaawansowanych elementów elektronicznych oraz taniejącym drukarkom 3D też powoli zaczynają przenikać do równoległego świata, pod hasłem “Open Hardware”. Zastąpienie dystopii przez utopię staje się coraz realniejsze.

Niestety nie znaczy to, że powstanie masy krytycznej zaawansowanych technologii spowoduje magiczne rozwiÄ…zanie problemów. Trzeba siÄ™ nad nimi konkretnie pochylić: zebrać opinie i potrzeby niepeÅ‚nosprawnych, wybrać istniejÄ…ce elementy, stworzyć brakujÄ…ce, zintegrować, uruchomić i przetestować caÅ‚ość na zdrowych, poprawić, przedstawić docelowym użytkownikom, uzwzglÄ™dnić ich opinie, zmienić, poprawić i przetestować — i tak aż do osiÄ…gniÄ™cia zadowalajÄ…cego efektu. Potem trzeba to wszystko opisać i upowszechnić w taki sposób, żeby informacja dotarÅ‚a do potrzebujÄ…cych, a korzystać z wyników mogli wszyscy. Taki jest mniej wiÄ™cej plan pracy w projekcie PISAK (polski integracyjny system alternatywnej komunikacji), realizowanym przez BrainTech we współpracy z WydziaÅ‚em Fizyki UW i Stowarzyszeniami “Ożarowska” oraz “Mówić bez słów”, dofinansowanym przez NCBiR w programie “Innowacje SpoÅ‚eczne”. Przemek Chrzanowski jest w pierwszej grupie użytkowników testujÄ…cych powstajÄ…cy system.

polski