Od mózgów elektronicznych po siłę umysłu

Technologie informatyczne od dłuższego czasu są powiązane z ludzkim umysłem: jakiś czas temu komputer określano w prosty sposób, jako "rodzaj elektronicznego mózgu". Jednak komputery w krótkim czasie stały się tak powszechne, że obecnie mózg określa się niekiedy jako "rodzaj biologicznego komputera".

Komentując tegoroczny budżet w kwocie 150 milionów euro, przeznaczony na projekty badawcze z dziedziny TIK dotyczące mózgu, Neelie Kroes, Wiceprzewodnicząca Komisji Europejskiej odpowiedzialna za Agendę Cyfrową dla Europy, stwierdziła, że "pomimo ogromnych postępów, które dokonały się w ciągu ostatnich dziesięcioleci, nadal istnieje wiele do odkrycia: począwszy od rozwiązań komputerowych, które będą funkcjonować podobnie, jak czynią to nasze mózgi, takich jak sieci komputerowe imitujące strukturę umysłu człowieka, w celu lepszego przetwarzania "dużych danych" ('big data'), aż po diagnozowanie i leczenie schorzeń mózgu, na które cierpi każdego roku prawie jedna trzecia Europejczyków, takich jak choroba Alzheimera, autyzm oraz schizofrenia".

Tęga głowa

W związku z powyższym zrozumienie zasad działania ludzkiego mózgu stanowi jedno z największych wyzwań naukowych 21-go wieku. Uczestnicy ambitnych, nowych projektów realizowanych w ramach działania "Przyszłe i Powstające Technologie" - 'Future and Emerging Technologies' , pod egidą inicjatywy 'Human Brain Project' - HBP , a także w Stanach Zjednoczonych, w ramach projektu BRAIN, stawiają czoła tego rodzaju wyzwaniom, z nadzieją dogłębnego poznania mechanizmów funkcjonowania ludzkiego organizmu, w celu opracowania nowych metod leczenia schorzeń mózgu oraz nowych, rewolucyjnych rozwiązań obliczeniowych.

Podstawowym celem inicjatywy HBP jest opracowanie zintegrowanego systemu platform badawczych opartych na technologiach TIK, zapewniających neurobiologom, badaczom klinicznym oraz twórcom technologii dostęp do innowacyjnych narzędzi i usług, które pozwolą radykalnie zwiększyć tempo prowadzonych przez nich badań. Projekt HBP uzyska w ciągu 10 lat wsparcie finansowe w kwocie około 1 miliarda euro, a jego uczestnicy będą ściśle współpracować z nową inicjatywą prezydenta Obamy dotycząca "Mapowania aktywności mózgu" - 'Brain Activity Mapping', BAM , której budżet w pierwszym roku realizacji prac wyniesie 100 milionów dolarów.

Drugim celem inicjatywy HBP jest zapoczątkowanie i dalsze stymulowanie globalnego, wspólnego wysiłku, polegającego na korzystaniu z powyższych platform w celu sprostania podstawowym wyzwaniom w dziedzinie neurobiologii, medycyny oraz informatyki. Efektem końcowym powyższych wysiłków powinno być nie tylko lepsze zrozumienie zasad działania mózgu, ale także opracowanie całkowicie nowych rozwiązań z dziedziny TIK. Przykładowo, mózg zarządza miliardami jednostek obliczeniowych, połączonych ze sobą kilometrami włókien i bilionami synaps, zużywając jednocześnie mniej energii niż żarówka. Zrozumienie mechanizmów jego działania mogłoby zrewolucjonizować dostępną moc obliczeniową i pomóc opracować nową infrastrukturę TIK.

Tęgie głowy: ludzie pomagający komputerom

Wszyscy wiemy, że współczesny świat oferuje ogromną ilość informacji, obecnej zarówno w supermarketach, jak i docierającej do nas w postaci reklam internetowych, często wymagając od nas szybkiego podejmowania decyzji na ruchliwych ulicach lub w zatłoczonych sklepach. Być może jest to zaskakujące, ale powyższe wyzwania mają swe analogie w wielu dziedzinach nauki, takich jak astronomia, neurobiologia, archeologia, historia oraz ekonomia.

