ενημέρωση 3:20, 17 October, 2019

Συνδέοντας εγκέφαλο με υπολογιστή

Tα Cyborgs (σσ. Σάιμποργκ), υβριδικοί οργανισμοί κατασκευασμένοι από βιολογικούς ιστούς, μηχανικά και ψηφιακά μέρη, αποτελούν μια από τις κλασικότερες αναφορές στο σύμπαν της επιστημονικής φαντασίας. Ταινίες όπως το εμβληματικό «Blade Runner», το «RoboCop» και ο«Εξολοθρευτής», έχουν στο επίκεντρό τους τα ηθικά όρια της τεχνολογίας, ειδικά όταν «μπερδεύεται» αξεδιάλυτα με βιολογικούς παράγοντες.

Όσο όμως τα φιλοσοφικά ερωτήματα παραμένουν αναπάντητα, η πραγματική ζωή συναγωνίζεται πλέον με αξιώσεις την επιστημονική φαντασία. Το πεδίο των διεπαφών εγκεφάλου - μηχανής (brain-machine interfaces - BMI) - οι οποίες χρησιμοποιούν ηλεκτρόδια, συνήθως εμφυτευμένα στον εγκέφαλο, για να μεταφράζουν πληροφορίες νευρώνων σε εντολές ικανές να ελέγχουν εξωτερικά συστήματα, όπως έναν υπολογιστή ή έναν ρομποτικό βραχίονα, υπάρχουν εδώ και αρκετό καιρό. Μάλιστα, η εταιρεία Neuralink της επιχειρηματικής αυτοκρατορίας του Ελον Μασκ, θέλει να δοκιμάσει τα συστήματα BMI σε ασθενείς έως το τέλος του 2020.

Μακροπρόθεσμα, οι συσκευές ΒΜΙ μπορούν να βοηθήσουν στην παρακολούθηση και αντιμετώπιση των συμπτωμάτων των νευρολογικών διαταραχών και στον έλεγχο των τεχνητών άκρων. Θα μπορούσαν επίσης να βοηθήσουν στον σχεδιασμό Τεχνητής Νοημοσύνης, καθώς και να επιτρέψουν άμεση επικοινωνία από εγκέφαλο σε εγκέφαλο.

Ωστόσο, όπως σχολιάζει το Τhe Conversation, προς το παρόν, η κύρια πρόκληση είναι να αναπτυχθούν ΒΜΙ που να μην καταστρέφουν εγκεφαλικό ιστό και κύτταρα κατά τη διάρκεια της εμφύτευσης και της λειτουργίας τους.

Οι ΒΜΙ υπάρχουν εδώ και πάνω από μία δεκαετία, βοηθώντας ανθρώπους που έχασαν την ικανότητα να ελέγχουν τα άκρα τους, για παράδειγμα. Ωστόσο, τα συμβατικά εμφυτεύματα - συχνά φτιαγμένα από πυρίτιο - είναι πιο σκληρά από τον πραγματικό εγκεφαλικό ιστό, γεγονός που οδηγεί σε «θολές» εντολές και εγκεφαλικές εγγραφές και σε βλάβες στον περιβάλλοντα εγκεφαλικό ιστό. Μπορούν επίσης να οδηγήσουν τον εγκέφαλο να απορρίψει το εμφύτευμα. Αυτό συμβαίνει επειδή ο ανθρώπινος εγκέφαλός είναι σαν φρούριο και το νευρο-ανοσοποιητικό σύστημα, όπως οι στρατιώτες σε αυτό το κλειστό φρούριο, θα προστατεύσει τους νευρώνες (κύτταρα εγκεφάλου) από εισβολείς, όπως παθογόνα ή BMI.

Ευέλικτες συσκευές

Για να αποφευχθούν οι βλάβες και οι ανοσολογικές αντιδράσεις, οι ερευνητές επικεντρώνονται ολοένα και περισσότερο στην ανάπτυξη του λεγόμενου «ευέλικτου BMI». Αυτά είναι πολύ πιο μαλακά από τα εμφυτεύματα πυριτίου και παρόμοια με τον πραγματικό εγκεφαλικό ιστό.

Για παράδειγμα, η Neuralink κατασκεύασε τα πρώτα ευέλικτα «νήματα», τα οποία είναι πολύ πιο εύκαμπτα από τα προηγούμενα εμφυτεύματα, για να συνδέσουν έναν ανθρώπινο εγκέφαλο απευθείας με έναν υπολογιστή. Σχεδιάστηκαν για να ελαχιστοποιούν την πιθανότητα της ανοσολογικής αντίδρασης του εγκεφάλου να απορρίπτει τα ηλεκτρόδια μετά την εισαγωγή τους και κατά τη διάρκεια της χειρουργικής επέμβασης στον εγκέφαλο.

Παράλληλα, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ σχεδίασαν πρόσφατα ένα μίνι πλέγμα το οποίο μοιάζει τόσο πολύ με τους πραγματικούς νευρώνες, ώστε ο εγκέφαλος δεν μπορεί να εντοπίσει την «απάτη». Αυτά τα εμπνευσμένα από τη βιολογία ηλεκτρονικά στοιχεία αποτελούνται από ηλεκτρόδια λευκόχρυσου και εξαιρετικά λεπτά χρυσά σύρματα ενθυλακωμένα σε ένα πολυμερές σε μέγεθος και ευκαμψία παρόμοιο με το σώμα των νευρωνικών κυττάρων και τις νευρικές ίνες.

Έρευνες σε τρωκτικά έδειξαν ότι αυτού του τύπου οι νευρώνες δεν προκαλούν διαδικασίες απόρριψης όταν εισάγονται στον εγκέφαλο.

