Érik a gondolat hatalma a gépek fölött

Az agyhullámok által irányított művégtagok és kerekes székek a nem túl távoli jövőben megjelenhetnek, a hosszabb távú cél pedig az érzetek kiváltása és a beszéd visszaadása lehet. Hol tartanak ma az agy-gép interfészek?

Az emberi idegrendszer és a számítógépek közötti közvetlen adatátvitel kutatása és fejlesztése lebilincselő téma a tudósok és a nagyközönség számára egyaránt. Az agyat a géppel összekapcsoló, olykor jószerivel a gondolatokban olvasó eszközök ugyanis a remények szerint lehetővé teszik majd az ideg-, gerincvelő- és agyi sérüléseket követően az alapvető testi funkciók helyreállítását.

Gyógyászati alkalmazás súlyos motorikus zavarokkal küzdő betegeknél a svájci Lausanne-ban Forrás: AFP/Fabrice Coffrini

Az agy-gép adatátviteli csatornák – magyarosított számítástechnikai kifejezéssel élve: interfészek – célja az agy által generált jelek kiolvasása, és ezáltal a felhasználó vélt szándékának továbbítása valamiféle elektronikus berendezés, például egy számítógép vagy egy művégtag felé.

Az agy-gép interfészek (brain-machine interfaces, BMI) működése azon alapul, hogy a különböző érzeteket, cselekvési szándékokat, gondolatokat az agyi idegsejt-hálózatok sajátos aktivitásmintázata jellemzi, s ezeket az elektromos jelmintázatokat egy megfelelő dekódoló program képes lehet értelmezni. Az erre alkalmas algoritmus a BMI használójának agyi aktivitása alapján felismerheti például egy meghatározott mozgás szándékát, s ennek megfelelően vezérelhet egy műkezet, egy elektromos kerekes széket vagy egy számítógépes alkalmazást.

A Honda autógyár humanoid robotjának kéz- és lábmozgását irányító berendezés Forrás: AFP/Yoshikazu Tsuno

Külső és beültetett eszközök

Az agyi jelekhez való hozzáférés mikéntje szerint a területtel foglalkozók megkülönböztetnek nem invazív és invazív eszközöket. A nem invazív technológia nem igényli a jelfelvevő berendezés testbe való beültetését; legismertebb példája az elektroenkefalográfia (EEG), az agyi elektromos aktivitásnak a fejbőr felszínéről – például a fejre húzható, elektródokat tartalmazó sapka segítségével – való elvezetése.

Az invazív BMI-eszközökben a jelfelvevő elektródokat közvetlenül az agy felszínére helyezik. Az elektrokortikogram (ECoG, vagyis agykérgi elektromos jelfelvétel) készítéséhez az elektródokat sebészi beavatkozás alkalmával az agyhártya külső rétege alá juttatják. Ilyen berendezés használatos például az epilepsziás betegek műtéti kezelése során a ritmikus agyi elektromos jelek (közkeletűbb kifejezéssel: az agyhullám-aktivitás) tanulmányozására. Apró mikroelektródákat mélyebbre, akár az agy állományába is beültethetnek; ezek az idegsejtek egészen kis csoportjainak tevékenységét is figyelemmel tudják kísérni.

A nem invazív technikák közül a leghagyományosabb az EEG, amelynek segítségével a kérgi idegsejtek kiterjedt csoportjainak tevékenységét lehet nyomon követni. A fejbőrről felvett jel tehát elég diffúz, térbeli felbontása csekély, ám érzékeléséhez legalább nem szükséges a koponya mélyére hatolni. Az EEG segítségével jól felismerhető az agyhullám-aktivitás megváltozása, és a különböző eseményekhez – például ingerek érzékeléséhez – köthető ún. eseményfüggő potenciálok is kiolvashatók belőle. A hullámmintázat átalakulása vagy az eseményfüggő potenciálok alapján aztán okos algoritmusok próbálják megfejteni a felhasználó szándékát, és vezérelni például egy kerekes széket.

Francia, aggyal irányított humanoid robot Tokióban Forrás: AFP/Yoshikazu Tsuno

Az EEG-n alapuló BMI eszközök azonban egyelőre számos megoldatlan kihívás elé állítják a fejlesztőket. Jelenleg még nélkülözik a mindennapi alkalmazáshoz szükséges gyorsaságot és megbízhatóságot, nem utolsósorban azért mert a hagyományos felszíni EEG-elektródáknak már a felhelyezése is sok időt és gyakorlatot igényel, és még így is érzékenyek a különböző hibaforrásokra – például a felhasználó szem- és egyéb izommozgásaiból adódó elektromos zajra. A jelenlegi algoritmusok mellett továbbá akár egy másodpercbe is telhet, míg a számítógép értelmezi a felhasználó akaratát még olyan egyszerű feladatok esetén is, mint egy kurzor mozgatása vagy egyetlen betű beírása. És még ezek a próbálkozások is csak akkor vezetnek sikerre, ha a felhasználó minden figyelmét a feladatra összpontosítja, ami egyelőre kizárja a technológia alkalmazását mindennapi, normális körülmények között odafigyelés és erőfeszítés nélkül végzett tevékenységek támogatására.

