Vědci EPFL vyvinuli pokročilé miniaturizované rozhraní mozek-stroj nové generace schopné přímo transformovat myšlenky na text pomocí velmi malých křemíkových čipů. Kredit: EPFL

Francouzskému novináři Jeanu-Dominiqueovi Baubymu bylo třiačtyřicet, když před Vánoci roku 1995 kompletně ochrnul v důsledku těžké mozkové mrtvice. Nemohl mluvit a se světem komunikoval jen mrkáním levého oka. O zkušenosti člověka s tzv. syndromem uzamčení, kdy je dokonale fungující mozek uvězněn v ochrnutém těle, se Bauby podělil v autobiografickém románu Skafandr a motýl. Ošetřovatelka Claude Mendibilová četla ochrnutému novináři abecedu a ten jí mrknutím oka signalizoval, když došla k správnému písmeni. Bauby tak písmenko po písmenku „namrkal“ bestseller, podle kterého vznikl i film oceněný Zlatým globem a Césarem.

Jean-Dominique Bauby, šéfredaktor francouzského Elle a otec dvou malých dětí, po těžké mrtvici, se ocitl zcela paralyzován a oněměl. Schopný pohnout pouze jedním víčkem a ‚nadiktoval‘ pozoruhodnou knihu.

Bauby zemřel v roce 1997. Kdyby žil dnes, mohl by ke komunikaci a psaní využít systémy BMI (Brain Machine Interface), které snímají elektrické impulzy neuronů ve vybraném mozkovém centru, posílají je do počítače, který je dekóduje a následně interpretuje ve formě, kterou dokážou vnímat lidé kolem. Před třemi lety tak například tým vedený Krishnou Shenoyem ze Stanford University naučili BMI luštit vzruchy neuronů v mozkovém centru řídícím jemné pohyby ruky. Když si člověk představí, že píše, počítač zobrazí myšlená písmena na monitoru. Vloni představili Shenoy a spol. BMI luštící vzruchy řečového centra člověka, který si myslí slova a věty, a převádí je hlasovým syntezátorem do mluvené řeči. Systémy jsou určeny pro snadnější komunikaci pacientů „uzamčených“ v ochrnutém těle podobně, jako byl Jean-Dominique Bauby.

Mahsa Shoaran, Švýcarský federální technologický institut v Lausanne Kredit: Kredit: EPFL

BMI jsou – dnes už můžeme říci, že byly – objemné a energeticky náročné. Jejich praktické použití to značně omezovalo. To se nyní mění s novým BMI vyvinutým vědci z Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). Autoři ho označují jako MiBMI (Miniaturized Brain-Machine Interface), protože celé zařízení se vměstná na plochu pouhých 2,46 mm². Je tedy extrémně malý, a navíc má i extrémně nízkou spotřebu energie. Tým vedený Mahsou Shoaranovou z EPFL přestavil MiBMI ve vědeckém časopise IEEE Journal of Solid-State Circuits a referoval o něm také na International Solid-State Circuits Conference. MiBMI „luští“ nervové vzruchy mozkového centra řídícího pohyb ruky a převádí představu psaní jednotlivých písmen na zobrazitelný text.

S MiBMI se celý obor dramaticky posouvá k zařízením, která budou kompletně voperovatelná do těla pacienta. Jde tedy o obrovský příslib pro lidi s onemocněními, jako je amyotrofická laterální skleróza, nebo pro lidi ochrnuté po poranění míchy. Záznam nervových vzruchů a zpracování takto zachyceného signálu probíhá v MiBMI na dvou extrémně malých čipech o celkové ploše 8 mm². MiBMI zaznamenává data v reálném čase a také je v reálném čase zpracovává. Systém pro záznam nervových vzruchů pracuje na 192 kanálech a dekodér těchto signálů pracuje na 512 kanálech.

První miniaturizované rozhraní mozek-stroj, Kredit: EPFL / Lundi13 - CC-BY-SA 4.0

„MiBMI nám umožňuje převádět složitou nervovou aktivitu na čitelný text s vysokou přesností a nízkou spotřebou energie. Přibližujeme se tak k prakticky použitelným, implantovatelným zařízením, která mohou výrazně zlepšit komunikaci lidí s těžkým motorickým postižením,“ říká Mahsa Shoaranová.

Čip vyvinutý v EPFL zatím neprošel „zkouškou ohněm“ v mozku pacienta. Vědci ho „nakrmili“ daty získanými z tradičních BMI „čtoucích“ pohyb ruky při psaní. Ty jim poskytli vědci ze Shenoyova týmu na Stanford University. MiBMI zvládl jejich „luštění“ se spolehlivostí 91 %. Ze zkušeností Shenoyova týmu vyplývá, že když se systém doplní o automatickou korekci pravopisu, jakou používají třeba chytré mobilní telefony, stoupne spolehlivost přepisu myšleného textu k 99 %.

Čip dokáže dekódovat až 31 různých znaků, ale jeho autoři jsou si jistí, že zvládne až 100 znaků. Pro latinku a mnohá další písma je to naprosto dostačující. Problém by nastal v případě japonských nebo čínských znaků. Těch je zapotřebí „rozluštit“ mnohonásobně víc.

Pro zpracování obrovského množství dat zachycených elektrodami museli vědci použít nový postup pro jejich dekódování. Zjistili, že aktivita mozkového centra pacienta, který si představuje, že píše rukou, obsahuje velmi specifické markery, tzv. distinctive neural codes (DNC). Čip nezpracovává tisíce bajtů dat pro každé písmeno, ale zabývá se pouze DNC, které mají kolem sta bajtů. Díky tomu je systém rychlý, přesný a má nízkou spotřebu energie. MiBMI se samozřejmě nenabízí jen pro převod představy psaní na text.

„Spolupracujeme s dalšími výzkumnými skupinami na testování systému v různých kontextech, jako je dekódování řeči a ovládání pohybu. Naším cílem je vyvinout všestranný BMI, který lze přizpůsobit různým neurologickým poruchám a poskytovat pacientům širší škálu možností,“ říká Shoaranová.

Kolem výsledků vědců z EPFL jistě nebude takový humbuk jako kolem hokuspokusů Neuralinku Elona Muska, které zatím končí fiaskem. Ale můžeme si být celkem jistí, že budoucnost BMI (či spíše MiBMI) píšou právě Shoaranová a spol. a další světové týmy. Neuralink se na tom zatím jen přiživuje velkohubými prohlášeními.

Prameny:

Willett, F. R., Avansino, D. T., Hochberg, L. R., Henderson, J. M., & Shenoy, K. V. (2021). High-performance brain-to-text communication via handwriting. Nature, 593(7858), 249-254.

Willett, F. R., Kunz, E. M., Fan, C., Avansino, D. T., Wilson, G. H., Choi, E. Y., ... & Henderson, J. M. (2023). A high-performance speech neuroprosthesis. Nature, 620(7976), 1031-1036.

Shaeri, M. A., Shin, U., Yadav, A., Caramellino, R., Rainer, G., Shoaran M. (2024) A 2.46-mm2 Miniaturized Brain–Machine Interface (MiBMI) Enabling 31-Class Brain-to-Text Decoding. IEEE Journal of Solid-State Circuits. doi: 10.1109/JSSC.2024.3443254

https://www.theguardian.com/technology/article/2024/may/09/neuralink-brain-chip-implant