James Johnson doufá, že jednoho dne bude zase řídit auto. Pokud ano, udělá to pouze pomocí svých myšlenek.
V březnu 2017 si Johnson zlomil vaz při nehodě na motokárách, takže byl téměř úplně paralyzován pod rameny. Rozuměl své nové realitě lépe než ostatní. Po desetiletí pečoval o lidi s paralýzou. "Byla tam hluboká deprese," říká. "Myslel jsem, že když se mi to stalo, nebylo nic - nic, co bych mohl udělat nebo dát."
Potom jej Johnsonův rehabilitační tým představil výzkumníkům z nedalekého California Institute of Technology (Caltech) v Pasadeně, kteří ho pozvali, aby se připojil ke klinickému testu rozhraní mozek-počítač (BCI). To by nejprve znamenalo neurochirurgii k implantaci dvou mřížek elektrod do jeho kůry. Tyto elektrody by zaznamenávaly neurony v jeho mozku, jak vystřelují, a výzkumníci by pomocí algoritmů dekódovali jeho myšlenky a záměry. Systém by pak využil Johnsonovu mozkovou aktivitu k ovládání počítačových aplikací nebo k pohybu protetického zařízení. Celkově vzato by to trvalo roky a vyžadovalo by to stovky intenzivních tréninků. "Opravdu jsem neváhal," říká Johnson.
Když Johnson poprvé použil svůj BCI, implantovaný v listopadu 2018, pohyboval kurzorem po obrazovce počítače. "Připadalo mi to jako Matrix," říká. "Připojili jsme se k počítači a ejhle, dokázal jsem pohybovat kurzorem pouhým přemýšlením."
Johnson od té doby používá BCI k ovládání robotické paže, používání softwaru Photoshop, hraní videoher typu „střílečka“ a nyní k řízení simulovaného auta ve virtuálním prostředí, ke změně rychlosti, řízení a reakcí na nebezpečí. "Vždy jsem ohromen tím, co jsme schopni udělat," říká, "a je to zatraceně úžasné."
Johnson je jedním z odhadovaných 35 lidí, kterým byl BCI dlouhodobě implantován do mozku. Takový výzkum provádí jen asi tucet laboratoří, ale toto číslo roste. A za posledních pět let se rozsah dovedností, které tato zařízení mohou obnovit, nesmírně rozšířil. Jen v loňském roce vědci popsali účastníka studie pomocí robotické paže, která mohla posílat senzorickou zpětnou vazbu přímo do jeho mozku1; protetická řečová pomůcka pro někoho, kdo nemůže mluvit mrtvicí2; a člověk schopný komunikovat rekordní rychlostí tím, že si představuje, jak píše rukou3.
Doposud byla velká většina implantátů pro dlouhodobý záznam z jednotlivých neuronů vyrobena jedinou společností: Blackrock Neurotech, vývojář lékařských zařízení se sídlem v Salt Lake City v Utahu. V posledních sedmi letech však komerční zájem o BCI prudce vzrostl. Nejpozoruhodnější je, že v roce 2016 spustil podnikatel Elon Musk Neuralink v San Franciscu v Kalifornii s cílem propojit lidi a počítače. Společnost získala 363 milionů USD. V loňském roce také Blackrock Neurotech a několik dalších novějších společností BCI získaly významnou finanční podporu.
Uvedení BCI na trh si však vyžádá přeměnu technologie na míru, prověřené pouze malým počtem lidí, na produkt, který lze vyrábět, implantovat a používat ve velkém. Rozsáhlé zkoušky budou muset prokázat, že BCI mohou fungovat v nevýzkumných prostředích a prokazatelně zlepšit každodenní život uživatelů – za ceny, které trh může podporovat. Časová osa dosažení tohoto všeho je nejistá, ale pole je býčí. "Po tisíce let jsme hledali způsob, jak vyléčit lidi s paralýzou," říká Matt Angle, zakládající výkonný ředitel Paradromics, neurotechnologické společnosti v Austinu v Texasu. "Nyní jsme vlastně na špici technologií, které můžeme pro tyto věci využít."
