Vstupní zařízení budoucnosti cyberware

Komunikace (z lat. communicatio, to od communicare = spojovat) v širokém smyslu jakýkoliv přenos informace. Na tomto stupn...


Komunikace (z lat. communicatio, to od communicare = spojovat) v širokém smyslu
jakýkoliv přenos informace. Na tomto stupni obecnosti popisujeme komunikaci v
kategoriích typu: zdroj příjemce, komunikační kanál, komunikační kód,
komunikační šumy atd. Tak takhle nějak vypadá úvod do hesla komunikace ve
velkém sociologickém slovníku, která pak pokračuje na dalších 4 stranách. Je
tedy vidět, že problém vzájemné komunikace trápí lidstvo již odedávna. O jejím
významu, formách a možnostech byly popsány stovky stran textu. Mezi ně se
zařadí i tento článek, jehož téma je však poněkud odlišné, a vyplývá z
komunikujících subjektů. Bude se totiž věnovat možnosti komunikace člověka s
počítačem.
Důležitost tohoto vztahu roste každým okamžikem, jistě už dnes se najde velké
množství lidí, kteří denně tráví více času komunikací s počítačem než s
ostatními lidmi. Jeden z nejdůležitějších důvodů tohoto stavu je kvalita
současné komunikace. Mimozemšťané, kteří by sledovali lidi pracující s
počítačem, by si asi představovali ideálního člověka jako pavouka s obrovským
počtem nohou a velkými očními bulvami, s jejichž pomocí může rychleji svému
počítači zadávat příkazy a sledovat jejich vykonávání. To si naštěstí uvědomuje
i mnoho lidí a tak začíná docházet k postupným změnám. Takovou první vlaštovkou
mohou být např. zařízení na rozpoznávání hlasu. Při jejich představě se mě ale
nějaké velké nadšení zrovna nezmocňuje. Určitě existují i rychlejší metody a
naštěstí nejsem sám, kdo si to myslí.
Cyberware anebo neurotechnologie
Na počátku všeho asi byli spisovatelé sci-fi, kteří ve svých vizích budoucnosti
již několikráte vymodelovali obraz, které další generace vědců dokázaly
uskutečnit. Nejinak tomu je i v případě přímého propojení lidského mozku s
počítačem. Díky nim již také dávno pro takové zařízení máme i specializovaný
pojem cyberware. Tedy jinými slovy, cyberware je technologie, která se pokouší
vytvořit pracující rozhraní mezi strojem (počítačem) a lidským nervovým
systémem (většinou přímo s lidským mozkem). Jakkoliv fantaskně to zní, již dnes
taková zařízení existují. Samozřejmě ne všude jsou známá pod pojmem cyberware,
poněkud konzervativnější věda má raději název neurotechnologie. Její využití se
v současné době orientuje do dvou obastí do tvorby počítačových interface a na
výrobu náhradních protéz.
Zatím je sice většina takovýchto zařízení v plenkách, ale brzo se očekává její
rozšíření do klinické praxe. Pokud budou současné pokusy pokračovat dobře,
mohlo by k širokému uplatnění této metody dojít v rozmezí necelých 15 let.
Podívejme se tedy, co se v dnes v laboratořích připravuje.
Rozhraní není jen USB
Interface člověk/počítač opravdu již dávno není jen USB, po světě se začínají
rojit i jiná, daleko sofistikovanější řešení. Asi největší budoucnost má přímé
napojení na nervový systém člověka, na to si ale budeme muset ještě počkat.
Vývoj není ještě tak daleko a musíme se proto spokojit s poněkud jednoduššími
zařízeními.
Monitorování signálů mozku a kontrola počítačů
Tato metoda je asi v současné době nejrozšířenější, existuje totiž velké
množství studií zabývajících se tímto problémem. Setkáme se zde jak s
jednoduchými přístroji, které se ovládají pomocí změn mozkových vln, tak s
velice sofistikovanými přístroji, které umožňují zadávání složitých dat.
