Całkowita tetraplegia to straszna diagnoza. To tylko trochę lepsze niż wyrok śmierci. Stan ten, często spowodowany poważnym uszkodzeniem rdzenia kręgowego lub chorobami takimi jak stwardnienie zanikowe boczne (ALS), powoduje całkowity paraliż fizyczny od szyi w dół. Pacjenci stają się całkowicie zależni od innych. Tracą zdolność mówienia i poruszania się. Izolacja staje się głęboka. Przyzwyczailiśmy się, że chodzenie z pokoju do pokoju jest czymś oczywistym. Dla osoby z tetraplegią całkowitą ta prosta czynność wymaga obecności drugiej osoby.
Wyobraź sobie, że sparaliżowana osoba mogłaby sterować elektrycznym wózkiem inwalidzkim, używając wyłącznie swoich myśli. To już nie jest fantastyka naukowa. Polega to na całkowitym ominięciu uszkodzonych nerwów. Takie technologie otwierają drogę do niezależności. Obiecują także przywrócić mowę tym, którzy ją utracili. Przyjrzymy się, jak konkretna firma przekształca to „co jeśli” w rzeczywistość.
Neurobiologia ruchu
Każde działanie fizyczne zaczyna się w mózgu. Neurony generują maleńkie sygnały elektryczne. Sygnały te przemieszczają się wzdłuż aksonów i dendrytów. Przechodzą przez układ nerwowy. Kiedy neurony ruchowe dotrą do pożądanej części ciała, aktywują mięśnie. Akcja się dzieje.
Prawie każdy sygnał przechodzi przez wiązkę nerwów w rdzeniu kręgowym. Jeśli rdzeń kręgowy zostanie przecięty lub poważnie uszkodzony, połączenie zostaje zerwane. Sygnały nie mogą dotrzeć do celu. W chorobach nerwowo-mięśniowych neurony ruchowe ulegają degeneracji. Mózg nadal wysyła polecenia. Organizm nie jest w stanie ich wprawić w ruch. Połączenie zostało zerwane.
Rozwiązanie tego problemu wymaga przechwytywania sygnałów zanim dotrą do przerwy. Na tym polega podstawowa logika wózków inwalidzkich sterowanych myślami.
Rozwiązanie Stephena Hawkinga
Stephen Hawking jest znanym przykładem. Ten fizyk ma ALS. Prawie całkowicie stracił kontrolę nad swoimi mięśniami. Jednak nadal może nacisnąć przycisk prawą ręką. Do obsługi jego wózka inwalidzkiego używany jest ten przycisk. Ikony są wyświetlane na ekranie. Wybiera je poprzez synchronizację naciśnięcia przycisku z ruchem kursora nad żądaną opcją.
System ten steruje jego wózkiem inwalidzkim. Otwiera drzwi. Zawiera sprzęt AGD. Generuje także mowę. Alfabet zostanie wyświetlony na ekranie. Kursor przesuwa się nad literami. Naciska przycisk, aby wybrać każdą literę. Komputer składa propozycję. Wysyła wiadomość do syntezatora mowy wbudowanego w jego krzesło.
Wyróżnia go zdolność Hawkinga do poruszania jednym palcem. Większość osób z paraliżem w ogóle nie może wchodzić w interakcję z systemami sterowania. Są zamknięci we własnym ciele i nie mają możliwości przesyłania informacji. System Hawkinga jest obejściem tego problemu. Działa dzięki zachowanej przez niego kontroli nad konkretnymi mięśniami.
Następny krok: bezpośrednia kontrola neuronowa
Metoda Hawkinga robi wrażenie. Ale to nie jest ostateczne rozwiązanie. Polega na zachowaniu mięśni palców. A co z osobą, która nie ma już kontroli nad mięśniami? Nie może nacisnąć przycisku. Nie może poruszać okiem.
Celem jest bezpośrednie odczytanie intencji mózgu. Omija to uszkodzony rdzeń kręgowy lub zdegenerowane neurony. To całkowicie pomija zerwane połączenie. Urządzenie przechwytuje sygnał neuronowy. To przenosi go do zespołu. Wózek inwalidzki się porusza. Pojawi się kursor. Wybrano litery.
W tym miejscu technologia odbiega od systemu Hawkinga. Nie wymaga resztkowej funkcji silnika. Wymaga jedynie sprawnego mózgu. Sprzęt znajduje się na skórze głowy lub wewnątrz czaszki. Wychwytuje elektryczny szum myśli. Filtruje szum statyczny. Izoluje intencję.
