Počítač, který dokáže číst myšlenky

Neurovědy patří dnes k těm oborům, které jsou životně závislé na dalším zdokonalování výpočetní techniky. Ros...


Neurovědy patří dnes k těm oborům, které jsou životně závislé na dalším
zdokonalování výpočetní techniky. Rostoucí výkon počítačů dramaticky mění i
způsoby, kterými lze zkoumat lidský mozek. Jde o nejsložitější systém ve známém
vesmíru, a proto pro jeho studium potřebujeme maximální výpočetní výkon a
paměťové kapacity. Dostáváme se k lehce paradoxní situaci. Lidský mozek dal na
jednu stranu vzniknout současným počítačům a ty se nyní naopak podílejí na
odhalování jeho tajemství.
V následujícím textu se zaměříme především na dva problémy: První z nich, který
by se dal stručně označit jako "čtení myšlenek", shrnuje zkušenosti s
rozpoznáváním jednoduchých pohybů. Druhá část článku bude zaměřena na obecnější
problematiku způsoby počítačového mapování mozkové aktivity.

Virtuální realita
Mnozí z vás jistě četli slavný Gibbsonův román Neuromancer. Strhující příběh z
nepříliš vzdálené budoucnosti se zčásti odehrával ve virtuální realitě. Ta byla
přitom promítána přímo do mozku konzole systému byla spojena s centrální
nervovou soustavou člověka, interagovala s vyššími nervovými funkcemi. Uživatel
seděl doma v křesle, ale duchem se nacházel kdesi v Matrixu. William Gibbson
načrtl vizi skutečně zajímavého uživatelského rozhraní. Ještě zajímavější však
je, že jeho koncepce se z roviny vědecko-fantastické literatury stále více
přibližuje realitě.
Lidský mozek je velice komplexní systém. Stejně jako třeba počítač je i mozek
rozdělen do mnoha funkčních bloků, existují v něm oblasti vyhrazené pro
zpracování zrakové, sluchové, čichové či somatické informace nebo pro
zpracování řeči. Poranění mozku tak mohou mít velmi výběrové následky je např.
zaznamenán případ farmáře, který nerozlišoval tváře svých bližních, ale stále
dobře rozpoznával "tváře" svých krav. Dnes jsme schopni mozkovou aktivitu
snímat s vysokou přesností a milisekundovým rozlišením. Můžeme se tedy pokusit
ji zpracovat a následně využít třeba tak, jak to plánoval William Gibbson?

Senzomotorická kůra
Jednou ze zajímavých oblastí lidského mozku je senzomotorická kůra. Tato oblast
představuje výpočetní centrum či řadič vědomých (volních) pohybů, motoriky a
taktilního vnímání vůbec. V EEG záznamu snímaného během pohybu pokusného
subjektu ze senzomotorické kůry lze nalézt charakteristiky odpovídající
prováděným pohybům jinak řečeno, každý pohyb nebo dotek vyvolá odezvu. Tuto
korovou odpověď lze snímat a potom rozpoznat, co člověk vlastně dělal. K čemu
to může být dobré?
Asi nejzajímavější aplikací sledování senzomotorické kůry je komunikační systém
pro pacienty s poruchou hybnosti. V případě tzv. kvadruplegie je člověk
ochrnutý na celém těle a jistě by uvítal možnost komunikovat pomocí kurzoru na
obrazovce. Lze však zajít i dále pomocí tzv. brain-computer interface (BCI)
půjde snad v budoucnosti řídit třeba kolečkové křeslo nebo robotickou paži.
Tímto způsobem by šlo vytvořit obecné rozhraní pro komunikaci člověka s
počítačem. Přenos informace přes toto rozhraní by byl samozřejmě pouze
jednosměrný člověk vydává příkazy a stroj je uskutečňuje. Zpětná vazba by se
realizovala např. klasickým způsobem, tedy přes výstup na obrazovce. Fungující
systém tohoto druhu by mohl pomoci při rehabilitačních cvičeních nebo při
procvičování motoriky pacientů se sníženými pohybovými schopnostmi. lNa trhu by
se mohl objevit automobil řízený myšlenkami. Tímto způsobem by možná šla
zkrátit reakční doba řidiče, a tak předejít některým nehodám. Lze také
zkombinovat mnoho různých biologických ukazatelů, a tak například zkonstruovat
automobil, který se odmítne nechat řídit hodně nevyspalým či opilým řidičem.
Zkusme nahlédnout do ještě vzdálenější budoucnosti. V jaderném reaktoru pracuje
robot, jeho stavba těla a různé stupně volnosti jsou přesně okopírovány od
člověka. Operátor v řídícím středisku "jen tak sedí a myslí" a robot kopíruje
přesně jeho pohyby. Motorika stroje je stejně jemná jako v případě člověka, a
díky tomu lze provádět opravdu náročné úkoly. Řízení tímto rozhraním zajišťuje
lepší kontrolu nad strojem, než jakou mohou nabídnout konvenční postupy.
Popsané rozhraní lze samozřejmě využít i při dalším výzkumu funkcí lidského
mozku.