Hlavním problémem těchto zařízení je ale nutnost speciálního vyškolování
uživatelů, kteří často k ovládání systému musí vynaložit mnohem vyšší aktivitu
než u pouhé klávesnice.
Velice populární jsou tzv. vizuální klávesnice. Hlavní technika spočívá v
zobrazení obrázku klávesnice na monitoru, po které pomalu přechází světelný
kurzor. Pokud je kurzor na správném písmenu, dojde u osoby k pozitivní reakci,
která je počítačem zaznamenána a písmeno je tak vybráno. Někdy je také použito
blikajících písmen, na které se uživatel zaměří a tato frekvence se pak zobrazí
v mozku a následně je v počítači vybráno správné písmeno.
Další možností je využít pohybů svalů, tedy zařízení založených na EMG nebo EOG
technologii (viz vložený text). Typickým zástupcem je např. Biomuse nebo EOG
MIDI firmy BioControl Systems. První zařízení, jak již název napovídá,
nahrazuje klasickou myš, kdy jednotlivé pohyby jsou snímány přímo ze svalů,
druhé zařízení umožňuje postiženým pacientům pomocí malých mozkových pohybů
dokonce hrát hudbu s pomocí počítače. Jiným zařízením pracujícím na principu
EMG, tedy konkrétněji EOG, je technologie EagleEyes původem z Bostonské
univerzity (http://www.cs.bc.edu/~gips/EagleEyes). Pomocí pohybu očí tak mohou
pacienti kontrolovat pohyb myši po obrazovce a zadávat potřebná data.
Velice jednoduchý, ale přitom názorný experiment, který je zde vhodné zmínit,
provedl David Cole. Ten pomocí dobrovolníků ukázal celý možný potenciál těchto
technik. Při svém experimentu použil dvě helmy, v první bylo zaznamenáváno EEG
prvního dobrovolníka a to bylo pak pomocí magnetického pole přenášeno do helmy
druhého. Bylo tak možno přenášet jednoduché podněty jako např. silný zdroj
světla nebo blikání.
Právě na poli EEG se dá očekávat v blízké budoucnosti velký pokrok, protože
původně drahé zařízení pro příjem EEG se začínají objevovat i v jednodušších a
levnějších variantách, které by měly umožnit zkoumat tento jev i chudším
výzkumným pracovištím.
Přímé propojení na neurony
Tak toto je ten pravý cíl cyberware zařízení, která zřejmě jako jediná umožní
počítačům číst naše myšlenky přímo v mozku bez zbytečných zkreslujících
mezistupňů. Na druhou stranu je toto řešení asi nejhůře realizovatelné. Výzkum
v tomto oboru je opravdu velice náročný, přesto i zde dochází k velkým skokům
kupředu. Asi nejvíce v tomto oboru postoupili na Institutu Maxe Plancka
(http://mnphys.biochem. mpg.de) v Německu. Zde jsou již nyní schopni propojit
jednotlivé neurony se silikonovými čipy. Obrovským posunem je, že s živým
neuronem dokážou komunikovat dokonce obousměrně, tedy informace vysílat i
přijímat.
Hlavním problémem těchto zařízení je nutnost přímého zásahu do nervové tkáně,
která může být často destruktivní. Přesto je dobré v tomto výzkumu pokračovat.
Pokud by se totiž vědcům podařilo vyrobit vhodné implantáty, mohli by ze světa
zmizet lidé s postižením mozku nebo třeba Alzheimerovou nemocí.
Další možnosti
Komunikace se samozřejmě nemusí omezovat pouze na oblast mozku. Na dalších
částech těla je také mnoho nervových zakončení, která je škoda nechat ležet
ladem. Toho by se dalo velice dobře využít např. při tvorbě zařízení pro
virtuální realitu nebo pro identifikační systémy.
Protézy
V oboru zdravotní techniky má cyberware také opravdu široké pole působnosti.
