wtorek, 31 maj 2011 09:39

Cudowna muzyka neuronów

Sparaliżowani znów będą mogli się poruszać, niewidomi zobaczą, głusi usłyszą - takie cuda obiecują naukowcy, którzy specjalizują się we wszczepianiu implantów do mózgu.

Matthew Nagle mieszka w Bostonie. W szkole średniej był gwiazdą futbolu. 3 lipca 2001 roku spędzał wieczór z grupą znajomych – wybrali się za miasto, na plażę, gdzie palili ognisko. W pewnym momencie 21-letni Matthew oddalił się na chwilę od grupy. Zobaczył wtedy, że jednego z jego przyjaciół zaczepili obcy ludzie. Postanowił pomóc. Wdał się w bójkę. Co wydarzyło się później, Matthew wie tylko z opowiadań. Sam nie pamięta nic. Nie pamięta, jak jeden z napastników wyjął nóż i wbił mu go tuż pod lewym uchem. Ostrze trafiło w rdzeń kręgowy i omal nie pozbawiło chłopaka życia. Gdy Matthew obudził się ze śpiączki, lekarze poinformowali go, że przez resztę życia będzie sparaliżowany od szyi w dół.

Matthew popadł w czarną rozpacz, tak jak wielu, którzy zostali sparaliżowani w wyniku udaru lub wypadku.

– Chciałem umrzeć. Nic mnie nie cieszyło – wyznaje. Iskierka nadziei zatliła się w nim dopiero, gdy dowiedział się, że klinika uniwersytecka w stanie Rhode Island poszukuje ochotników, którzy zechcieliby wziąć udział w eksperymentalnym programie. W jego ramach pięciu sparaliżowanym osobom planowano wszczepienie do mózgów czipów, które miały umożliwić sterowanie komputerem za pośrednictwem myśli. Metodę tę zastosowano wcześniej z powodzeniem u małp. Teraz rządowa komisja FDA (Food and Drug Administration) zezwoliła zespołowi badaczy pod kierunkiem Johna Donoghue, szefa Wydziału Neurologii na Brown University w Providence, na eksperymentalne wszczepienie takich implantów ludziom.

Od małpy do cyborga

 

John Donoghue nie jest jedynym, który od lat pracuje nad tym, by znana z science fiction wizja człowieka maszyny stała się rzeczywistością. Wiele międzynarodowych zespołów badaczy pracuje nad stworzeniem różnych typów neuroprotez. Dziś jest już możliwe – poprzez wszczepione do mózgu czipy – „podsłuchiwanie dialogów” prowadzonych przez neurony i przekładanie ich na sygnały, które poruszają kursorem na monitorze lub protezą. Wkrótce – obiecują naukowcy – dzięki tej właśnie metodzie sparaliżowani ludzie będą mogli znów precyzyjnie poruszać kończynami.

John Donoghue eksperymentuje z implantami w mózgu już od lat 80.

ubiegłego wieku. W swych pierwszych eksperymentach – na szczurach i małpach – wprowadzał cienkie druciki do odpowiedzialnej za planowanie działań kory przedczołowej. Próbował w ten sposób rejestrować aktywność neuronów podczas wykonywania przez zwierzęta konkretnych ruchów. Uzyskane wówczas wyniki nie były satysfakcjonujące: zapis działania pojedynczych neuronów nie oddawał tego, co działo się w głowie małpy, gdy ta podnosiła rękę.

 

W 1992 roku Donoghue zetknął się z Richardem Normannem, bioinżynierem z University of Utah w Salt Lake City. Ten specjalista od implantów mózgowych stworzył specjalny mikroczip (4 na 4 milimetry), złożony ze 100 elektrod grubości włosa. Ten właśnie czip w 2002 roku Donoghue wszczepił do kory ruchowej małp i połączył go przewodem z komputerem. Zwierzęta za pomocą joysticka miały sterować kursorem i trafiać w konkretny punkt na ekranie. Za zrealizowanie zadania dostawały nagrodę.

 

Czip zainstalowany w mózgu zwierzęcia śledził aktywność neuronów. Naukowcy przekonali się, że ilekroć małpa poruszyła joystickiem w lewo bądź w prawo, w górę lub dół, aktywność ta układała się w pewien charakterystyczny dla danego ruchu wzór – odczytywany przez program komputerowy. Okazało się też, że sygnały wysyłane przez 7 (maksymalnie 30) neuronów wystarczyły, aby na ich podstawie określić ruch ręki małpy i przewidzieć dokładnie – co do milimetra – pozycję kursora! Można było to zrobić, choć przy każdej, nawet najmniejszej akcji, w mózgu aktywują się miliony neuronów.

 

Naukowcy zainteresowali się, co by się stało, gdyby odłączyli kabel joysticka, a ruchy kursora uzależnili od sygnałów płynących z komputera przetwarzającego aktywność neuronów, o której informacje płynęły z chipa. Zrobili to i... zwierzęta po krótkim czasie nauczyły się kierować kursorem tylko za pomocą umysłu! Niewiarygodne stało się rzeczywistością! Zespołowi Johna Donoghue udało się przekazać myśli małpy do maszyny.


Trzecia ręka jak własna

 

Wkrótce potem dwaj amerykańscy badacze, Miguel Nicolelis z Duke University i Andrew Schwartz z University of Pittsburgh osiągnęli podobne rezultaty. Nicolelis wprowadził do kory ruchowej małp laboratoryjnych aż tuzin elektrod, które odbierały sygnały z wielu neuronów w różnych miejscach mózgu. Dzięki temu liczba uzyskiwanych danych znacząco wzrosła. Bodźce płynęły z czipów do komputera, ten znów odgadywał „wzór” związany z konkretnym ruchem i przekazywał informację o nim do mechanizmów kierujących sztuczną ręką, przymocowaną do stołu. I znów, jeśli małpy myślały o ruchu w prawo – proteza poruszała się w prawo, gdy myślały o ruchu w lewo – proteza posłusznie wędrowała w lewą stronę.

 

Andrew Schwartz nauczył małpki jeszcze bardziej złożonej czynności: potrafiły się karmić kawałkami owoców podawanymi sztuczną ręką, poruszaną siłą ich myśli. Miguel Nicolelis poszedł tym tropem i zorganizował eksperyment, w którym dwa makaki miały poruszać za pomocą myśli sztuczną ręką, podczas gdy on zwrotnie – powodując mrowienie na skórze zwierzęcia – dawał im informację o tym, jak mocny jest uchwyt protezy. Zwierzęta, rozpoznając intensywność mrowienia, miały nauczyć się regulować siłę uścisku, tak by nie zgnieść owocu. – Makaki wykorzystywały trzecią rękę, jakby była ich własną – opowiadał potem zdumiony Nicolelis. Naukowcy mają nadzieję, że dzięki tej technologii będzie można stworzyć niezwykle czułą protezę dla ludzi.

VERENA AHNE

Aby przeczytać ten artykuł kup wydanie archiwalne „Psychologii Dziś”.