Dnešní stav
Jaká je současná realita? Výzkum prováděný v této oblasti je teprve v
počátcích. I ty nejlepší systémy jsou prozatím schopny rozpoznat od sebe jen
několik pohybů těla. Na Brownově univerzitě (USA) vyvinuli systém umožňující
opicím rodu makak myšlenkami ovládat kurzor na obrazovce. Asi největší nevýhodu
představuje invazivnost použité techniky je nutno implantovat elektrody přímo
do motorické kůry ke konkrétním neuronům. Technika doposud nedospěla do studia
klinického ověřování na lidských pacientech.
Vědci pracující na katedře medicínské informatiky Ústavu biomedicínského
inženýrství na Technické univerzitě v Štýrském Hradci řeší problémy spojené s
on-line neinvazivním rozpoznáváním EEG. Pro jejich systém je typické
rozpoznávání pohybů levé/pravé ruky, přičemž technika nevyžaduje žádnou
implantaci elektrod do mozku ani jiné operativní zásahy.
Poněkud dále pokročil výzkum prováděný ve Wadsworth Center při lékařské fakultě
univerzity v Albaně (USA) týmem doktora Wolpawa. Zdejší BCI systém, který se
podařilo dovést až do fáze klinických testů, je rovněž založen na neinvazivním
snímání EEG. Pokusné osoby s jeho pomocí mohou pohybovat kurzorem po obrazovce
a volit např. správnou odpověď na otázku. Systém je stále ve vývoji a vykazuje
některé rysy typické pro všechna doposud vyvinutá BCI (například nemožnost
spolupráce se všemi pokusnými osobami).

U nás
Systém vyvinutý v naší laboratoři rozpoznává pohyb pravého ukazováčku od těla
(extenzní) od pohybu k tělu (flexního) a vertikální pohyb pravého ramene od
pohybu pravým ukazováčkem. Naše úloha je oproti předchozím typům úloh
komplikovanější, protože řešíme klasifikaci pohybů jedné strany těla s pomocí
neinvazivní metody (snímání elektroencefalografem). Daní za tento přístup je
fakt, že náš systém je zatím schopný pouze off-line klasifikace. V současné
době vyvíjíme matematický přístup ke zpracování EEG, který umožní řešit i
složitější úlohy chceme rozpoznávat nikoliv pouze pohyby, ale i senzorické
vjemy konkrétně velikost lokálního podráždění. Pacient, jehož EEG bylo snímáno,
dostával do pravého ukazováčku lehké elektrické výboje o různé intenzitě, vždy
však pod prahem bolesti. Cílem je rozpoznat sílu výboje ze záznamu mozkové
aktivity, ve které by měla být patrná "síla pocitu".

Systém se učí
Námi navržený systém využívá technik, které byly původně vyvíjeny pro
rozpoznávání řeči. Rozpoznávání EEG signálu je dvoufázové.
První fázi představuje učení. Systému jsou předkládány úseky EEG signálu spolu
s informací o typu doprovázeného pohybu. Algoritmus adaptivně upravuje své
nastavení tak, aby co nejvíce odpovídalo ukázkovým signálům. V následující fázi
vlastního rozpoznávání pak systém dostane úsek EEG a zařadí ho do jedné z
naučených kategorií.
Lze říci, že rozpoznávač funguje jako model mozkové aktivity senzomotorické
oblasti. Ve fázi učení zkonstruuje modely jednotlivých pohybů. Ve fázi
rozpoznávání se předložené EEG porovnává s modely pohybů, a identifikace
pohybu, kterému je EEG nejvíce podobné, je zapsána na výstup.
Elektroencefalogram představuje dynamický soubor dějů, které vykazují značné
individuální odlišnosti. To se projevuje i v našich experimentech. Systém pro
rozpoznávání pohybů jedné strany těla není prozatím schopen rozpoznávat pohyby
jiného člověka než osoby použité pro učení naším cílem je však samozřejmě
vyvinout obecný rozpoznávací systém. V současnosti dosahujeme úspěšnosti
rozpoznávání pohybů od 65 % do 99 % v závislosti na pokusné osobě (tzn. systém
ze stovky předložených pohybů rozpozná správně 65 až 99).