Jedná se hlavně o umělé končetiny a náhradu lidských senzorů. Tyto technologie
asi nejvíce ospravedlňují celou cyberware technologii, neboť jsou příslibem
plnohodnotného života pro mnoho zdravotně postižených lidí.
Končetiny
Právě končetiny se asi většině lidí vybaví při slově protézy. Je to samozřejmé,
protože takové náhrady jsou asi nejzřetelnější a jistě velmi důležité. Každý si
asi dovede představit použití cyberware technologií v takovýchto zařízeních.
Využít se zde dá jak technologie EEG a EMG, tak i přímé propojení s neutrony.
Zajímavý je v tomto směru určitě výzkum prováděný na Hahnemannské univerzitě
(http://www.voicenet. com/~rybak/chapin.html), kde krysy kontrolují pomocí
přímých mozkových signálů robotí ruku. Krysám jsou totiž do mozku implantovány
elektrody, pomocí nichž tvor ovládá robotí ruku s vodou, kterou zvíře dostává
jako odměnu.
Náhrady smyslů
Náhrada smyslů je asi jedním z nejvíce fantaskních použití cyberware
technologie a možná právě proto zde vědci dosahují nejlepších výsledků. Nejdále
je asi technologie týkající se vidění a sluchu. Alespoň částečnou pomoc
pacientům postiženým ztrátou sluchu poskytuje již přes 20 let malá elektronická
protéza s názvem "Cochlea Implant". Její malé elektrody stimulují akustický
nerv pacientů a tak boří onu bariéru věčného ticha hluchotou postižených
pacientů.
Daleko zajímavější je ale asi možnost očních protéz. V současné době směřuje
vývoj dvěma hlavními směry na tvorbu malých náhrad očních fotoreceptorů a na
kompletní náhradu oka. První výzkum je podstatně jednodušší a proto je i ve
svých výsledcích mnohem dále. Úkolem takovýchto zařízení je náhrada očních
fotoreceptorů silikonovým chipem. Ten transformuje dopadající paprsky do
elektrických impulzů, kterými stimuluje gangliové buňky a ty pak přenášejí
obrazovou informaci dále do mozku. Výzkum pokročil již tak daleko, že je možné
tyto čipy aplikovat u pacientů. O jednom takovém úspěšném zákroku u zpěváka
Stevie Wondera jste se již na stránkách CW mohli dočíst, konkrétně v čísle
51/52. To ale zdaleka není jediný případ, podobný výzkum probíhá např. na
univerzitě Johna Hopkinse (http://www.ece.ncsu.edu) nebo na univerzitě v
Tuebingu (http:// www.uni-tuebingen.de).
Daleko zajímavější je druhý směr výzkumu, který by měl vrátit vidění téměř všem
slepým. Výsledky prvního výzkumu totiž nemohou použít všichni pacienti. Pro ty
ostatní zbývá naděje v dalších projektech. Jeden takový běží např. na
polytechnice v Montrealu (http://www.polystim.polymtl.ca), kde se pokoušejí
vyrobit kompletní náhradu oka. Obraz je v tomto systému zpracováván pomocí
kamery a pak pomocí elektromagnetických vln předáván do mozkového implantátu,
který přímo stimuluje vizuální cortex v týlním laloku (viz obrázek).
Co je vlastně nemožné?
Správná otázka by možná spíše měla znít: "Co je vlastně možné?" Přesto si
myslím, že po předchozích odstavcích je první varianta výstižnější. Lidský duch
zřejmě nezná hranic, které by ho měly zastavit. Význam cyberware technologií
leží v dnešní době hlavně v pomoci našim postiženým spoluobčanům, kterým by
mohly nabídnout naději na nový plnohodnotný život. Následovat možná budou
zařízení, která podstatně vylepší možnosti celé lidské rasy. To ale je stále
ještě hudba budoucnosti. Do té doby bude muset lidstvo vyřešit velké množství
problémů a to ne jen technického rázu. Celá technologie totiž má i druhou
stranu mince, stranu etickou. Tu si ale musí rozhodnout každý sám.