Dlaczego jest to trudniejsze niż stworzenie prostego pilota? W mózgu panuje chaos. Miliony neuronów uruchamiają się jednocześnie. Oddzielenie konkretnego polecenia od szumu jest trudne. Algorytmy muszą uczyć się unikalnych wzorców neuronowych użytkownika. To wymaga czasu. Wymaga szkolenia. System dopasowuje się do mózgu użytkownika, a nie odwrotnie.
Poza ruchem: przywrócenie głosu
Ta sama technologia może przywrócić mowę. System Hawkinga generuje mowę z tekstu. Jest powolna. To mechaniczne. Bezpośrednie dekodowanie neuronowe może być szybsze. Potrafi uchwycić naturalny rytm mowy. W mózgu są obszary odpowiedzialne za wokalizację. Obszary te zapalają się według określonych wzorców, kiedy mówimy.
Dekodując te wzorce, komputer może zsyntetyzować mowę, która brzmi bardziej naturalnie. Potrafi naśladować intonację. Potrafi przekazać emocje. Dla osoby, która utraciła zdolność mówienia, jest to wyzwalające. To przywraca mu głos. To przywraca mu kontakt ze światem.
Barierą nie jest tylko sprzęt. To są dane. Potrzebujemy dużych zbiorów danych dotyczących aktywności neuronowej odwzorowanych na wywnioskowaną mowę. Musimy z dużą precyzją zmapować ośrodki językowe w mózgu. To tutaj laboratoria badawcze przesuwają granice tego, co jest możliwe. Rejestrują jednocześnie aktywność tysięcy neuronów. Wykorzystują uczenie maszynowe do dekodowania sygnałów.
Droga przed nami
Potencjał jest tutaj ogromny. Nie chodzi tylko o wózki inwalidzkie. Chodzi o niezależność. Chodzi o godność. Każda minuta, którą osoba spędza w zależności od drugiej osoby, jest minutą utraconej autonomii. Technologia przywracająca niezależność zmienia tę dynamikę.
Ale są przeszkody. Urządzenia drogowe. Wymagają konserwacji. Nie są jeszcze typu „plug and play” [IMG:0]
Ambient, firma stojąca za Audeo, została założona przez Michaela Callahana i Thomasa Colemana. Ich pierwotny cel był prosty, ale głęboki: dać głos osobom ze znacznym stopniem niepełnosprawności. Jednak na tym nie poprzestali. Rozszerzyli możliwości technologii, umożliwiając użytkownikom obsługę wózków inwalidzkich i interakcję z komputerami. Rezultatem jest system, który omija uszkodzone ciało i trafia bezpośrednio do intencji mózgu.
Nauka o mowie subwokalnej
Cała koncepcja opiera się na specyficznej cesze neurologicznej. Kiedy myślisz o mówieniu, Twój mózg wysyła sygnały do obszaru gardła. Nazywa się to mową subwokalną. Robisz to cały czas. Pomyśl o słowie, nie wypowiadając go na głos. Twój mózg nadal wysyła te same sygnały neuronów ruchowych. Zwykle rdzeń kręgowy przenosi je do jamy ustnej. Dla użytkowników systemu Audeo to połączenie jest zerwane. Rdzeń kręgowy jest uszkodzony lub mięśnie gardła nie działają. Sygnały docierają do danej lokalizacji, ale tam pozostają. Niewypowiedziane. Zamknięty.
Audeo je łapie.
Przechwytywanie sygnału
Sprzęt jest zwodniczo prosty. Lekki odbiornik umieszcza się na szyi użytkownika. Jest to szereg czujników umieszczonych tuż przy jabłku Adama. Działa jak elektroencefalograf (EEG), który odczytuje fale mózgowe przez skórę głowy. Ale Audeo jest bardziej bezpośrednie. Ponieważ jest przyczepiony do gardła, wyczuwa potencjały elektryczne specyficzne dla mowy. Drobne zmiany napięcia. Te same, które pojawiają się, gdy próbujesz w myślach powiedzieć „cześć”.
Czujniki te rejestrują aktywność. Szyfrują to. Następnie przesyłane bezprzewodowo do komputera. Komputer nie tylko słyszy hałas. On interpretuje. Zna wzory. Przekłada cichą intencję na działanie.
Od myśli do tekstu i ruchu
Przyjrzyjmy się temu procesowi w czasie rzeczywistym. Czy chcesz powiedzieć: „Cześć, jak się masz?” Wyobrażasz sobie to zdanie. Twój mózg wysyła dokładnie te same sygnały, jakbyś je krzyczał. Odbiornik Audeo je odbiera. Komputer rozpoznaje określone wzorce tych słów i fonemów. Łączy je ze sobą.