Naukowcy zgłębiający te dziedziny wiedzy często muszą zrozumieć bardzo rozległe i skomplikowane zbiory danych. Uczestnicy projektu CEEDS opracowują nowe narzędzia służące do "interakcji człowiek-maszyna" ('human-computer interaction' - HCI), których celem jest wspieranie procesów podejmowania codziennych decyzji oraz ułatwianie analizowania informacji naukowych. Podejście obrane przez uczestników projektu CEEDS bazuje na nowych systemach "rzeczywistości syntetycznej" ('synthetic reality' - SR), które ułatwiają świadome przeglądanie dużych zbiorów danych, przy jednoczesnym wykorzystaniu mocy i potencjału nieświadomego mózgu.

Jesteśmy świadomi zaledwie niewielkiego podzbioru informacji docierających do nas za pośrednictwem zmysłów, jednak nasz mózg podświadomie przetwarza pozostałe bodźce, a także bardzo skutecznie wykrywa wzorce. Dlatego uczestnicy inicjatywy CEEDS zamierzają zbadać te podświadome procesy, oczekując nowych odkryć oraz niespodzianek, wykorzystując przenośne technologie, które pozwalają mierzyć reakcje ludzi na wizualizację dużych zbiorów danych w środowiskach SR. Następnie system CEEDS będzie nakierowywał użytkowników na potencjalnie interesujące obszary wizualizacji oraz pomoże im rozpoznawać wzorce i znaczenia w obrębie zbiorów danych.

Uwalniając moc podświadomości rozwiązanie CEEDS pomoże użytkownikom odnajdywać wzorce lub sygnały ukryte pośród dużych ilości danych. Ta nowa, jednolita technologia, w której komputery i użytkownicy stanowią integralną część systemu, być może pozwoli nawet wielu użytkownikom współpracować, w celu stworzenia kolektywnego systemu badawczego.

Podczas, gdy rozwiązanie CEEDS ułatwia współpracę komputerów i ludzi, projekt BRAINSCALES pomaga komputerom "myśleć" bardziej jak ludzie. Nasze umysły pracują jednocześnie na wielu płaszczyznach: od pojedynczych neuronów po duże obszary dedykowane konkretnym funkcjom, takim jak wzrok czy węch oraz od przetwarzania w ciągu milisekund (reakcje fizyczne) aż po przetwarzanie przez wiele dni (uczenie się). Uczestnicy projektu BRAINSCALES korzystają z symulacji z zastosowaniem super-szybkich komputerów, w celu stworzenia "sztucznej syntezy korowych umiejętności poznawczych" oraz opracowują "nie von Neumannowską architekturę sprzętową".

Tradycyjne komputery oparte są na architekturze "von Neumanna", powszechnie stosowanej w komputerach osobistych, w przypadku której pamięć i urządzenia magazynujące oddzielone są od jednostek obliczeniowych. Jednakże uczestnicy inicjatywy BRAINSCALES opracowali nie von Neumannowskie urządzenia obliczeniowe, wykorzystując struktury imitujące wielopłaszczyznowe funkcjonowanie ludzkiego mózgu. Prace uczestników projektu BRAINSCALES mają zastosowanie poza dziedziną nauk o mózgu, a także okazały się przydatne podczas przygotowywania projektu FET Human Brain Project .

Z kolei celem projektu REALNET jest opracowanie pierwszego, realistycznego modelu ludzkiego móżdżku czasu rzeczywistego. Móżdżek to obszar mózgu odgrywający istotną rolę w motoryce oraz odpowiedzialny za funkcje poznawcze, takie jak skupienie uwagi oraz umiejętności językowe. Uczestnicy inicjatywy REALNET opracowują specjalistyczne mikroukłady oraz techniki obrazowania, które pozwolą rejestrować neurofizjologiczne mechanizmy zachodzące w neuronach zlokalizowanych w móżdżku.

Końcowym efektem powyższych prac będzie realistyczna sieć neuronowa, bazująca na danych anatomicznych i fizjologicznych, która znajdzie zastosowanie zarówno w symulowanych, jak i w rzeczywistych robotach, co pozwoli ocenić przydatność tej sieci. Celem projektu REALNET jest także zaproponowanie całkowicie nowego spojrzenia na obliczenia zachodzące w centralnych obwodach mózgowych, co pozwoli położyć podwaliny pod nowe rozwiązania technologiczne z dziedziny sensoryki, sterowania oraz systemów kognitywnych.

Sterowanie umysłem: komputery pomagające ludziom

Badania TIK dotyczące mózgu nie tylko pozwalają lepiej zrozumieć funkcjonowanie umysłu oraz imitować je, ale także mają na celu urzeczywistnienie snu, który jest równie stary, jak baśnie i opowiadania - snu o kontrolowaniu świata fizycznego za pośrednictwem umysłu, czyli np. przemieszczaniu obiektów z wykorzystaniem wyłącznie myśli.