Rád bych zde citoval názor Rodericka Carder-Russela na tento problém: "Když
stárneme, postupně se vyvíjíme. Rosteme mentálně, měníme se, adaptujeme se na
nové situace, získáváme zkušenosti, stáváme se inteligentnějšími a
vzdělanějšími. Také rosteme fyzicky, zvětšuje se naše síla a stále více
zdokonalujeme kontrolu našeho těla. Ale i zde je určitý limit. Lidské myšlení
má práh, tělo může být namáháno jen do určité míry. Tělo již pomalu zvládáme,
nové objevy nám dovolují žít déle a snad jednou nám dovolí dosáhnout i
dlouhověkosti. A stejně jako tělo budeme asi chtít zrušit limit naší mysli." Já
osobně si myslím, že bychom se o to měli určitě alespoň pokusit.
Jak komunikovat s mozkem a nejen s ním?
Takže jak můžete komunikovat s vlastním mozkem? Nebo chcete raději mluvit se
svým srdcem?
Vědci se již dlouhou dobu snaží zjistit, jak lidské nervové sítě fungují. Aby
pronikli do jejich tajemství, museli uskutečnit tisíce pokusů. Jejich výsledkem
je několik metod, kterými lze studovat tajemné pochody, probíhající ve vašem
těle. Podívejme se tedy, jaké jsou současné možnosti.
Trošku temná historie mrzačení mozku
Tato velice temná a krvavá metoda je aplikována již velice dlouhou dobu a je
snadno použitelná. Bohužel, není moc doporučeníhodná. Jejím principem je totiž
úmyslné zraňování nebo odnímání částí mozku. Asi nejznámější je druhá varianta,
známá pod pojmem lobotomie. Vhodným poraněním mozku nebo odebráním jeho části
lze totiž zjistit, k čemu jaké díly mozku slouží.
Elektrody
Pod pojmem elektroda je v tomto případě myšlen velice tenký a dlouhý drát,
pomocí něhož lze velice dobře zkoumat libovolnou oblast mozku. Elektrody
nabízejí asi nejlepší možnosti v případě přímé stimulace neuronů a lze jimi
získávat informace od pokusné osoby. Hlavním problémem této metody je, že
dochází k malému poškození nervové tkáně a její používání je tedy oprávněné
pouze ve velice nezbytných případech. Přesto tato metoda zůstává stále
používána, zejména v pokusech se zvířaty.
Nepoškozující metody
Správně by asi mělo být řečeno "méně ubližující metody", protože všechny metody
více či méně mozek poškozují. Samozřejmě výrazně méně než předchozí metody. Do
této kategorie patří:
EEG (Elektroencefalograf) toto zařízení pracuje pomocí několika desítek
elektrod, které jsou přichyceny na lebce (na rozdíl od těch z předchozího
odstavce jsou pouze na povrchu). Ty pak měří elektrickou aktivitu mozku během
různých fází (myšlení, spánek). Tato metoda měří průměrnou aktivitu velkého
množství neuronů, které se nacházejí pod elektrodou, výsledné hodnoty proto
poskytují pouze zevrubnou představu o funkci jednotlivých částí.
MEG (Magnetoencefalograf) je velice podobný EEG, pouze místo elektrického
potenciálu je měřeno magnetické pole vytvořené neurony.
CAT (Computerised axial tomography = počítačová tomografie) skenery využívá se
ke snímání mozku rentgenovými paprsky. Ty procházejí mozkem a jsou zachycovány
detektory na druhé straně. Tato technika je výborná pro získání struktury mozku
bez nutnosti přímého fyzického kontaktu. Hlavní nevýhodou této metody je, že
snímané obrazy jsou statické. Lze si tak udělat přesnou představu o tom, kde co
je, ovšem bez možnosti sledovat probíhající děje.
PET (Positron emission tomography = pozitronová emisní tomografie) využívá
služeb metody rCBF (regional Cerebral blood flow) a na rozdíl od předchozí
metody dokáže nejenom zkoumat strukturu mozku, ale do jisté míry i jeho funkci.