Evoluce rozhraní
V červnu 2004 výzkumníci vtlačili mřížku elektrod do motorického kortexu muže, který byl paralyzován bodnutím. Byl prvním člověkem, který dostal dlouhodobý BCI implantát. Stejně jako většina lidí, kteří od té doby obdrželi BCI, jeho poznání bylo neporušené. Dovedl si představit pohyb, ale ztratil nervové dráhy mezi motorickou kůrou a svaly. Po desetiletích práce v mnoha laboratořích na opicích se vědci naučili dekódovat pohyby zvířat ze záznamů aktivity v motorické kůře v reálném čase. Nyní doufali, že vyvodí představované pohyby člověka z mozkové aktivity ve stejné oblasti.
V roce 2006 významný dokument4 popisoval, jak se muž naučil pohybovat kurzorem po obrazovce počítače, ovládat televizi a používat robotické paže a ruce pouhým myšlením. Studii vedl Leigh Hochberg, neurolog a neurolog kritické péče z Brown University v Providence na Rhode Islandu a z Massachusetts General Hospital v Bostonu. Jednalo se o první z multicentrické sady testů s názvem BrainGate, která pokračuje dodnes.
„Byla to velmi jednoduchá, primitivní demonstrace,“ říká Hochberg. "Pohyby byly pomalé nebo nepřesné - nebo obojí." Ale ukázalo se, že by mohlo být možné nahrávat z kůry někoho, kdo se nemohl hýbat, a umožnit této osobě ovládat externí zařízení.
Dnešní uživatelé BCI mají mnohem jemnější kontrolu a přístup k širší škále dovedností. Částečně je to proto, že výzkumníci začali implantovat více BCI do různých oblastí mozku uživatele a vymysleli nové způsoby, jak identifikovat užitečné signály. Hochberg ale říká, že největší podporu přineslo strojové učení, které zlepšilo schopnost dekódovat nervovou aktivitu. Spíše než se snažit porozumět tomu, co vzorce aktivity znamenají, strojové učení jednoduše identifikuje a spojuje vzorce se záměrem uživatele.
„Máme nervové informace; víme, co se ten člověk, který generuje neurální data, pokouší udělat; a žádáme algoritmy, aby vytvořily mapu mezi těmito dvěma,“ říká Hochberg. "Ukazuje se, že je to pozoruhodně výkonná technika."
Nezávislost na motoru
Na otázku, co chtějí od asistenční neurotechnologie, lidé s paralýzou nejčastěji odpovídají „nezávislost“. Pro lidi, kteří nejsou schopni hýbat končetinami, to obvykle znamená obnovení pohybu.
Jedním z přístupů je implantace elektrod, které přímo stimulují svaly vlastních končetin člověka a BCI je přímo řídí. „Pokud dokážete zachytit nativní kortikální signály související s ovládáním pohybů rukou, můžete v podstatě obejít poranění míchy a přejít přímo z mozku do periferie,“ říká Bolu Ajiboye, neurolog z Case Western Reserve University v Clevelandu, Ohio.
V roce 2017 Ajiboye a jeho kolegové popsali účastníka, který tento systém používal k provádění složitých pohybů paží, včetně pití šálku kávy a krmení5. „Když poprvé začal se studií,“ říká Ajiboye, „musel velmi tvrdě přemýšlet o tom, jak se jeho paže pohybuje z bodu A do bodu B. Ale jak získával další trénink, mohl jen přemýšlet o pohybu paží a ona se pohnula. “ Účastník také znovu získal pocit vlastnictví paže.
Zařízení pro čtení myšlenek, která mohou uvolnit ochrnuté svaly
Ajiboye nyní rozšiřuje repertoár příkazových signálů, které jeho systém dokáže dekódovat, jako jsou signály pro sílu úchopu. Chce také poskytnout uživatelům BCI pocit dotyku, což je cíl, který sleduje několik laboratoří.
