30 MAGAZÍN VÝZKUM INTERFACE

JJako kdyby to bylo ta největší nehoráznost, jakou si vědec dokážepředstavit. Profesor Peter Fromherz opakuje větu hned dvakrát

a zdůrazňuje přitom každé jednotlivé slovo: „Nikdo neví, jak mozekfunguje“. V jeho hlasu zaznívá zklamání ze skutečnosti, že se dodnesnikomu nepodařilo objasnit ani základy procesu myšlení. Fromherz jeředitelem Institutu Maxe Placka (MPI) pro biochemii v Martinsrieduu Mnichova – a také mužem, který má své vize: Až jednou přesněpoznáme, jak pracují naše šedé buňky, otevře se cesta k fantastic-kým aplikacím.

Čtení myšlenek pomocí koupací čepice

Ale i to, co je možné už dnes, je neuvěřitelné – člověk dokáže ovládatpočítač jen silou myšlenky. Probíhá to takto: Nejprve se změří aktivitamozku. Vědci ve Fraunhoferově institutu pro počítačovou architekturua softwarovou techniku (FIRST) v Berlíně k tomu používají snímacízařízení připomínající koupací čepici se 128 elektrickými vývody. Tzv.Brain-Computer Interface (BCI) pak myšlenky testované osoby převá-dí na řídicí signály pro PC. Když s těmito experimenty skupina kolemprofesora Klause-Roberta Müllera před několika lety začínala, byla tospíše velká opovážlivost provázená spoustou námahy. Zkušebníosoby musely dlouho a dlouho trénovat, než se na displeji začaloněco dít. Až po více než sto hodi-nách usilovného tréninku sekurzor dával trhavě do pohybu.

Dnes tato počáteční fáze trvájen nějakých 20 minut – a vědciuž také nehovoří o tréninku, aleo „kalibrování systému“. Dvě třetiny pokusných osob dokážou po tétokrátké přivykací fázi libovolně posunovat kurzor po obrazovce čistěsvou vůlí, a dokonce hrát jednoduché videohry, jako je například počí-tačový tenis Pong. Původní přenosová rychlost vzrostla na více neždesetinásobek. Průlom způsobili berlínští výzkumníci, když procesučení přesunuli z člověka na stroj: proband se už nemusí pokoušetmyslet tak, aby mu rozuměl počítač – naopak, počítač je vybavenalgoritmy, které mu umožňují rozpoznat význam myšlenkových vzorů.

Otisky chtění

Elektrody v čepici snímají tisíckrát za sekundu potenciály z pokožkyhlavy a předávají je počítači k dalšímu zpracování. Na monitoru je zpo-

čátku vidět „všechno a nic“: zdánlivě zcela zašuměný signál, kterýzachycuje nejen pokusy pohnout kurzorem, ale hned veškerou moz-kovou aktivitu. „Měří se tak vlastně superpozice všech smyslovýchvjemů, navíc přizdobená 50hertzovým šumem střídavého proudua dalšími fyziologickými signály, které nelze potlačit: tlukot srdce,pohyby svalů, mrkání očí a podobně,“ vysvětluje Müller. Díky spolu-práci s lékaři z berlínské Charité se vědcům Fraunhoferova institutupodařilo v této směsici najít charakteristické znaky „myšlenkových“signálů.

Pro interpretaci neurofyziologických signálů nasazují vědci teoriestrojového učení, které jsou založeny na neuronálních sítích. V roz-hraní BCI klasifikuje tzv. „Support-Vektor-Maschine“ naměřené křivkynapříklad podle toho, zda znamenají pohyb levé nebo pravé ruky.Poté, co proband psal 20 minut na klávesnici – jednou vlevo, jednouvpravo –, počítač z hodnot EEG vypočítá funkci, která data roztřídí na„levá“ a „pravá“. Měření také ukazují, jaké aktivity v mozku předchá-zejí pohybu. Mozkové proudy prozradí už půl sekundy předem, zda člo-věk například zamýšlí pohnout levou či pravou rukou. Z diagramůpoznají vědci všechno, co se děje v kortexu neboli v kůře velkéhomozku. „Tady sbíráme otisky chtění,“ říká Müller. Zároveň ale taképoukazuje na hranice čtení myšlenek – například myšlené telefonní

číslo se v naměřených křivkáchneobjeví.