Działa podobnie do oprogramowania do rozpoznawania głosu. Ale jaka jest różnica? Nie wydajesz żadnego dźwięku. Komputer wysyła końcowy sygnał elektroniczny do zestawu głośników. Głośniki wyrażają Twoje ciche myśli.
Zarządzanie działa w podobny sposób. Jeśli chcesz przesunąć wózek inwalidzki, uczysz się pewnej subwokalnej frazy. Myślisz przyszłościowo. System Audeo interpretuje ten sygnał nie jako słowo, które należy wypowiedzieć, ale jako polecenie ruchu. Myślisz „w lewo”. Wózek skręca. Nie ma potrzeby używania rąk. Żadnego ruchu warg. Tylko intencja.
Pod maską
Baza techniczna opiera się na sprzęcie firmy National Instruments. W szczególności do sterownika CompactRIO. Zbiera surowe dane z czujników na szyi. Wbudowane oprogramowanie o nazwie LabVIEW wykonuje całą robotę. Przetwarza dane. Przekształca sygnały elektryczne w użyteczne funkcje sterujące.
Ambient znacznie poprawił aspekt komunikacyjny. Wczesne wersje mogą występować sporadycznie. Użytkownicy mogą teraz tworzyć mowę ciągłą. To już nie jest walka o jedno słowo na raz. Mowa płynie płynnie. System rozumie kontekst. Rozumie rytm.
Dlaczego to ma znaczenie? Nie chodzi tylko o wygodę. Chodzi o swobodę działania. U osoby z urazem rdzenia kręgowego most między myślą a działaniem często zostaje zerwany. Audeo odbudowuje ten most. Wykorzystuje części układu nerwowego, które nadal funkcjonują. Zamienia ciszę w mowę. Zamienia myśl w ruch.
Technologia jest precyzyjna. Aplikacja daje swobodę. Ale interfejs pozostaje ludzki. Nie musisz uczyć się nowego języka. Musisz tylko pomyśleć. Reszta to inżynieria.
Ograniczenia nadal istnieją. System wymaga kalibracji. Ona potrzebuje jedzenia. Potrzebuje komputera w pobliżu. Ale dla milionów ludzi, którzy stracili głos lub mobilność, porozumienie jest niczym. Sygnał jest wyraźny. Wniosek jest natychmiastowy.
A co z użytkownikami? Oni po prostu rozmawiają. Cichy. Sam. Z samochodem.
Cisza przestrzeni i cena dostępu
NASA bada nie tylko gwiazdy. Obserwują twoją szyję.
Agencja opracowuje system, który umożliwi astronautom ciche pisanie lub wydawanie poleceń komputerom. Dlaczego? Ponieważ przestrzeń jest głośna. Wyścigi konne w kosmosie są chaotyczne. Wentylatory, pompy i maszyny na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej stale pracują. Standardowe systemy rozpoznawania głosu nie radzą sobie z tym hałasem. Słyszą szum stacji, a nie polecenie.
Mowa subwokalna rozwiązuje ten problem. Nie mówisz ani słowa. Po prostu poruszasz gardłem, jakbyś to mówił. Powietrze nie wychodzi. Nie ma dźwięku. Dla zewnętrznego słuchacza milczysz. W przypadku czujników krzyczysz.
Na szyi użytkownika umieszczane są dwa małe czujniki. Rejestrują mikroskopijne ruchy mięśni krtani i strun głosowych. Ale system nie działa na zasadzie „plug and play”. Ona potrzebuje szkolenia.
Musisz nauczyć ją rozpoznawać cię.
Wyszkolenie oprogramowania w zakresie rozpoznawania od sześciu do dziesięciu słów zajmuje około godziny. Od 2006 roku limit był rygorystyczny: 25 słów i 38 fonemów. To ledwo wystarcza na podstawową rozmowę. Ale dokładność? Wysoki. Ponad 90 proc.
We wczesnych testach systemem sterowano za pomocą przeglądarki internetowej. Otworzyła wyszukiwarkę. Było napisane „NASA”. Jednocześnie użytkownik zachowywał całkowitą ciszę.
„Możesz rozmawiać cicho przez telefon komórkowy.”
Taka jest istota wniosku. Nie chodzi tylko o przestrzeń.
Rozważmy obszary zastosowań. Operacje wojskowe, podczas których zachowanie ciszy ma kluczowe znaczenie dla życia i śmierci. Ochroniarze pracujący w obszarach wrażliwych. Lub po prostu rozmawiaj przez telefon komórkowy w bibliotece, nie przeszkadzając innym. A co z użytkownikami niepełnosprawnymi? To może być przełom. Osoby, które nie mogą mówić, ale zachowują kontrolę nad mięśniami gardła, będą mogły komunikować się niezależnie.