V roce 2015 oznámil tým vedený neurologem Robertem Gauntem z Pittsburghské univerzity v Pensylvánii implantaci pole elektrod do oblasti ruky somatosenzorického kortexu člověka, kde se zpracovávají dotykové informace6. Když použili elektrody ke stimulaci neuronů, cítil člověk něco podobného dotyku.
Gaunt se poté spojil s kolegyní z Pittsburghu Jennifer Collingerovou, neurovědkyní, která prosazuje ovládání robotických paží pomocí BCI. Společně vytvořili robotické rameno s tlakovými senzory zabudovanými v jeho konečcích prstů, které se přiváděly do elektrod implantovaných do somatosenzorického kortexu, aby vyvolaly syntetický pocit dotyku1. Nebyl to úplně přirozený pocit – někdy to bylo jako tlak nebo popohánění, jindy to bylo spíš jako bzučení, vysvětluje Gaunt. Nicméně díky hmatové zpětné vazbě je používání protézy mnohem přirozenější a doba potřebná k zachycení předmětu se zkrátila na polovinu, ze zhruba 20 sekund na 10.
Implementace polí do oblastí mozku, které mají různé role, může dodat nuanci pohybu jinými způsoby. Neurovědec Richard Andersen – který vede studii na Caltech, které se Johnson účastní – se snaží dekódovat abstraktnější cíle uživatelů pomocí klepnutí na zadní parietální kůru (PPC), která tvoří záměr nebo plán přesunu7 . To znamená, že by to mohlo zakódovat myšlenku „chci se napít“, zatímco motorická kůra nasměruje ruku na kávu a poté kávu přinese do úst.
Andersenova skupina zkoumá, jak tento duální vstup napomáhá výkonu BCI, přičemž kontrastuje s použitím dvou kortikálních oblastí samostatně nebo společně. Nepublikované výsledky ukazují, že Johnsonovy záměry mohou být v PPC dekódovány rychleji, „v souladu s kódováním cíle hnutí“, říká Tyson Aflalo, vedoucí výzkumník v Andersenově laboratoři. Aktivita motorické kůry naopak trvá během celého pohybu, říká, „učiní trajektorii méně nervózní“.
Tento nový typ neurálního vstupu pomáhá Johnsonovi a dalším rozšířit to, co mohou dělat. Johnson používá řidičský simulátor a další účastník může hrát na virtuální piano pomocí svého BCI.
Posun ke smyslu
„Jedním z nejničivějších důsledků souvisejících s poraněním mozku je ztráta schopnosti komunikovat,“ říká Edward Chang, neurochirurg a neurovědec Kalifornská univerzita, San Francisco. V raných fázích práce s BCI mohli účastníci pohybovat kurzorem po obrazovce počítače tak, že si představovali, jak se jejich ruka pohybuje, a poté si představovali, jak uchopují a „klikají“ písmena – což nabízí způsob, jak dosáhnout komunikace. V poslední době však Chang a další udělali rychlý pokrok tím, že se zaměřili na hnutí, která lidé přirozeně používají k vyjádření sebe sama.
Berch pro komunikaci pomocí ovládání kurzoru – zhruba 40 znaků za minutu8 – byl stanoven v roce 2017 týmem vedeným Krishna Shenoy, neurovědcem ze Stanfordské univerzity v Kalifornii.
V loňském roce pak tato skupina oznámila3 přístup, který umožnil účastníkovi studie Dennisi Degrayovi, který může mluvit, ale je ochrnutý od krku dolů, zdvojnásobit tempo.
Shenoyův kolega Frank Willett navrhl Degrayovi, aby si představil rukopis, zatímco budou nahrávat z jeho motorické kůry (viz „Přeměna myšlenek na typ“). Systém se někdy snažil analyzovat signály týkající se písmen, která jsou psána rukou podobným způsobem, jako je r, n a h, ale obecně dokázal písmena snadno rozlišit. Dekódovací algoritmy byly ve výchozím stavu 95% přesné, ale při automatické korekci pomocí statistických jazykových modelů, které jsou podobné prediktivnímu textu v chytrých telefonech, to vyskočilo na 99 %.