V této metodě jsou do mozku krevní cestou dopraveny pozitrony. Ty jsou ale
nestabilní a tak později dochází k rozložení nadbytečného protonu na neutron a
pozitron. Zatímco neutron v jádře zůstává, pozitron je vyzářen. Při jeho
průchodu mozkem se ale dříve či později (vzdálenost se pohybuje okolo 9 mm)
setká s některým elektronem a dojde k vzájemné anihilaci. Přitom dojde k
vyzáření dvou kvant záření gama a to v přesně protilehlých směrech. Tato záření
jsou poté zaznamenána v okolních gama detektorech a tak lze získat relativně
přesný obraz aktivity v mozku.
MRI (Magnetic resonance imaging = magnetické rezonanční zobrazování) na rozdíl
od předchozích nevystavuje tato metoda mozek žádnému typu radioaktivity. MRI je
založeno na skutečnosti, že jádra atomů o sudé atomové váze (např. vodík),
která jsou vystavena střídavému elektromagnetickému poli, vyzařují
elektromagnetické vlny. Tyto atomy se totiž v silném statickém magnetickém poli
chovají jako malé gyroskopy. Po vypnutí pole se vrací do své původní polohy,
ale v ní pak simultánně emitují velice malé množství magnetické energie, která
je zaznamenávána. Nevýhodou této metody je její pomalost snímek trvá kolem 15
minut. Velice slibná je ale nová technologie echo-planar MRI, kde obrázek trvá
jen 1/10 sekundy, což umožňuje sledování toku krve mozkem.
Další metody
V této sekci nebude ani tak moc řeč o metodách zkoumajících mozek, ale o
dalších možnostech, pomocí niž lze měřit ostatní aktivity lidského těla. Patří
sem:
EMG (Elektromyograf) lidský mozek není jediným zdrojem elektrického potenciálu
v lidském těle, dalším takovým zdrojem jsou např. svaly, které vytvářejí
elektrický potenciál při svých pohybech.
EOG (Elektrooculograf) specializovaná verze EMG, která se zabývá svaly
pohybující očima.
Neurony nad zlato
Komunikace počítač lidský mozek je zejména otázkou porozumění s malými
specializovanými buňkami s prozaickým jménem neuron. Těchto buněk je v lidském
mozku něco mezi 10 až 100 miliardami a jsou specializované na co nejúčelnější
uchování, přenos a zpracování informací. Ačkoliv je počet těchto buněk jistě
úchvatný, daleko důležitější a ještě složitější je síť, která je vzájemně
propojuje. Podívejme se na ně tedy malinko podrobněji.
Základní schéma
V mozku existuje několik typů neuronů, které se často diametrálně liší. Přesto
i zde lze vysledovat některé základní rysy. Ve všech případech se neutron
skládá ze 3 základních částí z vlastního těla (soma) z něhož vychází jediný
výstup (axon, někdy nazýván neurit) a z dendritů, pomocí nichž je pak
nejčastěji realizován vstup informací. V řídkých případech je vstup realizován
také přímo na axonu. Vstupů má tedy neuron velké množství, zatímco výstup jen
jediný. Ten je ovšem často rozvětvený do tzv. axonových terminálů. Na místě
jejich styku s dalšími neurony pak vznikají synapse, které se starají o přenos
informací mezi jednotlivými neurony.
Průměr somat neuronů může variovat v rozmezí od několika málo mm až do několika
desítek mm. Délka dendritů, kterých může být až několik tisíc na jeden neuron,
bývá maximálně 3 mm. Největší délky u neuronů pak dosahuje axon, který může
dosáhnout až několika metrů. To se týká např. motoneuronů, u kterých je délka
axonů u člověka přes 1 m a u ostatních obratlovců až několik metrů. Z těchto
dat vyplývá i průměrná hustota neuronů v mozku, která začíná na 70 000 na mm3.
V cortexu (mozkové kůře) tato hodnota ještě několikanásobně stoupá.
