Έρευνα για διεπαφή εγκέφαλου – υπολογιστή: Επιτυχίες, δυσκολίες και ραγδαία εξέλιξη
Το εμφύτευμα της «Neuralink» επεμβατικής διεπαφής εγκεφάλου – υπολογιστή μέσω μικροηλεκτροδίων
Πριν από δύο χρόνια πολλοί θεωρούσαν ότι η Τεχνητή Νοημοσύνη (ΤΝ), τουλάχιστον εκείνη που έχει κάποιες ομοιότητες με την ανθρώπινη σκέψη, παρέμενε περισσότερο επιστημονική φαντασία. Ο τομέας σημείωνε προόδους, αλλά αυτές ήταν κατά βάση άγνωστες στους μη ειδικούς. Ήρθαν το ChatGPT και τα άλλα Μεγάλα Γλωσσικά Μοντέλα και ξαφνικά όλοι ήρθαν σε επαφή με ΤΝ, που μπορεί μεν να μη σκεφτόταν και να μην κατανοούσε τον κόσμο σαν άνθρωπος, αλλά μιλούσε σαν άνθρωπος και μπορούσε ακόμη και να περνάει με επιτυχία πανεπιστημιακές εξετάσεις! Έγινε δυνατή η παραγωγή σκέψης όπως η ανθρώπινη από μηχανές; Όχι! Ωστόσο οι εξελίξεις αυτές πυροδοτούν με ραγδαίο ρυθμό αλλαγές στην εργασία και ευρύτερα στην κοινωνία, που οι επιπτώσεις τους αρχίζουν ήδη να γίνονται εμφανείς, ιδίως στις πιο προηγμένες χώρες, αλλά που θα εκφραστούν περισσότερο τα επόμενα χρόνια.
Ένας άλλος τομέας που συγκεντρώνει όλο και μεγαλύτερο ενδιαφέρον επιχειρηματιών, κρατών και επιστημόνων, κρίνοντας από τον αριθμό των επιστημονικών δημοσιεύσεων κατ΄ έτος και τα ποσά που επενδύονται, είναι αυτός της δημιουργίας διεπαφών μεταξύ του ανθρώπινου εγκεφάλου και των ηλεκτρονικών υπολογιστών. Μπορεί κανείς να σκεφτεί: Μα είναι δυνατόν να υπάρξει τέτοια διεπαφή, που να επιτρέπει την αμφίδρομη επικοινωνία μεταξύ ανθρώπου και μηχανής; Πώς θα μπορούσαν κάποια ηλεκτρονικά στοιχεία να «μεταφράσουν» ή να «διαβάσουν» μια ανώτερη λειτουργία όπως η σκέψη, πολύ περισσότερο να την «τροφοδοτήσουν»; Μήπως το εγχείρημα είναι αντιδιαλεκτικό, μηχανιστικό και κατά συνέπεια καταδικασμένο να αποτύχει; Και σε κάθε περίπτωση μήπως είναι κάτι ακόμα πολύ μακρινό, ώσπου να γίνει πραγματικότητα;
Σκέψη και νόηση
Η ενστικτώδης αντίδραση είναι αποτέλεσμα της λειτουργίας του γαγγλιακού συστήματος των κατώτερων ζώων που το διαθέτουν, η περιορισμένη σκέψη (π.χ. προγραμματισμός διαδοχής ενεργειών) είναι προϊόν της νευρικής λειτουργίας του εγκεφάλου όλων των ανώτερων ζώων και η νόηση αποτέλεσμα της κοινωνικής ανάπτυξης του ανθρώπινου είδους, που οικοδομήθηκε πάνω στην ισχυρή βιολογική βάση του εγκεφάλου του homo sapiens, όπως αυτός διαμορφώθηκε εξελικτικά. Η νόηση είναι ανώτερη μορφή κίνησης της ύλης, όπως αυτή εκδηλώνεται στο επίπεδο οργάνωσης της ύλης που αντιπροσωπεύει ο εγκέφαλος (βιολογικό επίπεδο), με κατώτερα επίπεδα εκείνο της κίνησης ηλεκτρικών φορτίων και ακόμη πιο κάτω απ΄ αυτό, το βιοχημικό επίπεδο, που επιτρέπει τη δημιουργία των ηλεκτρικών δυναμικών, των ροών ηλεκτρισμού και τη διατήρηση στη ζωή των νευρικών κυττάρων. Βεβαίως η ανθρώπινη νόηση δεν αποτελεί απλώς μια «βιολογική» κατάκτηση, είναι ένα αποκλειστικά ανθρώπινο χαρακτηριστικό, αποτέλεσμα της διαλεκτικής σχέσης ανάμεσα στη βιολογική και κοινωνική του ανάπτυξη, που αποτελεί μια ανώτερη μορφή κίνησης της ύλης.