Tajemno trvá
Techniky rozpoznávání lidského EEG jsou prozatím v plenkách a k praktickému
využití vede ještě poměrně dlouhá cesta. Zbývá zde mnoho nejasného, lze snad
říci i tajemného. Jak ale kdysi napsal Albert Einstein: "Tím nejkrásnějším
pocitem, který kdy můžeme zažít, je tajemno. Je to ten nejzákladnější pocit,
který stojí vždy na začátku jakéhokoliv opravdového umění či vědy."

O pracovišti autorů
Autoři tohoto článku působí v Laboratoři biologických signálů. Jde o společné
pracoviště Výzkumné laboratoře EEG Ústavu normální, patologické a klinické
fyziologie 3. Lékařské fakulty UK a Laboratoře analýzy a zpracování
biologických signálů katedry teorie obvodů Fakulty elektrotechnické ČVUT v
Praze.
Hlavními výzkumnými cíli a aktivitami laboratoře jsou:
problematika identifikace a analýzy vazeb mezi korovými oblastmi při volním
pohybu a bolestivém a nebolestivém dráždění
funkční lokalizace korové aktivace s využitím zdrojové analýzy EEG a funkční
magnetické rezonance
vývoj systémů pro mapování a lokalizaci mozkové aktivity ve 2D nebo 3D prostoru
problematika klasifikace signálů mozkové aktivity Ňpředzpracování řeči pro
sluchově postižené
Výsledkem řešených problémů by mohly být např. následující aplikace:
vývoj neinvazivních metod pro vyšetřování funkčních změn v motorickém a
somestetickém systému Ňrehabilitační cvičení, procvičování motoriky
použití biologické zpětné vazby na základě EEG při poruchách hybnosti a
chronické bolesti
Podrobnější informace lze nalézt na adrese http://amber.feld.cvut.cz/bio.

Studium lidského mozku
http://amber.feld.cvut.cz/bio webové stránky Laboratoře biologických signálů,
pracoviště autorů tohoto článku
http://www.brown.edu/Administration/News_Bureau/2001-02/01-098.html Brownova
univerzita popis experimentu, při němž opice dokázaly pohybovat kurzorem na
obrazovce počítače pouhými myšlenkami
http://www.wadsworth.org/publish/biofocus/july98/brain.htm centrum Wadsworth,
popis dalšího experimentu se "čtením myšlenek", tentokrát u lidí

Tištěná literatura
(o lidském mozku pro nelékaře)
František Koukolík: Mozek a jeho duše, Makropulos, Praha, 1997
Robert J. Sternberg: Kognitivní psychologie, Portál, Praha, 2002
František Koukolík: Lidský mozek: funkční systémy, norma a poruchy, Portál,
Praha, 2002

Slovník pojmů
EEG elektroencefalograf zařízení, které prostřednictvím elektrod přiložených na
povrch hlavy měří elektrickou aktivitu mozku a časový průběh jejich změn
MEG magnetoencefalograf zařízení, které snímá magnetickou aktivitu lidského
mozku a její vývoj v čase; záznam magnetického pole lidské hlavy vyžaduje
speciální magneticky odstíněnou místnost, v které probíhá měření supravodivými
cívkami
BCI brain computer interface rozhraní mezi člověkem a počítačem, pomocí kterého
počítač přímo odečítá signály z lidského mozku
marching cubes dnes zřejmě nejpoužívanější algoritmus pro výpočet povrchu