„Můžete dekódovat opravdu rychlé, velmi jemné pohyby,“ říká Shenoy, „a zvládnete to rychlostí 90 znaků za minutu.“
Degray má funkční BCI v mozku téměř 6 let a je veteránem 18 studií provedených Shenoyovou skupinou. Říká, že je pozoruhodné, jak snadné jsou úkoly. Přirovnává tento proces k učení se plavat, když říká: „Zpočátku se hodně mlátíš, ale najednou je všechno srozumitelné.“
Neurální rozhraní převádí myšlenky na typ
Changův přístup k obnově komunikace se zaměřuje spíše na mluvení než na psaní, i když používá podobný princip. Stejně jako písmo je tvořeno odlišnými písmeny, řeč je tvořena samostatnými jednotkami nazývanými fonémy nebo jednotlivé zvuky. V angličtině je kolem 50 fonémů a každý je vytvořen stereotypním pohybem vokálního traktu, jazyka a rtů.
Changova skupina nejprve pracovala na charakterizaci části mozku, která generuje fonémy, a tím i řeč – špatně definovanou oblast zvanou dorzální laryngeální kortex. Poté vědci použili tyto poznatky k vytvoření systému dekódování řeči, který zobrazil zamýšlenou řeč uživatele jako text na obrazovce. Minulý rok uvedli2, že toto zařízení umožnilo komunikovat lidem, kteří nebyli schopni mluvit v důsledku mozkové mrtvice, a to pomocí předem zvolené slovní zásoby 50 slov a rychlostí 15 slov za minutu. „Nejdůležitější věc, kterou jsme se naučili,“ říká Chang, „je to, že už to není teoretické; je skutečně možné dekódovat celá slova."
Na rozdíl od jiných průlomových objevů BCI, Chang nenahrával z jednotlivých neuronů. Místo toho použil elektrody umístěné na kortikálním povrchu, které detekují průměrnou aktivitu neuronových populací. Signály nejsou tak jemnozrnné jako signály z elektrod implantovaných do kortexu, ale přístup je méně invazivní.
K nejhlubší ztrátě komunikace dochází u lidí ve zcela uzamčeném stavu, kteří zůstávají při vědomí, ale nejsou schopni mluvit ani se pohybovat. V březnu tým zahrnující neurologa Ujwala Chaudharyho a další z univerzity v Tübingenu v Německu oznámil9 obnovení komunikace s mužem, který má amyotrofickou laterální sklerózu (ALS, neboli onemocnění motorických neuronů). Muž byl dříve při komunikaci odkázán na pohyby očí, postupně však ztratil schopnost pohybovat očima.
Tým výzkumníků získal od mužovy rodiny souhlas k implantaci BCI a pokusil se ho požádat, aby si představil pohyby, které by využívaly jeho mozkovou aktivitu k výběru písmen na obrazovce. Když to selhalo, zkusili zahrát zvuk, který napodoboval mužovu mozkovou aktivitu – vyšší tón pro větší aktivitu, nižší pro méně – a naučili ho modulovat svou nervovou aktivitu tak, aby zvýšil výšku tónu, aby signalizoval „ano“, a snížil to pro 'ne'. Toto uspořádání mu umožnilo vybrat si dopis asi každou minutu.
Metoda se liší od metody v článku10 zveřejněném v roce 2017, ve kterém Chaudhary a další použili neinvazivní techniku ke čtení mozkové aktivity. Byly vzneseny otázky ohledně práce a papír byl stažen, ale Chaudhary si za tím stojí.
Tyto případové studie naznačují, že pole rychle dospívá, říká Amy Orsbornová, která na Washingtonské univerzitě v Seattlu zkoumá BCI u subhumánních primátů. "Došlo ke znatelnému nárůstu jak v počtu klinických studií, tak i skoků, které dělají v klinickém prostoru," říká. "Co s tím přichází, je průmyslový zájem."