W powyższym kontekście jedną z największych kontrybucji badań nad umysłem może okazać się niesienie pomocy sparaliżowanym ofiarom wypadków samochodowych, osobom cierpiącym na całkowity paraliż, czy też pacjentom dotkniętym zespołem zamknięcia. Miliony Europejczyków cierpi na jakiś rodzaj niepełnosprawności ruchowej, ograniczającej ich mobilność, a także możliwość interakcji i komunikacji z innymi ludźmi.

Projekt BRAINABLE to trzyletnia inicjatywa wsparta kwotą 2,3 milionów euro, której celem jest opracowanie oraz zintegrowanie ze sobą zaawansowanych "interfejsów mózg-komputer" ('brain-computer interface' - BCI), rozwiązań z dziedziny inteligentnego otoczenia ('ambient intelligence' - AmI) oraz wirtualnej rzeczywistości ('virtual reality' - VR), a także innych technologii, których połączenie prawdopodobnie pozwoli zapewnić niespotykaną dotychczas autonomię osobom niepełnosprawnym.

"Naszym celem jest zapewnienie osobom cierpiącym na niepełnosprawność ruchową tak dużej autonomii, na jaką pozwala współczesna technologia, a tym samym znaczne poprawienie jakości ich życia", twierdzi Felip Miralles, pracownik Centrum Technologii Cyfrowych w Barcelonie - hiszpańskiego centrum badawczego będącego koordynatorem projektu BRAINABLE.

Łącząc BCI oraz inne technologie wspomagające naukowcy umożliwili użytkownikom zdalne kontrolowanie robotów oraz sterowanie nimi w obrębie domu, a także zwiększyli możliwości pacjentów w zakresie komunikacji z innymi ludźmi. Uczestnicy inicjatywy BRAINABLE stawiają czoła powolnemu czasowi reakcji dotychczasowych systemów poprzez wbudowywanie inteligencji w obrębie opracowywanej przez siebie platformy, dzięki czemu system jest w stanie "rozumieć" kontekst, w którym funkcjonuje użytkownik oraz jego nawyki, a także może działać w sposób proaktywny. Platforma BRAINABLE umożliwia także uproszczony dostęp do portali społecznościowych, takich jak Twitter czy Facebook, które stają się coraz ważniejszym narzędziem pomagającym osobom niepełnosprawnym walczyć z izolacją społeczną.

Nad innym, rewolucyjnym zastosowaniem technologii BCI pracują natomiast uczestnicy finansowanego przez UE projektu MINDWALKER , którzy pragną pomóc tysiącom Europejczyków cierpiących na paraliż będący następstwem urazu rdzenia kręgowego. Sterowany umysłem egzoszkielet, opracowywany w ramach tego projektu, powinien pomóc pacjentom ponownie chodzić. Egzoszkielekt MINDWALKER być może pozwoli także usprawnić rehabilitację ofiar udaru mózgu oraz pomoże astronautom odbudowywać masę mięśniową po długim pobycie w przestrzeni kosmicznej.

Większość systemów BCI jest inwazyjna, wymagając umieszczenia elektrod bezpośrednio w mózgu pacjenta, lub też wymaga od użytkowników noszenia "mokrego" nakrycia głowy oraz stosowania specjalnego żelu, który zmniejsza opór elektryczny. W ramach projektu MINDWALKER wykorzystano "suchą" technologię oraz rozwiązania elektroniczne, które pozwalają wzmacniać i optymalizować sygnały pochodzące z mózgu.

"Suche nakrycie głowy EEG może być ubierane przez użytkowników w czasie krótszym niż minuta, podobnie jak czepek kąpielowy", tłumaczy Michel Ilzkovitz, koordynator projektu oraz pracownik belgijskiej firmy Space Application Services.

Co więcej, uczestnicy projektu opracowali nową metodą ułatwiającą chodzenie, różniącą się od większości wcześniejszych egzoszkieletów, które projektowano w taki sposób by znajdowały się w stanie równowagi, gdy są całkowicie lub prawie całkowicie nieruchome. Rozwiązanie MINDWALKER bazuje na kontrolowanej utracie równowagi w kierunku przemieszczania się, odzwierciedlając tym samym sposób chodzenia człowieka.