V Berlíně však mohou poslou-žit také jiným ohromujícím expe-rimentem. Řada pokusných osobsložená z profesionálních hudeb-

níků a muzikálních laiků měla za úkol poznat, zda jsou přehrávanémelodia v dur, či v moll. Podle očekávání se to lépe dařilo muzikan-tům. Mozkové proudy však prozradily ještě něco jiného: laici rozpo-znávali oba druhy stupnic právě tak spolehlivě jako profesionálové,avšak při dalším zpracování v mozku u nich zřejmě cosi probíháodlišně.

Myšlenky zrychlují počítač

Vědci z americké Columbia University už tento jev využívají pro zefek-tivnění interakce mezi člověkem a počítačem. Jak zjistili, databankyobrázků je možné prohledávat daleko rychleji, pokud se do tohotoprocesu zapojí elektrické impulzy mozku. Jestliže například policejní

C H I P P R O S I N E C 2 0 0 6

... jinak kurzor skočí na nesprávné místo. PC se dnes totiž dá ovládat silou pouhé myšlenky. Cílem výzkum-níků je však přímo počítač s „mozkem“.

Text: Manfred Flohr, autor@chip.cz

Teď jen nepomyslet na nic špatného... Teď jen nepomyslet na nic špatného...

Rozhraní s mozkem

�

Neurocomputer by mohl být rychlejšínež kvantový počítač.Profesor Peter Fromherz, MPI Biochemie

C H I P P R O S I N E C 2 0 0 6

32 MAGAZÍN VÝZKUM INTERFACE

�

�

Jak je to prosté: Ovládání počítače silou myšlenkyKlidně sedět a myslet na to, jak se pohybuje kurzor po obrazovce - nic víc probandnemusí dělat, aby dokázal počítač řídit. Za tím účelem má na hlavě čepici prošpikova-nou 128 elektrodami, která snímá jeho elektroencefalogram (EEG) a kabelem jej pře-náší do počítače. Změny napětí na povrchu hlavy odrážejí elektrickou aktivitu mozku.Různé myšlenky se přitom projevují různými obrazci na displeji. Po krátké kalibraci zaasistence instruktora se počítač naučí „číst myšlenky“.

úředník při vyhodnocování snímků v kartotéce narazí na zajímavoufotografii, je to pak zaregistrováno asi desetkrát rychleji než při vědo-mém rozpoznávacím procesu, který policista posléze potvrdí kliknu-tím myší. Tímto způsobem lze také zlepšit rentgenovou kontrolu zava-zadel na letištích – jakmile lidský mozek zaznamená něcopodezřelého, okamžitě je vygenerován impulz.

Jak ukazují pokusy berlínských vědců, BCI lze využít i při hraní počí-tačových her. V Silicon Valley už dva nově založené podniky pracují naodpovídajících přístrojích. Firma Cyber Learning dodává svou za tímúčelem vyvinutou přilbu prozatím lékařům, kteří se zabývají porucha-mi pozornosti u dětí. Profesor Müller se sice pomocí BCI rovněž snažírozhraní člověk-stroj zdokonalit, současnou dobu však dosud nepova-žuje za zralou pro komerční hry: „Bylo by neúnosné, kdyby třetinazákazníků produkt vracela, poněvadž mentální kontakt s počítačemnedokázala navázat.“

K praktickému nasazení má zatím poměrně daleko také projektfirmy Honda pro myšlenkové řízení robotů. Její „Brain Machine Inter-face“ zatím dokáže, aby robotnapodobil pohyb ruky testovacíosoby. I zde jsou řídicí signálygenerovány myšlenkami člově-ka. Odlišnost – a to je zatímnevýhoda této metody – spočíváv tom, že mozkové aktivity jsou detekovány pomocí NMR tomografie,a pokusná osoba proto musí „do roury“. Tam se přitom neměří ner-vové impulzy, ale sleduje se průtok krve v cévách. Proto trvá několiksekund, než ruka robota zareaguje.