Οι περισσότερες BMI που χρησιμοποιούνται σήμερα λαμβάνουν ηλεκτρικά εγκεφαλικά σήματα που «τρέχουν» έξω από τους νευρώνες. Εάν παρομοιάσουμε το νευρικό σήμα σαν τον ήχο που παράγεται μέσα σε ένα δωμάτιο, ο σημερινός τρόπος εντολής είναι να ακούσουμε τον ήχο έξω από το δωμάτιο. Δυστυχώς, η ένταση του σήματος μειώνεται σε μεγάλο βαθμό από φιλτράρισμα του τοιχώματος που προκαλούν οι μεμβράνες των νευρώνων.

Για να επιτευχθούν οι ακριβέστερες λειτουργικές «αναγνώσεις» προκειμένου να υπάρξει έλεγχος, για παράδειγμα, σε τεχνητά άκρα, οι ηλεκτρονικές συσκευές εντολών πρέπει να αποκτήσουν άμεση πρόσβαση στο εσωτερικό των νευρώνων. Η ευρύτερα χρησιμοποιούμενη συμβατική μέθοδος για αυτή την ενδοκυτταρική καταγραφή είναι το «ηλεκτρόδιο σφιγκτήρας»: Ένας κοίλος γυάλινος σωλήνας γεμάτος με ένα διάλυμα ηλεκτρολύτη και ένα ηλεκτρόδιο καταγραφής που έρχεται σε επαφή με τη μεμβράνη ενός απομονωμένου κυττάρου.

Όμως, ένα άκρο αυτής της συσκευής με μέγεθος μικρόμετρου (σσ. μονάδα μήκους ίση με το εκατομμυριοστό του μέτρου) μπορεί να προκαλέσει μη αναστρέψιμη βλάβη στα κύτταρα. Επιπλέον, μπορεί να εγγράψει μόνο μερικά κύτταρα κάθε φορά.

Για την αντιμετώπιση αυτών των προβλημάτων, αναπτύχθηκε πρόσφατα μια τρισδιάστατη συστοιχία νανοκρυστάλλων και την χρησιμοποιούμε για να διαβάσουμε τις ενδοκυτταρικές ηλεκτρικές δραστηριότητες από πολλούς νευρώνες. Είναι εξαιρετικά λεπτοί και εύκαμπτοι. Αν ένας νευρώνας είχε το μέγεθος ενός δωματίου, αυτοί οι διαβιβαστές θα είχαν μέγεθος περίπου μιας κλειδαριάς πόρτας.

Επικαλυμμένα με μια ουσία που μιμείται την αίσθηση μιας κυτταρικής μεμβράνης, αυτοί οι εξαιρετικά μικροί, εύκαμπτοι ανιχνευτές νανοσωματιδίων μπορούν να διασχίσουν τις κυτταρικές μεμβράνες με ελάχιστη προσπάθεια και να μεταφέρουν τις εγκεφαλικές εντολές με εξαιρετική ακρίβεια και ταχύτητα.

Αναγκαίο «κακό»;

Στο μεταξύ, η διεπαφή εγκεφάλου - υπολογιστή αποκτά όλο και πιο καθημερινή χρηστικότητα. Πρόσφατα, ερευνητές στις ΗΠΑ δημιπυργησαν το πρώτο σύστημα που μπορεί να μεταφράσει τα εγκεφαλικά σήματα της σκέψης απευθείας σε καθαρή και κατανοητή συνθετική ομιλία από υπολογιστή.

Το επίτευγμα αποτελεί σημαντικό βήμα προόδου για τη δημιουργία τεχνολογίας που θα διαβάζει το μυαλό των ανθρώπων και ειδικότερα για την ανάπτυξη νευροπροσθετικών συσκευών διεπαφής εγκεφάλου-υπολογιστή, που θα επιτρέψουν σε ανθρώπους με περιορισμένη ή χωρίς καθόλου ικανότητα ομιλίας, να επικοινωνήσουν με άλλους μέσω τεχνητής φωνής.

Αναλόγως, η έρευνα βρίσκεται πολύκοντά στη δημιυοργία ακόμη και «εγκεφαλικού τηλεκοντρόλ»  για ανθρώπους με σοβαρές κινητικές δυσκολίες, όπως οι τετραπληγικοί, οι οποίοι θα πρέπει να φορούν στο κεφάλι τους μια νευροπροσθετική «κάσκα» με 64 ηλεκτρονικούς αισθητήρες και μια συσκευή καταγραφής της κίνησης των ματιών τους. Η κάσκα συνδέεται με έναν υπολογιστή και αυτός με την τηλεόραση.

Το σύστημα, που χρησιμοποιεί μια διεπαφή εγκεφάλου-υπολογιστή, προκειμένου να μετατρέψει - με τη βοήθεια λογισμικού τεχνητής νοημοσύνης-  τις σκέψεις του χρήστη σε ηλεκτρονικές εντολές προς την τηλεόραση.

Μπορεί να ακούγεται λίγο τρομακτικό αλλά, τελικά, αν θέλουμε να θεραπεύουμε ασθένειες και να ζούμε περισσότερο και ποιοτικότερα, μια ελάχιστα επεμβατική διασταύρωση μεταξύ ανθρώπων και μηχανών μοιάζει να είναι αναπόφευκτη.

Τελευταία τροποποίηση στιςΤρίτη, 10 Σεπτεμβρίου 2019 11:50

Προσθήκη σχολίου

Βεβαιωθείτε ότι εισάγετε τις (*) απαιτούμενες πληροφορίες, όπου ενδείκνυται. Ο κώδικας HTML δεν επιτρέπεται.