Záznam mozkové aktivity a její počítačové zobrazování
Jaké hlavní metody se používají pro záznam a zobrazování mozkové aktivity?
Elektrochemické změny, které v mozku probíhají, se navenek projevují ve formě
elektromagnetického pole. Nahlédnuto z druhé strany, toto pole nám dává jakýsi
obraz o stavu našeho mozku. V současnosti existují dvě základní metody záznamu
elektrického, resp. magnetického pole mozku: EEG (elektroencefalograf) a MEG
(magnetoencefalograf). EEG zaznamenává elektrické pole pomocí sady stříbrných
elektrod umístěných na povrchu hlavy. Tato metoda je relativně nenáročná na
vybavení, a proto bývá hojně využívána jak pro klinické, tak i výzkumné účely.
Na druhé straně záznam magnetického pole lidské hlavy vyžaduje speciální
magneticky odstíněnou místnost, v které probíhá měření supravodivými cívkami.
Metody EEG a MEG nejsou zcela zastupitelné. Měří se jimi dvě různá pole a
dostáváme dva různé výsledky. Proto se v poslední době ve špičkově vybavených
laboratořích používají oba postupy paralelně tímto způsobem dostaneme komplexní
obrázek o elektrické a magnetické činnosti mozku. K interpretaci naměřených
výsledků je třeba nasadit rozličné matematické a statistické analytické metody.
EEG se již několik desítek let používá k diagnóze mozkových poruch typu
epilepsie, různých poškození mozku, mozkových nádorů atd. Lze ho však využít i
z hlediska obecného poznání tímto způsobem můžeme mapovat, jaké oblasti se
podílejí na zpracování určitých informací a jak tyto oblasti mezi sebou
souvisejí. Jednou z nejpoužívanějších metod je tzv. metoda vyvolaných odpovědí
(evokovaných potenciálů), kdy opakovanými stimulacemi (proudové impulzy,
světelné záblesky, přesně definované pohyby) dochází k aktivaci určitých
mozkových center.
V dřívějších dobách, kdy bylo EEG zaznamenáváno analogovými přístroji na pás
papíru, se analýza prováděla pomocí pravítka a kalkulačky. Taková práce byla
velmi namáhavá a zdlouhavá a navíc vyžadovala velmi zkušeného odborníka. Dnes
se díky zdokonalenému vybavení EEG zpracovává v číslicové podobě a pro lepší
orientaci se zobrazuje ve formě barevných potenciálových map na monitoru
počítače. Existují dvě základní metody, které používáme: Zobrazení v rovině a
zobrazení na reálných modelech v prostoru.
Může se zdát, že v době grafických akcelerátorů je archaické používat pro
zobrazení 2D modely, ale kupodivu to má svá opodstatnění. Na 2D modelech lze
totiž lépe zachytit časový vývoj nemusíme model natáčet, abychom viděli, co se
děje "za rohem". I v případě 2D modelu ovšem de facto pracujeme v prostoru.
Interpolace, resp. aproximace naměřených dat z elektrod se počítá na povrchu
koule a teprve výsledek výpočtu je promítnut na rovinný model.
Třírozměrné modely nám ovšem stejně poskytují mnohem větší přesnost při
interpretaci dat než modely dvourozměrné (ať už rovinné nebo kulové). S jejich
pomocí můžeme mnohem lépe lokalizovat, ve které části mozku se nacházejí
oblasti zpracovávající určitý vjem, epileptické ohnisko nebo mozkový nádor.
Vytvoření 3D modelu ovšem trvá mnohem déle a práce s ním je velmi náročná na
výkon počítače.
Jak takový třírozměrný model vlastně vzniká? Před každým pokusem jsou pokusné
osobě změřeny pozice všech elektrod na povrchu hlavy. Veškeré souřadnice jsou
vztaženy k lokálnímu souřadnicovému systému, který je definován třemi dobře
definovanými referenčními body na povrchu hlavy. Poté proběhne vlastní měření
mozkové aktivity (evokovaných potenciálů), po kterém je pokusná osoba poslána
na oddělení magnetické rezonance. Zde se změří podélné řezy hlavy (viz
obrázek). Od této chvíle je rekonstrukce 3D modelu hlavy a mozku plně v rukou
počítačových algoritmů zpracování obrazu. Nejprve nalezneme hranice hlavy a
mozku a poté přistoupíme k vytvoření vlastních třírozměrných modelů. Aby bylo
možné tyto modely zobrazovat současnými grafickými akcelerátory, musíme je
vytvořit ve formě, kterou jsou schopny dobře zpracovat. Každý model je vytvořen
z tisíců trojúhelníků dnes již klasickým algoritmem marching cubes. Jedinou
nevýhodou je, že takto vytvořené modely jsou dosti velké (model mozku je
představován až 550 tisíci trojúhelníky) a práce s nimi vyžaduje vysoký
výpočetní výkon. Řešením je snížení počtu trojúhelníků procesem tzv. decimace
trojúhelníkové sítě. Modely s počtem trojúhelníků okolo 70 až 100 tisíc se z
hlediska kvality výsledné trojúhelníkové sítě jeví jako optimální.
Posledním krokem je lokalizace pozic elektrod na tomto modelu. Nejdříve se v
modelu identifikují tři referenční body souřadného systému hlavy a následně se
vypočítají pozice elektrod v trojúhelníkové síti. Tím je rekonstrukce modelů
ukončená a nyní se na nich mohou zobrazovat výsledky zpracování naměřeného EEG.
Samotné zobrazení dat na modelech není jednoznačná úloha. Naměřená data jsou
kontaminována šumem přístrojů. Za šum se považuje i vlastní činnost mozku,
která nesouvisí s konaným experimentem (background activity, tedy činnost
probíhající na pozadí).









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.