Honda ovšem věří, že pomocí podobného rozhraní bude schopnařídit roboty jako Asimo – během pěti až deseti let. Není vyloučeno, žese do té doby podaří ovládat myšlenkami i některé funkce automobi-lu. Klaus-Robert Müller však pro nasazení v autě přemýšlí předevšímo monitoringu: systém by mohl v reálném čase rozpoznat například

přetížení řidiče. Přinejmenším pro tyto oblasti si Müller přeje jiná roz-hraní, než je „koupací čepice“ převzatá z neurologie – třeba base-ballové čapky s citlivými bezdotykovými senzory.

Jeho současní probandi si po každém testu musí z vlasů vymývatgel zvyšující vodivost. To je ovšem ještě pořád nevinná selanka protipokusům v USA – na Brownově univerzitě v Providence po mnohapokusech s opicemi poprvé implantovali čip do mozku také člověku.

Jako ve Frankensteinově laboratoři

Na videu zaznamenaná scéna z laboratoře profesora Johna Donog-huea přímo vyvolává asociace s klasickým filmovým hororem. Na židlibez pohnutí sedí 25letý Matthew Nagle. V hlavě má zásuvku, z nížvede jako prst silný kabel. Vedle pacienta leží ruční protéza, která senáhle začíná hýbat. Před třemi roky ochrnutý Nagle v tomto spekta-kulárním pokusu pohybuje umělou rukou prostřednictvím myšlenek.Čtyři čtvereční milimetry velký čip, tzv. „brain gate“, v jeho kortexu jeskrz malý otvor v lebeční kosti prostřednictvím stovky zlatých drátů

připojen k počítači. Senzory všaknedetekují jenom úmyslypohnout rukou. Podobně jakou berlínského BCI může pacienttímto způsobem ovládat taképočítač.

Profesor Müller z Fraunhoferova institutu se však na invazivní kon-takt k mozku dívá skepticky. Podle něho takový zákrok přináší rizikoinfekce nebo poškození mozku a přitom nepřináší žádné výraznévýhody oproti neinvazivní technice s EEG. Dosažené přenosové rych-losti i úspěšnost se pohybují ve stejné oblasti.

Počítačový čip s mozkem

S americkým brain gate nemá neuročip vyvinutý v MPI v Martinsriedutéměř nic společného. Pro profesora Petera Fromherze, jenž se dnes

V budoucnu možná budeme počítačobsluhovat v baseballové čepici.

Profesor Klaus-Robert Müller, Fraunhofer FIRST

C H I P P R O S I N E C 2 0 0 6

34

C H I P P R O S I N E C 2 0 0 6

zdá být na stopě základním souvislostem, stále zůstává záhadou, jakmohou být upotřebitelné výsledky produkovány metodami, které sbí-rají průměrné hodnoty jen v několika bodech příslušných mozkovýchoblastí. „Co se tam skutečně děje, není vidět,“ říká. Avšak se svýmvýzkumným týmem je právě na dobré cestě tento stav změnit.

Přispívá k tomu i biofyzik Armin Lambacher, který právě na monito-ru pozoruje, jak se oblak drobných modrých bodů obloukovitě rozši-řuje. „Zde můžeme do jisté míry přihlížet, jak v mozku probíhá myšle-ní,“ objasňuje svou činnost. Jde o vyhodnocení pokusu s tenoučkýmřezem z krysího hipokampu. Informace, které mozek savců přijme,jsou nejprve přechodně uloženy do této oblasti a teprve později na-trvalo zapsány do jiných částí mozku. Jestliže jednou poznáme, jakhipokampus informace zpracovává, mohlo by to být, jak doufají vědci,klíčem k pochopení celého našeho mozku.

Pohyblivé obrázky na monitoru znázorňují v časové lupě to, cov reálném čase proběhne během několika tisícin sekundy: šíření elek-trických signálů v určité oblasti mozku. Kultivovaný plátek krysíhomozku leží na neuročipu, jehož senzorové pole, velké pouhý čtverečnímilimetr, je osazeno 16 000 tranzistory. Ty mohou nejenom měřit sig-nály jednotlivých buněk, ale také je elektricky stimulovat.

Neuronální počítače: Za 200 let, nebo dříve?