Πίθηκος ελέγχει ρομποτικό βραχίονα μέσω διεπαφής εγκεφάλου – υπολογιστή
Ποιοι είναι όλοι οι βιολογικοί μηχανισμοί της νόησης δεν γνωρίζουμε ακόμη. Γνωρίζουμε όμως ότι τα δίκτυα νευρώνων στον φλοιό του εγκεφάλου, πέρα από τις γενετικά εγγεγραμμένες ηλεκτρικές συνδέσεις μεταξύ τους, που έχουν κατακτηθεί εξελικτικά, αποκτούν νέες συνδέσεις, άλλες πιο ισχυρές και άλλες λιγότερο, εκπαιδεύονται δηλαδή, καθώς ο άνθρωπος αλληλεπιδρά με το φυσικό και κοινωνικό περιβάλλον. Οι νευρώνες του εγκεφάλου πυροδοτούν, στέλνουν δηλαδή παλμούς ηλεκτρικών φορτίων μέσω των αξόνων και των δενδριτών, επιδρώντας στους ιστούς (π.χ. μυϊκός), αλλά και ο ένας στον άλλο, διαμορφώνοντας κάθε στιγμή μια νέα κατάσταση μέσα στον ίδιο τον εγκέφαλο. Εως έναν βαθμό μπορούμε να καταγράψουμε αυτήν την περίπλοκη ηλεκτρική δραστηριότητα, αλλά η αποτύπωση δεν είναι ευανάγνωστη όσο η λεκτική διατύπωση μιας σκέψης. Ο λόγος είναι ο τρόπος πραγματοποίησης και μετάδοσης της σκέψης στο ανθρώπινο είδος. Είναι φανερό ότι η «νόηση», το «πνεύμα», ο «λόγος» του ανθρώπου δεν προκύπτουν από την ιδεαλιστική έννοια της «ιδέας», αλλά από σύνθετες διεργασίες ανώτερων και κατώτερων μορφών κίνησης της ύλης. Γι; αυτό και δεν έχουν κάποιο μυστικιστικό περιεχόμενο.
Οδός επικοινωνίας
Η διεπαφή εγκεφάλου – υπολογιστή είναι μια άμεση οδός επικοινωνίας μεταξύ της ηλεκτρικής δραστηριότητας του εγκεφάλου και μιας εξωτερικής συσκευής, είτε πρόκειται για πλήρη ηλεκτρονικό υπολογιστή, είτε για μικροελεγκτή κάποιου ρομποτικού μηχανισμού (π.χ. τεχνητού μέλους). Οι υλοποιήσεις τέτοιων διεπαφών χωρίζονται σε τρεις μεγάλες κατηγορίες ανάλογα με την εγγύτητα των ηλεκτροδίων και του εγκεφαλικού ιστού: Τις μη επεμβατικές, αυτές δηλαδή που δεν απαιτούν χειρουργική επέμβαση (ηλεκτροεγκεφαλογραφία, μαγνητοεγκεφαλογραφία, απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού), τις κατά ένα μέρος επεμβατικές (ηλεκτροφλοιογραφία και ενδοαγγειακή τοποθέτηση ηλεκτροδίων), που απαιτούν χειρουργική επέμβαση αλλά δεν φέρουν σε άμεση επαφή τα δύο στοιχεία, και τις επεμβατικές, που απαιτούν διάτρηση του κρανίου (διάταξη μικροηλεκτροδίων σε άμεση σύνδεση με νευρώνες), όπως αυτή που δοκίμασε πριν από λίγο καιρό σε έναν παραπληγικό η εταιρεία «Neuralink» του Ιλον Μασκ, στο πλαίσιο του προγράμματος «Telepathy». Την περασμένη Τρίτη ο Μασκ δήλωσε ότι ο ασθενής ανέκαμψε και είναι σε θέση να μετακινεί ένα ποντίκι στην οθόνη μόνο με τη σκέψη του. Τίποτα το αδύνατο να συμβεί ή το μαγικό δεν υπάρχει σε αυτό. Το ηλεκτρικό αποτύπωμα της σκέψης μετακίνησης του ποντικιού προς τη μία ή την άλλη κατεύθυνση είχε καταγραφεί και το εμφύτευμα, μεταδίδοντας ασύρματα το ηλεκτρικό αποτύπωμα της εγκεφαλικής λειτουργίας του παραπληγικού σε πραγματικό χρόνο, επιτρέπει στον υπολογιστή να το συγκρίνει με τα καταχωρημένα δεδομένα και ανάλογα με ποια από αυτά ταιριάζει να μετακινεί κατάλληλα τον δρομέα του ποντικιού.