Na rozdíl od ostatních buněk v našem těle nedochází u neuronů k nahrazování
odumřelých buněk novými. Předpokládá se, že denně odumírá kolem 10 tisíc buněk.
Na druhou stranu se každý den vytvářejí trny na dendritech a dochází tak ke
vzniku nových synaptických spojů a tím k zapamatování dalších údajů. Ačkoliv
počet odumřelých buněk může na první pohled vypadat hrozivě, v poměru k
celkovému množství se jedná o zanedbatelné množství, např. u 75letého člověka
tyto odumřelé buňky tvoří něco kolem 0,5 % z celkového množství.
Mozková informační dálnice
Jak již bylo řečeno dříve, výlučnost a úchvatnost našeho mozku tvoří hlavně
neuvěřitelně složitá síť, která propojuje miliardy neuronů. Na jeden neuron
totiž v průměru připadá 10 až 100 tisíc propojení s jinými neurony. Právě ta
pak tvoří informační mohutnost celého mozku, která měřená součinem počtu
neuronů a jejich spojení dosahuje řádu trilionů (1014).
Vlastní informace jsou po této mozkové informační dálnici přenášeny frekvenční
modulací impulzů generovaných aktivními neurony. Frekvence těchto pulzů se
pohybuje v rozmezí od 1 do 100 impulzů za sekundu a zdá se, že právě pomocí
změny frekvence dochází k přenosu dat mezi neurony. Ty se pak v axonovém vlákně
šíří ve formě jakýchsi vln, které se šíří rychlostí od 0,5 po 2 m/s. Tato
rychlost sice stačí k uskutečnění přenosu neuron-neuron za cca 30 ms, není
ovšem nijak závratná. Ohromné rychlosti zpracování údajů je dosaženo zejména
paralelním tokem dat a ne rychlostí přenosu samostatných údajů.
Blokové schéma
Ačkoliv je mozek opravdu velice složitá struktura, i zde fungují jisté
zákonitosti, které s určitým zjednodušením poskytují přehledný obraz funkce
mozku. Základem je blokové funkční schéma neuronu, tak jak je znázorněno na
obrázku.
Je sice již poněkud staré (je z roku 1943), přesto je tento model dosud
využíván. Poskytuje totiž relativně věrný obraz o funkci jednotlivých neuronů.
Ty reagují na vstupní signály x1 až xn snímané pomocí synapsí. U každého vstupu
poté uvažujeme vahové činitele wi (ty representují sílu působení jednotlivých
vstupů). Uvnitř neuronu se poté provede součet všech podnětů a pokud tato
hodnota překročí práh neuronu J, dojde k výstupu signálu y. Činnost neuronu je
tedy možno vyjádřit následující matematickou formulí:
N
y = f ň xi wi J
i=1
Příkon mozku
Samozřejmě, neurony nejsou jedinými buňkami, které se v mozku nacházejí,
najdeme zde specializované buňky gliové, tanacyty, spletitou síť vlásečnic,
která dosahuje celkové délky asi 500 km. Ty se starají o zásobování energií,
které mozek spotřebuje velké množství. Ačkoliv jeho hmota činí jen asi 2 %
celkové hmoty člověka, spotřebuje až 23 % objemu vdechovaného kyslíku (to
odpovídá příkonu 30 W). Když už je řeč o objemu, je vhodné zmínit i váhu mozku,
která je u dospělého člověka pouhých 1 350 g u mužů a 1 200 g u žen.
Zatím vítězíme
Kdysi dávno řekl René Descartes vskutku výstižnou větu: "Myslím a proto jsem."
K tomuto poznání došel díky svým neuronům, díky miliardám synapsím, které mu
umožnily myslet. Ale zdá se, že to člověku ani zdaleka nestačí, sám se snaží
zkonstruovat myslící bytost stroj, a nemá k tomu zatím až tak daleko, jak je
vidět z následující tabulky.
0 0100 / als









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