Ale tu jest haczyk. To jest drogie. To skomplikowane. Nie jest on dostępny w lokalnym sklepie elektronicznym.
Ambient, firma stojąca za niektórymi z tych urządzeń, nie podała żadnych cen. Nie podała ram czasowych jego pojawienia się na rynku. Nawet nie odpowiedzieli na prośby o informacje. Tak więc, dopóki technologia działa, ścieżka komercyjna pozostaje niejasna.
Dr Chuck Jorgensen, główny naukowiec zajmujący się neuroinżynierią w Centrum Nauk Kosmicznych NASA. Ames przedstawił prognozę w wywiadzie dla The Future of Things. Powiedział, że komercyjna komunikacja subwokalna będzie dostępna za dwa do czterech lat. To było w 2006 roku.
Ten termin już przekroczyliśmy. Technologia ewoluowała, ale podstawowy problem pozostaje: jak wypełnić lukę między intencją a działaniem, gdy ciało się nie podporządkowuje?
A jeśli to nie zadziała?
Nie każdy może korzystać z kontroli subwokalnej. Niektórzy pacjenci mają tak poważny paraliż, że nawet mięśnie gardła nie mogą funkcjonować. Dla nich decyzja NASA jest bezużyteczna.
Co pozostaje?
Jeśli nadal możesz poruszać głową lub ramionami, istnieją starsze, prostsze metody. Przesuń głowę w lewo, aby obrócić krzesło. Pochyl brodę. To niegrzeczne. Wymaga wysiłku fizycznego. Ale to działa.
Potem jest dyskusja na temat śledzenia wzroku.
Tradycyjne systemy kontroli spojrzenia są kapryśne. Często mylą przypadkowe spojrzenie z poleceniem. Patrzysz na filiżankę kawy. Krzesło skręca w lewo. Patrzysz na drzwi. Krzesło przyspiesza. To denerwujące.
Niektóre systemy wykorzystują czujniki przymocowane do okularów. Śledzą ruchy policzków. Podnieś policzek, aby „kliknąć” kursorem. To jak używanie twarzy jako myszy. To działa, ale wymaga dużej dyscypliny. Trzeba poruszać się świadomie.
Następnie jest Technologia Tobii.
Szwedzki deweloper poszedł inną drogą. Przestali czekać na polecenia. Zaczęli patrzeć, gdzie patrzysz.
Zamiast poruszającego się kursora, za którym trzeba podążać wzrokiem, ekran po prostu reaguje na Twój wzrok. Spójrz na ikonę. Aktywuje się. Spójrz na list. Ona wychodzi. Służy do komunikacji. Służy do gier. Eliminuje to potrzebę zdyscyplinowanego, zorientowanego na cel ruchu. Po prostu patrz.
Nie chodzi tu o dowodzenie maszyną, a bardziej o umożliwienie jej zrozumienia Twojej koncentracji.
Kontrola rzeczywistości
Cały czas słyszymy o wózkach inwalidzkich „sterowanych umysłem”. Media uwielbiają to określenie. Brzmi to jak science fiction.
Ale odejdźmy od modnych słów.
Wózek inwalidzki sterowany umysłem wykorzystuje interfejs mózg-komputer (BCI). Odczytuje sygnały elektryczne z mózgu. Konwertuje je na polecenia. Dla sparaliżowanych użytkowników nie jest to magia. To jest przywrócenie. To powrót pewnej autonomii.
„Inteligentny” wózek inwalidzki? To po prostu wózek ze sztuczną inteligencją. Interpretuje myśli. Eliminuje potrzebę użycia rąk i wysiłku fizycznego.
A co z „automatycznym” wózkiem inwalidzkim? To po prostu narzędzie do samodzielnego poruszania się.
Różnica pomiędzy tymi kategoriami zaciera się. A technologia jest wciąż w powijakach.
Prace NASA nad mową subwokalną potwierdzają tę koncepcję: intencje możemy odczytać jedynie na podstawie napięcia mięśni. Ale rzeczywistość komercyjna jest skomplikowana. Ambient nie odpowiedział. Ceny nie zostały ogłoszone. Prognozy na rok 2006 dawno już minęły.
Wciąż czekamy, aż sprzęt dogoni biologię.
Tymczasem oczy nadal patrzą. Gardła wciąż się poruszają. A maszyny nadal próbują usłyszeć ciszę.
Co się stanie, gdy interfejs w końcu zniknie? Kiedy nie będziesz musiał myśleć o kursorze, uniesieniu policzka i napięciu w gardle?
Być może po prostu przestaniemy to zauważać.
