M10D 215,072 MHz Zadzwoń do studia 41 200 20 20 
Czy sterowanie komputerem za pomocą myśli, przez osoby z niepełnosprawnością neurologiczną, jest możliwe wyłącznie w filmach science fiction? Odpowiedzią jest BCIs – Brain-computer interfaces. To już nie film, ale badania opisane w maju w piśmie medycznym „Nature”.
Przyczyn niepełnosprawności neurologicznej może być wiele. Mogą być one wywołane poprzez wrodzone wady układu nerwowego, ale także mogą pojawiać się w przebiegu takich chorób jak: stwardnienie rozsiane, stwardnienie zanikowe boczne – wywołane przez autoagresję (czyli chorobę powodowaną przez nasz własny układ odpornościowy, który nieprawidłowo rozpoznaje nasze własne tkanki jako obce i zaczyna je niszczyć) i wiele innych.
Jest też grupa chorych, która pozostaje sparaliżowana w następstwie wypadków i urazów rdzenia kręgowego.
Stopień niedowładów zależy wtedy od wysokości na jakiej rdzeń kręgowy został przerwany – im wyżej, tym bardziej rozległe porażenia. Najgorzej sytuacja wygląda wtedy, gdy do uszkodzenia rdzenia kręgowego doszło w odcinku szyjnym. Wtedy może dojść do tzw. tetraplegii, czyli porażenia czterokończynowego.
Musimy sobie zdać sprawę, że rdzeń kręgowy jest gigantyczną magistralą danych, która przewodzi impulsy nerwowe (informację) z mózgu do każdego zakamarka naszego ciała i odwrotnie, z każdej części naszego organizmu do mózgu. Komunikacja ta jest niezbędna żebyśmy mogli normalnie funkcjonować: czuć, poruszać się itp.
Złożoność systemu
Skoro jest to magistrala danych, a my budujemy przecież gigantyczne magistrale, ot choćby teleinformatyczne, to dlaczego nie umiemy skutecznie leczyć rdzenia? Przecież jeśli dojdzie do przecięcia kabla światłowodowego to możemy go naprawić.
No, ale światłowody łączy się zgrzewarką, a włókna nerwowego raczej nią nie naprawimy. Co gorsza zdolność do regeneracji takich włókien jest mocno ograniczona, a trzeba pamiętać, że one często ciągną się całymi metrami (wypustka pojedynczego neuronu może mieć długość mierzoną w metrach!). U sparaliżowanego człowieka nie dochodzi do regeneracji tych włókien, a pozbawione prawidłowej kontroli ze strony układu nerwowego mięśnie zaczynają zanikać.
W epoce zaawansowanych technologii nic nie da się zrobić?
To zadanie jest trudne, nawet bardzo. Tu pojawia się problem niezwykłej złożoności układu nerwowego i ilości danych jakie jest on wstanie przetworzyć w ciągu ułamków sekund. Żeby oddać skalę problemu podam przykład. Ostatnio specjaliści z Google i Harvard University spróbowali odtworzyć strukturę 1 mm kory mózgowej człowieka (co stanowi jedną milionową całej kory mózgu, a przecież kora to tylko część naszego ośrodkowego układu nerwowego). Udało im się. Zajęło im to 1,4 petabajta danych! Jak dużo to jest? Film na DVD to 4 gigabajty. Petabajt to 1,5 miliona gigabajtów, czyli fragment kory mózgowej człowieka o wielkości jednego milimetra wymagał do zapisu tyle pamięci, że zmieścilibyśmy w tej przestrzeni dyskowej około jednego miliona filmów trwających godzinę każdy.
Naprawić transmisję danych
Jak zatem odtworzyć uszkodzenie rdzenia kręgowego biorąc dodatkowo pod uwagę, że wypustki neuronów nie chcą się regenerować?
Trwa obecnie wiele różnych prób klinicznych z zastosowaniem wielu różnych sposobów podejść terapeutycznych, w sporej części również technologicznych. Jednym z podejść typowo biotechnologicznych jest próba znalezienia takich włókien nerwowych, które się regenerują i próbuje się je przeszczepiać w okolicę uszkodzonej tkanki rdzenia kręgowego. Jednymi z najbardziej obiecujących są próby związane z zastosowaniem włókien nerwów węchowych, gdyż te się stosunkowo łatwo regenerują. Wykonuje się zatem zabiegi polegające na przeszczepieniu części włókien nerwowych z okolicy węchowej układu nerwowego do uszkodzonego miejsca w rdzeniu kręgowym.
Nasz mózg jest naprawdę niezwykłym organem. Jeśli tylko przeszczep takich włókien się uda, to mózg po pewnym czasie nauczy się odpowiednio interpretować nowe sygnały i dostosuje się do nich.