"Powyższe podejście, określane jako 'Limit-cycle walking', wdrożono bazując na sterowaniu predykcyjnym, polegającym na przewidywaniu zachowań użytkownika oraz egzoszkieletu i odpowiednim kontrolowaniu egzoszkieletu podczas chodu", tłumaczy Ilzkovitz. Zwiększona wydajność oznacza, że egzoszkielet charakteryzuje się większym zasięgiem oraz umożliwia stosowanie lżejszych baterii.

Niepełnosprawność fizyczna nie tylko ogranicza mobilność - może także powodować izolację społeczną oraz uniemożliwiać czerpanie pełnych korzyści ze współczesnego, internetowego świata. Dlatego uczestnicy projektu ASTERICS pracowali nad platformą wspierającą, która ułatwia i usprawnia komunikację w przypadku osób cierpiących na niepełnosprawność ruchową kończyn górnych. W ramach rozwiązania ASTERICS połączono BCI, widzenie komputerowe oraz stosunkowo proste siłowniki, pozwalające sterować systemem komputerowym.

Przed zakończeniem prac w grudniu 2012 roku uczestnikom inicjatywy ASTERICS udało się stworzyć produkt umożliwiający dostęp do różnorakich urządzeń, takich jak komputery osobiste, telefony komórkowe oraz inteligentne urządzenia domowe, a opracowane rozwiązania mogą być wdrażane w obrębie platformy, którą da się dostosować do potrzeb poszczególnych użytkowników. Rozwiązanie ASTERICS dostępne jest zarówno w formie oprogramowania o otwartym kodzie źródłowym, jak i w postaci prekonfigurowanego urządzenia, sprzedawanego za pośrednictwem dystrybutorów.

Tego rodzaju systemy mogą w przyszłości poprawić jakość życia tysięcy osób. W drugiej części tego artykułu przedstawimy niektóre z pozostałych zastosowań badań z dziedziny TIK dotyczących mózgu, finansowanych przez Unię Europejską.

Projekty opisane w niniejszym artykule uzyskały wsparcie w ramach działania na rzecz wspierania technologii TIK, będącego częścią Programu na rzecz Konkurencyjności i Innowacji ('Competitiveness and Innovation Programme') lub w ramach Siódmego Programu Ramowego (7PR).

Odnośniki do projektów na stronie CORDIS:

- informacje na temat 7PR w bazie danych CORDIS
- informacje na temat projektu CEEDS w bazie danych CORDIS
- informacje na temat projektu BRAINSCALES w bazie danych CORDIS
- informacje na temat projektu REALNET w bazie danych CORDIS
- informacje na temat projektu BRAINABLE w bazie danych CORDIS
- informacje na temat projektu MINDWALKER w bazie danych CORDIS
- informacje na temat projektu ASTERICS w bazie danych CORDIS

Odnośnik do strony internetowej projektu:

- strona internetowa projektu Human Brain Project
- strona internetowa projektu 'Collective experience of empathic data systems'
- strona internetowa projektu 'Brain-inspired multiscale computation in neuromorphic hybrid systems'
- strona internetowa projektu 'Realistic real-time networks: computation dynamics in the cerebellum'
- strona internetowa projektu 'Autonomy and social inclusion through mixed reality "brain-computer interfaces": Connecting the disabled to their physical and social world'
- strona internetowa projektu 'Mind controlled orthosis and VR training environment for walk empowering'
- strona internetowa projektu 'Assistive technology rapid integration and construction set'

Odnośniki do powiązanych wiadomości i artykułów:

- Wpis na blogu Komisarz Kroes dotyczący Europejskiego Miesiąca Mózgu: 'the EU and US putting our grey matter together'
- Komunikat prasowy KE: 150 milionów euro funduszy unijnych na początek "Miesiąca Mózgu"
- Pytania i odpowiedzi KE: Pytania i odpowiedzi dotyczące "Europejskiego Miesiąca Mózgu"
- strona internetowa KE dotycząca "Europejskiego Miesiąca Mózgu", Maj 2013
- Wydarzenia organizowane pod egidą "Europejskiego Miesiąca Mózgu", Maj 2013
- "Usprawniony interfejs mózg-komputer obiecuje niespotykaną autonomię" - 'Enhanced brain-computer interface promises unparalleled autonomy for disabled'
- "Sterowany umysłem egzoszkielet, który pomoże osobom niepełnosprawnym ponownie chodzić" - 'Mind-controlled exoskeleton to help disabled people walk again'

Pozostałe odnośniki:

- strona internetowa Agendy Cyfrowej Komisji Europejskiej