Επεμβατικές και μερικώς επεμβατικές υλοποιήσεις διεπαφών εγκεφάλου – υπολογιστή
Όπως εξηγούσε ο καθηγητής Νευρολογίας στην Ιατρική Σχολή του ΕΚΠΑ – Αιγινήτειο Νοσοκομείο, Νίκος Σκαρμέας, σε συνέντευξή του στην «ERT NEWS»: «Το σκεπτικό είναι το εξής. Να μπορούμε να καταγράφουμε τη λειτουργία του εγκεφάλου, τα σήματα που εκπέμπει ο εγκέφαλος, ας το πούμε ηλεκτρικά σήματα, και να μπορούμε να κατανοούμε κάθε τέτοιο σήμα σε τι είδους εντολή του εγκεφάλου αντιστοιχεί (…) για παράδειγμα εγώ σκέφτομαι αυτήν τη στιγμή ότι περπατάω προς την πόρτα και ανοίγω την πόρτα βάζοντας το κλειδί, ο εγκέφαλός μου, όταν το σκέφτομαι αυτό, βγάζει κάποια συγκεκριμένα σήματα. Θέλουμε λοιπόν με αυτήν τη βοήθεια της τεχνολογίας να καταγράψουμε αυτήν την αλληλουχία σημάτων, ώστε να γνωρίζει ο υπολογιστής ότι όταν σκέφτομαι, ότι όταν εκπέμπονται αυτά τα συγκεκριμένα σήματα, έχω στο μυαλό μου αυτήν τη συγκεκριμένη ενέργεια».
Σύμφωνα με τον καθηγητή, το σκεπτικό είναι να μπορούμε να διαβάζουμε τα σήματα του εγκεφάλου μέσω των υπολογιστών και εν συνεχεία να δίνουμε εντολή σε έναν άλλο υπολογιστή ή σε κάποιο ρομπότ, το οποίο θα εκτελεί μια συγκεκριμένη ενέργεια.
Παραδείγματος χάριν, «αντί εγώ να πιάνω το ποντίκι ή αντί να δακτυλογραφώ κάτι, απλώς να το σκέφτομαι και μια μικρή συσκευή που θα έχει εμφυτευτεί στον εγκέφαλό μου να παίρνει το σήμα, να το αναλύει και να δίνει εντολή στον υπολογιστή απευθείας ή σε ένα ρομπότ να κάνει μια συγκεκριμένη ενέργεια».
Ο πιο βολικός τύπος υλοποίησης της διεπαφής εγκεφάλου – υπολογιστή είναι φυσικά ο μη επεμβατικός και κατά δεύτερο λόγο ο μερικώς επεμβατικός. Ωστόσο, οι επεμβατικές διεπαφές επιτρέπουν τη συλλογή ακριβέστερων πληροφοριών, καθώς το ηλεκτρικό δυναμικό που μπορεί ένα εμφύτευμα να μετρήσει είναι χίλιες φορές μεγαλύτερο από αυτό που προσπαθούν να μετρήσουν οι μη επεμβατικές διεπαφές, επειδή μεσολαβούν το κρανίο, ο εγκεφαλικός φραγμός και το παρέγχυμα. Με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια μπορούν να μετρηθούν τα μιλιβόλτ (χιλιοστά του βολτ) συγκριτικά με τα μικροβόλτ (εκατομμυριοστά του βολτ). Επιπλέον, οι επεμβατικές διεπαφές μπορούν να στοχεύσουν συγκεκριμένες περιοχές νευρώνων, έως και μεμονωμένους νευρώνες, καθώς και νευρώνες που βρίσκονται σε λίγο μεγαλύτερο βάθος μέσα στον εγκέφαλο, συγκριτικά π.χ. με την ηλεκτροεγκεφαλογραφία, που μετρά ηλεκτρικά δυναμικά σε μεγάλο μέρος του κρανίου και δεν μπορεί να πάρει μετρήσεις από βαθύτερα. Η «Neuralink» και οι άλλες εταιρείες που πειραματίζονται με επεμβατικές διεπαφές προσπαθούν να αποκτήσουν όσο γίνεται περισσότερες και πιο ακριβείς πληροφορίες σχετικά με την ηλεκτρική δραστηριότητα της περιοχής του εγκεφάλου που στοχεύουν (προς το παρόν είναι κάποια περιοχή που γειτονεύει με το κινητικό κέντρο).