Inna próbą przywrócenia sprawności jest stosowanie elektronicznych implantów łączących ze sobą przerwane części układu nerwowego. I tu zasada jest podobna – mózg musi nauczyć się interpretować sygnały elektryczne i odpowiednio na nie odpowiadać. Rozdzielczość tego typu implantów elektronicznych jest znacznie niższa, ale może zapewnić choć minimum sprawności. Implanty tego typu próbuje się wszczepiać w miejsce uszkodzenia lub bezpośrednio do mózgu w obszar zwany korą ruchową, gdzie powstają impulsy odpowiadające za poszczególne ruchy. W badaniach na sparaliżowanych ochotnikach udało się nawet podłączyć taką elektrodę do robotycznego ramienia, za pomocą którego chory mógł podnieść kubek z wodą i się napić. To wszystko o czym piszę jest na razie w fazie badań naukowych i nie jest jeszcze stosowane szeroko w praktyce, ale wyniki są na tyle zachęcające, że być może już wkrótce osiągniemy taki etap rozwoju tych technologii, że wejdą one do praktyki klinicznej. Ale można pójść krok dalej…
Podsłuchać mózg
Osoby, których porażenie rdzenia kręgowego jest tak duże, że nie mogą one nawet mówić, do tej pory nie mogły się komunikować wcale z otoczeniem. Jakiś czas temu poprzez odczyt fal mózgowych za pomocą EEG (elektroencefalogramu) i odpowiedniego treningu, chory mógł przesuwać kursor po ekranie komputera i w ten sposób pisać. Ale czas napisania jednego słowa wynosił minuty. Trudno raczej nazwać to komunikacją.
A gdyby tak podsłuchać mózg bezpośrednio, tzn. zobaczyć co myśli dana osoba? Fantastyka naukowa? Nic bardziej mylnego.
W jednym z najnowszych artykułów, w renomowanym czasopiśmie „Nature”, z 12 maja tego roku, pojawił się artykuł, który pokazuje jak to zrobić. Postaram się krótko to przybliżyć, bo ta technologia przyprawia o zawrót głowy.
Naukowcy stworzyli coś, co w skrócie określa się jako BCIs (Brain-computer interfaces). Wymaga wszczepienia, bezpośrednio do mózgu chorego, specjalnego zestawu elektrod w okolicę ruchową kory mózgu odpowiedzialną za ręczne pisanie. Sygnały płynące z tych elektrod są przekazywane do komputera wyposażonego w specjalne oprogramowanie, które jest w stanie w sposób graficzny przedstawić aktywność neuronów pochodzących z tej okolicy. Następnie chorego poproszono, że by spróbował (choć nie mógł on tak naprawdę poruszyć się), napisać tekst ręcznie – musiał on po prostu, w myśli – próbować pisać konkretne litery. Choć nie poruszył tak naprawdę ręką, jego kora ruchowa wysyłała sygnały odpowiadające za ruch charakterystyczny dla pisania każdej litery a te sygnały udało się odtworzyć za pomocą komputera i zwizualizować. Za każdym razem było to powtarzalne.
Zatem chory „wyobrażając” sobie, że pisze, przesyłał do komputera wprost polecenia. Ale i to było jeszcze nic.
Bo skoro już zdekodowaliśmy aktywność odpowiadającą poszczególnym literom, to może by tak dekodować w podobny sposób całe zdania? Tu z pomocą przyszła sztuczna inteligencja i jej odpowiednie algorytmy, które nauczyły się szybko tłumaczyć to, co chory wyobraża sobie i to w dodatku w czasie rzeczywistym. Zatem słyszymy co mózg myśli! No może jeszcze nie do końca, bo zapis z neuronów kory ruchowej to nie to samo co nasze myśli, ale sam fakt tak głębokiego odczytu funkcjonowania aktywności mózgu budzi respekt. To są oczywiście wciąż badania fazy czysto naukowej, ale widać już wyraźnie, że się sprawdzają.
Wygląda na to, że istotnie, budowa interfejsu mózg – komputer nie jest mrzonką pisarzy SF, ale powoli staje się rzeczywistością. I jednocześnie ogromną nadzieją dla osób, które z tej czy innej przyczyny są sparaliżowane.
Powyższy tekst jest artykułem popularnonaukowym. Zawiera szereg uproszczeń. Proszę zatem wszystkich czytających, aby wzięli to pod uwagę, a jeśli kogoś on zainteresował i wzbudził ochotę do dalszych studiów, to zachęcam do sięgnięcia do literatury fachowej.
Prof. Marcin Pasiarski
Kierownik Kliniki Hematologii, Immunologii i Transplantacji Szpiku Świętokrzyskiego Centrum Onkologii w Kielcach, konsultant wojewódzki w dziedzinie hematologii oraz przewodniczący świętokrzyskiego oddziału Polskiego Towarzystwa Hematologów i Transfuzjologów. W kręgu jego zainteresowań znajdują się techniki związane z tworzeniem nowych rodzajów szczepionek, nowoczesne metody zwalczania chorób nowotworowych oparte o immunoterapię adoptywną oraz leczenie nowotworów z użyciem komórek CAR-T. Wykłada w Collegium Medicum Uniwersytetu Jana Kochanowskiego. Jest fanem Jean’a Michela Jarre’a. Fascynuje się także nowymi technologiami. Uwielbia podróże i jeśli tylko jest okazja bierze plecak i w rusza w drogę.