Ha azonban a későbbiekben gyorsabbá és rugalmasabban irányíthatóvá válnak az EEG-alapú BMI berendezések, óriási segítséget nyújthatnak a mozgásképességükben súlyosan vagy teljesen korlátozott sérülteknek, egyebek között a kerekes szék önálló irányításában vagy a műszaki eszközök, számítógépek kezelésében. Korlátaik mellett mindenképpen fontos előnyük marad nem invazív sajátságuk, ami biztonságossági profiljukat – és azáltal a szabályozó hatóságok általi elfogadhatóságukat – is javítja. Ezért a leghamarabb talán az ilyen típusú eszközök kerülhetnek be a klinikai gyakorlatba.

A nem invazív technológiák terén modernebb kihívója is akad már az EEG-nek. Ma már léteznek módszerek az agyi aktivitás nem elektromos elven történő nyomon követésére. Különösen az agyi véráramlás és oxigénellátás változásai adnak lehetőséget az aktív agyterületek valós időben történő feltérképezésére. Ám mivel az e célra készített és napjainkban is használatos funkcionális mágneses rezonanciás képalkotó (fMRI) berendezések túl nagyok, drágák és lassúak ahhoz, hogy egy BMI-t irányíthassanak, a fejlesztés újabban további irányokba ágazott el. A funkcionális közeli infravörös tartományú spektroszkópia (fNIRS) például ígéretes alternatívának tűnik.

Érzetek kiváltása és a beszéd visszaadása

Ezzel párhuzamosan az invazív eszközök fejlesztése is keresi az utat a jövőbeni gyakorlati alkalmazás felé. Az elektródoknak az agykéreg felszínén történő elhelyezésével kétségtelenül nagyobb térbeli felbontású, tehát jobban lokalizálható, jobb minőségű és magasabb frekvenciájú jelek vezethetők el. Elképzelhető, hogy az ECoG-jelek segítségével a végtagprotézisek finomabb irányítására nyílik majd mód. Ehhez azonban számos nagyon apró elektród egymáshoz közeli és precíziós elhelyezésére lesz szükség. A megoldást az egymástól pár száz mikrométerre elhelyezett nagyszámú mikroelektródból álló integrált érzékelők jelenthetik. S mivel ezek a berendezések a test belsejében kerülnek majd elhelyezésre, az anyagok kiválasztásánál mindvégig figyelembe kell venni a biokompatibilitási (test-összeférhetőségi) és biztonságossági szempontokat.

Az invazív eszközök fejlesztésének egyik fő csapásiránya szintén a művégtagok irányítása, ám ebben az esetben a technológia felveti az agy stimulálásának, ezáltal az érzetek közvetítésének lehetőségét is. Az agykéreggel érintkező mikroelektródok képesek lehetnek az idegsejtek kiválasztott, kis populációinak szelektív ingerlésére, így körülírható érzetek kiváltására. A fejlesztés további, speciális és igen komplex iránya a beszéd képességének visszaadása a beszédképző szerveket – az ajkakat, a szájpadlást, a nyelvet – irányító agyi területek ingerlésével. Azonban tudásunk a beszédet létrehozó agyi központok szerveződéséről – például a kimondani kívánt szavakat a hangképző izmokkal összekötő útról – egyelőre nagyon hézagos. Az ismereteink gazdagítására azonban bőven van idő, hiszen a beültethető elektródok a nem invazív eszközöknél jóval súlyosabb biztonságossági és etikai kérdéseket vetnek fel, így e technológia úgyis jó ideig kísérleti stádiumban marad még.

Amiért a jelentősebb biztonsági kockázatok ellenére mégis érdemes nagy erőket fektetni a beültethető elektródok kutatásába, az a segítségükkel rögzíthető agyi elektromos jelek összehasonlíthatatlanul nagyobb információtartalma. Az integrált mikroelektródok segítségével egyszerre seregnyi idegsejt egyedi aktivitása rögzíthető, és ilyen mikroelektród-panelből akár több is elhelyezhető lehet a mozgástervezésben, mozgáskivitelezésben és érzékelésben részt vevő kritikus agyterületeken. Az agyfelszíntől számított 0,5-2 mm mélységben elhelyezett elektródok az agykéreg felsőbb rétegeinek idegsejtjeiből idegsejt-kisüléseket (akciós potenciálokat) és ún. helyi mezőpotenciálokat (egymás szomszédságában fekvő idegsejtek nyúlványainak összeadódó aktivitását) egyaránt elvezethetnek. Mivel az így nyert információ jóval pontosabb képet ad az egyes idegsejtek egyedi működéséről, a beültetett mikroelektródok az EEG- és ECoG-alapú BMI-rendszereknél nagyobb pontosságot és magasabb funkcionalitást ígérnek.