Nyní vědci hledají odpovědi na mnoho otevřených otázek. Napříkladstále není jasné, zda je podstatné zpracování informací založeno načinnosti jednotlivých buněk, nebo jejich skupin. Pracují sousedníbuňky podobně, nebo se zabývají úplně odlišnými informacemi? Jsousousedící buňky vzájemně nezávislé? „Zkoumat tyto vztahy je příšer-ně nudné,“ běduje Peter Fromherz. Naštěstí už má dnes k dispozici

MAGAZÍN VÝZKUM INTERFACE

Dálkové ovládání: Mozek řídí roboty Žena v dutině tomografu koná rukou různé pohyby. Přitom jsou měřeny hemodyna-mické reakce mozku, tedy průtok krve cévním systémem. Z naměřených hodnotgenerují technici řídicí signály pro robotickou ruku od firmy Honda a ta pak pohybylidské ruky bez jakéhokoliv vizuálního kontaktu napodobuje.

Komunikativnost: Nervové buňky si povídají s počítačovými čipy

buněčná membrána

elektrolyt

proud

drain

substrát gatesource

buňka

štěrbinaoxid křemičitýzakrytý kanál

20 nm

neuron

Schematický průřez znázorňuje princip komunikace mezi buň-kou a čipem. Během akčního potenciálu neuronu protékáelektrický proud buněčnou membránou a štěrbinou mezi buň-kou a čipem. Změny napětí modulují proud, který teče v tran-zistoru mezi elektrodami source a drain.

Dostaveníčko biologie s elektronikou:Neuron z krysího mozku byl v MPI probiochemii osm dní kultivován - na mřížcez tranzistorů, sestávajících z obvyklýchelementů source, gate a drain.

Gate

Drain

Source

�

�

C H I P P R O S I N E C 2 0 0 6

instrument, který to všechno dokáže systematicky probádat. Počí-tač mu totiž ukáže „schéma zapojení“ mozku a zviditelní biologickésítě. Badatelé teď chtějí různými signály dráždit odlišné mozkovéregiony a pozorovat jejich účinky. Zvětšuje se také rozlišení – dalšígenerace neuročipu je dvakrát větší než její předchůdkyně.

A rýsují se i možnosti praktických aplikací. Už brzy snad budeneuročip nasazen pro screening medikamentů, čímž by se napří-klad dalo testovat působení nových psychofarmak. Myšlenkavychází z pozorování, že určité substance mění u mozkových řezůnaměřené hodnoty.

Z celého vývoje by pak mohli mít užitek i lidé s tělesným postiže-ním. Než se ale podaří pomocí neuročipu řídit i protézy, bude ještězapotřebí mnoho základního výzkumu.

Nejsmělejší vizí Petera Fromherze je však představa zcela nové-ho počítače. Ten by jednoho dne mohl navzájem spojit digitálnípočítání s neurodynamikou a fungovat tak jako živý mozek. PodleFromherzova odhadu by pak mohl být rychlejší než kvantový počí-tač. Nenajdeme v něm už ale žádné buňky ve sklenicích a čipys biologickým povlakem. Počítač nebude obsahovat mozek, alebude jen technicky napodobovat jeho funkce.

Jak biofyzik odhaduje, za zhruba padesát roků by mohlo býtmožné vyrábět umělé buňky. A za 200 let pak budou lidé sedětu neuropočítačů a posmívat se počítačům dneška. Ale Peter From-herz už se také zmýlil – mnoho věcí šlo kupředu rychleji, než původ-ně předpokládal.

ODKAZYBrownova univerzita: http://donoghue.neuro.brown.edu

C H I P P R O S I N E C 2 0 0 6

Čip v hlavě

Ochrnutý MatthewNagle kreslí kurzo-rem po obrazovce -svými myšlenkami.

Vyzkoumáno: Jak myslí krysy Tenký plátek z krysího mozku je uložen ve skleněné misce s neuroči-pem na dně. V jeho středu je umístěna mřížka z 16 384 tranzistorů,které zprostředkují kontakt mezi buňkami a počítačem. Mřížka zobra-

zuje na monitoru obloukový tvar prů-řezu hipokampem. Je-li vzoreku spodního okraje stimulován zápor-

ným napětím, šíříse mozkovou tkánímodrý obláčekbodů a ukazuje takkomunikaci tisícůbuněk.

Pla

cen

á in

zerc

e