Laborator to market
Ačkoli tyto úspěchy přitáhly pozornost médií a investorů, tato oblast má ještě daleko ke zlepšení každodenního života lidé, kteří ztratili schopnost se pohybovat nebo mluvit. V současné době účastníci studie obsluhují BCI v krátkých, intenzivních sezeních; téměř všechny musí být fyzicky propojeny s bankou počítačů a pod dohledem týmu vědců, kteří neustále pracují na zdokonalování a rekalibraci dekodérů a souvisejícího softwaru. "To, co chci," říká Hochberg jako neurolog pro kritickou péči, "je přístroj, který je dostupný, který lze předepsat, který je ‚z regálu‘ a lze jej rychle použít." Taková zařízení by navíc uživatelům v ideálním případě vydržela celý život.
Jak revoluční technika postavila lidi s poraněním míchy zpět na nohy
Mnoho předních akademiků nyní spolupracuje se společnostmi na vývoji prodejných zařízení. Chaudhary naproti tomu spoluzaložil neziskovou společnost ALS Voice v Tübingenu, která má vyvíjet neurotechnologie pro lidi ve zcela uzamčeném stavu.
Stávající zařízení společnosti Blackrock Neurotech jsou základem klinického výzkumu již 18 let a podle předsedy Floriana Solzbachera chce do jednoho roku uvést na trh systém BCI. Společnost byla o krok blíže loni v listopadu, kdy americký Úřad pro kontrolu potravin a léčiv (FDA), který reguluje zdravotnické prostředky, zařadil produkty společnosti do zrychleného procesu přezkoumání, aby usnadnil jejich komerční vývoj.
Tento možný první produkt by používal čtyři implantovaná pole a pomocí drátů by se připojoval k miniaturizovanému zařízení, o kterém Solzbacher doufá, že ukáže, jak lze zlepšit životy lidí. "Nemluvíme o 5, 10 nebo 30% zlepšení účinnosti," říká. "Lidé mohou dělat něco, co dříve nemohli."
Blackrock Neurotech také vyvíjí plně implantabilní bezdrátovou BCI, která má být snadněji použitelná a odstraňuje potřebu mít port v lebce uživatele. Neuralink a Paradromics si kladly za cíl mít tyto funkce od počátku v zařízeních, která vyvíjejí.
Tyto dvě společnosti se také zaměřují na zvýšení šířky pásma signálu, což by mělo zlepšit výkon zařízení, zvýšením počtu zaznamenaných neuronů. Rozhraní Paradromics – aktuálně testované na ovcích – má 1 600 kanálů rozdělených mezi 4 moduly.
Systém Neuralink používá velmi jemné, flexibilní elektrody, nazývané vlákna, které jsou navrženy tak, aby se ohýbaly s mozkem a omezovaly imunitní reakce, říká Shenoy, který je konzultantem a poradcem společnosti. Cílem je, aby zařízení bylo odolnější a nahrávky stabilnější. Neuralink nezveřejnil žádné recenzované články, ale blogový příspěvek z roku 2021 oznámil úspěšnou implantaci vláken do mozku opice pro záznam na 1024 místech (viz go.nature.com/3jt71yq). Akademici by rádi viděli technologii zveřejněnou k úplnému prozkoumání a Neuralink zatím svůj systém vyzkoušel pouze na zvířatech. Ale Ajiboye říká: "Pokud je to, co tvrdí, pravda, je to změna hry."
Jen jedna další společnost kromě Blackrock Neurotech implantovala BCI dlouhodobě lidem – a může se ukázat jako snazší prodej než jiná pole. Společnost Synchron v New Yorku vyvinula „stentrodu“ – sadu 16 elektrod vytvořených kolem cévního stentu11. Toto zařízení je nasazeno za den v ambulantním prostředí a je provlečeno jugulární žílou do žíly na vrcholu motorické kůry. Tato technologie byla poprvé implantována osobě s ALS v srpnu 2019 a o rok později byla FDA uvedena na cestu rychlého přezkumu.
