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 „Matrixâ€, 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…dâ€. 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 pomocÄ… myÅ›li? Jest kilka pomysłów. Przez 80 lat przyglÄ…dania siÄ™ EEG zauważyliÅ›my kilka prostych zjawisk, zwiÄ…zanych z reakcjÄ… mózgu na różne bodźce. Na przykÅ‚ad widoczne w zapisie EEG potencjaÅ‚y wywoÅ‚ane zależą od tego, jak bardzo konkretny bodziec przykuwa naszÄ… uwagÄ™. Pokazane w serii fotografii zdjÄ™cie miejsca zbrodni może wywoÅ‚ać silniejszy potencjaÅ‚ u mordercy który zeznaje, że nigdy tego miejsca nie widziaÅ‚. Ten potencjaÅ‚, zwany P300 (wystÄ™puje ok. 300 milisekund po bodźcu) może też posÅ‚użyć do stworzenia interfejsu mózg-komputer: jeÅ›li migać bÄ™dÄ… kolejne literki, a my bÄ™dziemy koncentrować uwagÄ™ tylko na „Dâ€, ignorujÄ…c pozostaÅ‚e, to komputer powinien odczytać silniejszy potencjaÅ‚ P300 w momentach, gdy miga „Dâ€. Czyli możemy pisać, tylko za pomocÄ… myÅ›li. Nie jest to takie proste, bo w mózgu naraz dzieje siÄ™ mnóstwo innych rzeczy i potencjaÅ‚y ginÄ… w “szumie†niezwiÄ…zanych z bodźcem myÅ›li, wiÄ™c dla pewnoÅ›ci każda literka miga zwykle kilka razy. Również ciÄ…gÅ‚e koncentrowanie uwagi na wybranych bodźcach nie jest wbrew pozorom Å‚atwe, pomaga na przykÅ‚ad 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 zachodzÄ…ce wewnÄ…trz mózgu, do EEG dodajÄ… siÄ™ też potencjaÅ‚y spoza mózgu. Wszystkie nasze mięśnie, podobnie jak mózg, też dziaÅ‚ajÄ… „na prÄ…dâ€, i prÄ…d ten jest niestety bez porównania silniejszy niż to, co do powierzchni gÅ‚owy dociera z mózgu. Dlatego wÅ‚aÅ›nie przy badaniu EEG elektrody umieszcza siÄ™ we wÅ‚osach (bo tam jest najmniej mięśni), należy siÄ™ rozluźnić czyli zmniejszyć napiÄ™cie mięśni i nie mrugać, bo ruch gaÅ‚ki ocznej też generuje prÄ…d.
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 wziÄ™liÅ›my siÄ™ za to, na czym znamy siÄ™ najlepiej, czyli EEG. W oparciu o otwarte biblioteki dostÄ™pne na licencji GPL, w tym również tworzone do celów naukowych w Uniwersytetach Warszawy i Nottingham, stworzyliÅ›my pierwszy w Å›wiecie profesjonalny system EEG oparty caÅ‚kowicie o wolne (jak w sÅ‚owie „wolnośćâ€) oprogramowanie. Oparcie na licencji GPL oznacza przejÅ›cie do równolegÅ‚ego Å›wiata, w którym każdy problem rozwiÄ…zuje siÄ™ tylko raz, a dokÅ‚adny opis tego rozwiÄ…zania (czyli kod źródÅ‚owy programów) jest dostÄ™pny dla wszystkich. DziÄ™ki temu na rozwiÄ…zaniach z systemu GNU/Linux opiera siÄ™ na przykÅ‚ad Android. Rynek profesjonalnych systemów EEG wyglÄ…da odwrotnie niż rynek nowoczesnych telefonów: stosunkowo niewiele firm produkuje sprzÄ™t wysokiej klasy, sprzedawany użytkownikom przez wielu integratorów, którzy uzupeÅ‚niajÄ… go o wÅ‚asne oprogramowanie. Gdyby każdy producent musiaÅ‚ utrzymywać zespół programistów tworzÄ…cych i rozwijajÄ…cych wÅ‚asny system (jak Apple), współczesne telefony byÅ‚yby znacznie droższe. Firma BrainTech zmieniÅ‚a rynek systemów EEG tak, jak powstanie GNU/Linuksa zmieniÅ‚o 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™ żyćâ€. 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 skafanderâ€, 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™ żyćâ€, ale smutnÄ… rzeczywistość opisuje raczej reportaż „Jak motylâ€, który można obejrzeć na vod.pl.
Nierówny dostÄ™p do najnowszych zdobyczy medycyny zaczyna dominować motywy współczesnych dystopii. W dziecinnie komiksowym wydaniu widać to w filmie “Elysiumâ€, który proponuje klasyczne dla gatunku rozwiÄ…zanie: wystarczy dokopać Niedobrym i Bogatym, żeby dobrodziejstwa rozlaÅ‚y siÄ™ na caÅ‚Ä… ludzkość. Ale jest też prawdziwa i realna droga, trudniejsza i mniej widowiskowa. Prowadzi przez wspomniany wczeÅ›niej równolegÅ‚y Å›wiat oprogramowania wolnego jak w sÅ‚owie “wolnośćâ€.
W systemach komunikacji dla niepeÅ‚nosprawnych najdroższe jest wÅ‚aÅ›nie oprogramowanie. Ale jeÅ›li zbudujemy system na licencji GPL, to koszt licencji oprogramowania spada do zera. Laptop stanowiÄ…cy niezbÄ™dny element systemu komunikacji to coraz mniejszy wydatek. PozostaÅ‚e elementy, dziÄ™ki coraz szerszej dostÄ™pnoÅ›ci tanich i zaawansowanych elementów elektronicznych oraz taniejÄ…cym drukarkom 3D też powoli zaczynajÄ… przenikać do równolegÅ‚ego Å›wiata, pod hasÅ‚em “Open Hardwareâ€. ZastÄ…pienie dystopii przez utopiÄ™ staje siÄ™ 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 słówâ€, dofinansowanym przez NCBiR w programie “Innowacje SpoÅ‚eczneâ€. Przemek Chrzanowski jest w pierwszej grupie użytkowników testujÄ…cych powstajÄ…cy system.