Podobně jako u elektrod, které Chang používá, stentroda postrádá rozlišení jiných implantátů, takže ji nelze použít k ovládání složité protetiky. Ale umožňuje lidem, kteří se nemohou pohybovat nebo mluvit, ovládat kurzor na počítačovém tabletu, a tak posílat textové zprávy, surfovat po internetu a ovládat připojené technologie.
Spoluzakladatel společnosti Synchron, neurolog Thomas Oxley, říká, že společnost nyní předkládá k publikaci výsledky čtyřčlenné studie proveditelnosti, ve které účastníci používali bezdrátové zařízení doma, kdykoli se jim to líbilo. „Nic z těla nevyčnívá. A vždy to funguje,“ říká Oxley. Dalším krokem před podáním žádosti o schválení FDA je podle něj rozsáhlá zkouška, která má posoudit, zda zařízení smysluplně zlepšuje funkčnost a kvalitu života.
Výzvy před námi
Většina výzkumníků pracujících na BCI je realistická ohledně výzev, které před nimi stojí. "Pokud uděláte krok zpět, je to opravdu komplikovanější než jakékoli jiné neurologické zařízení, které kdy bylo vyrobeno," říká Shenoy. "Pravděpodobně budou trvat roky těžkého růstu, než technologie ještě více dospějí."
Etika rozhraní mozek-počítač
Orsborn zdůrazňuje, že komerční zařízení budou muset měsíce nebo roky fungovat bez odborného dohledu – a že musí fungovat stejně dobře u každého uživatele. Očekává, že pokrok ve strojovém učení vyřeší první problém tím, že uživatelům poskytne rekalibrační kroky k implementaci. Dosažení konzistentního výkonu mezi uživateli však může představovat větší výzvu.
„Variabilita od člověka k člověku je ta, kde si myslím, že nevíme, jaký je rozsah problému,“ říká Orsborn. U subhumánních primátů mohou i malé odchylky v umístění elektrod ovlivnit, které obvody jsou připojeny. Má podezření, že existují také důležité zvláštnosti v tom, jak různí jednotlivci myslí a učí se – a jak byly mozky uživatelů ovlivněny jejich různými podmínkami.
V neposlední řadě se všeobecně uznává, že etický dohled musí držet krok s touto rychle se vyvíjející technologií. BCI představují řadu problémů, od soukromí po osobní autonomii. Etikové zdůrazňují, že uživatelé si musí zachovat plnou kontrolu nad výstupy zařízení. A přestože současné technologie nedokážou dekódovat soukromé myšlenky lidí, vývojáři budou mít záznamy o každé komunikaci uživatelů a zásadní údaje o zdraví jejich mozku. BCI navíc představují nový typ rizika kybernetické bezpečnosti.
Účastníkům také hrozí, že jejich zařízení nebudou podporována navždy nebo že společnosti, které je vyrábějí, se rozloží. Existují již případy, kdy byli uživatelé zklamáni, když jejich implantovaná zařízení zůstala bez podpory.
Degray však dychtí po tom, aby BCI oslovily více lidí. Co by si od asistenční technologie nejvíce přál, je umět se podrbat na obočí, říká. „Všichni se na mě v křesle dívají a vždycky říkají: ‚Ach, ten chudák, už nemůže hrát golf.‘ To je špatné. Ale skutečný děs je uprostřed noci, když vám po tváři projde pavouk. To je ta špatná věc."
Pro Johnsona jde o lidské spojení a hmatovou zpětnou vazbu; objetí od milovaného člověka. "Pokud se nám někdy v budoucnu podaří zmapovat neurony, které jsou za to zodpovědné, a nějakým způsobem to přefiltrovat do protetického zařízení, pak budu se svým úsilím v těchto studiích spokojen."