Πορεία
Η χρήση της διεπαφής εγκεφάλου – υπολογιστή, είτε για αντιμετώπιση κινητικών προβλημάτων του ατόμου (κίνηση ρομποτικών μελών, επικοινωνία μέσω υπολογιστή κ.λπ.), είτε για αποδοτικότερο χειρισμό των μηχανών (ενδιαφέρει επιχειρήσεις και κυβερνήσεις – στρατούς), είτε ακόμη και για ψυχαγωγικούς λόγους (παιχνίδια κ.τ.λ.), δεν προϋποθέτει την κατανόηση της ίδιας της σκέψης από τις σχετικές συσκευές. Κάπως απλουστευτικά, αρκούν η αναγνώριση της σκέψης από το ηλεκτρικό της αποτύπωμα και η δυνατότητα υποβολής σκέψης, εφαρμόζοντας μέσω της διεπαφής το καταχωρημένο αντίστοιχο με τη σκέψη ηλεκτρικό αποτύπωμα στον εγκέφαλο.
Η σχετική επιστημονική έρευνα μπορεί να έχει ενταθεί τις δύο τελευταίες δεκαετίες, αλλά έχει ξεκινήσει φέρνοντας χειροπιαστά αποτελέσματα ήδη από τη δεκαετία του 1970, δηλαδή πριν από μισό αιώνα. Αυτός που εισήγαγε τον όρο διεπαφή εγκεφάλου – υπολογιστή ήταν ο Ζακ Βιντάλ, που το 1977 επέδειξε τη δυνατότητα μέσω εγκεφαλογραφίας το υποκείμενο να μετακινεί ένα αντικείμενο μέσα σε λαβύρινθο, που απεικονιζόταν σε οθόνη υπολογιστή. Την ίδια περίοδο ερευνητές πέτυχαν να κατασκευάσουν διεπαφή που επέτρεπε σε πιθήκους να κινούν με το μυαλό τους μηχανικούς βραχίονες για να φέρνουν τροφή στο στόμα τους. Τη δεκαετία του 1980, ο Α. Γεωργόπουλος στο Πανεπιστήμιο Τζονς Χόπκινς ανακάλυψε τη μαθηματική σχέση ανάμεσα στα ηλεκτρικά δυναμικά μεμονωμένων νευρώνων των μακάκων πιθήκων και στην κατεύθυνση στην οποία ανοίγουν τα χέρια τους. Το 1988 επιδείχθηκε για πρώτη φορά διεπαφή και πάλι μέσω ηλεκτροεγκεφαλογραφίας, που επέτρεπε σε άνθρωπο να ελέγχει ρομπότ με τη σκέψη του (Μποζινόβσκι, Σέστακοφ, Μποζινόφσκα). Το 1990 κατασκευάστηκε διεπαφή που ανίχνευε το δυναμικό CNV του εγκεφάλου, το οποίο μεταβάλλεται μερικές στιγμές πριν συμβεί ένα αναμενόμενο γεγονός. Τη δεκαετία του 1990, ο Μ. Νικολέλις στο Πανεπιστήμιο Ντιουκ έφτιαξε διεπαφές που επέτρεπαν την καταγραφή χειρισμών ρομποτικού βραχίονα από πιθήκους και την αναπαραγωγή των χειρισμών. Εδειξε ότι η δραστηριότητα μεγάλων ομάδων νευρώνων μπορεί να αποτελέσει πρόβλεψη για τη θέση του βραχίονα. Το 1999 αποκωδικοποιήθηκαν οι νευρωνικές πυροδοτήσεις που δημιουργούνται στον εγκέφαλο μιας γάτας από τις εικόνες που βλέπει, παράγοντας θολές εκδοχές με μεγάλη ομοιότητα με τις πραγματικές εικόνες.
Το 2005, ο τετραπληγικός Μ. Ναγκλ έγινε ο πρώτος άνθρωπος που μπόρεσε να ελέγξει με τη σκέψη του ένα τεχνητό χέρι, χρησιμοποιώντας διεπαφή (εμφύτευμα) της «Cyberkinetics». Το εμφύτευμα είχε 10 φορές λιγότερα ηλεκτρόδια από αυτό που τοποθέτησε πρόσφατα η «Neuralink» σε άλλον τετραπληγικό. Μελέτες της δεκαετίας του 2010, χρηματοδοτούμενες από την DARPA, την ερευνητική υπηρεσία του υπουργείου Αμυνας των ΗΠΑ, έδειξαν τη δυνατότητα νευρικού ερεθισμού για την αποκατάσταση νευρωνικών και συμπεριφορικών λειτουργιών και τη …βελτίωση της εκπαίδευσης και της απόδοσης του ανθρώπου. Το 2019, ερευνητές επέδειξαν διεπαφή μέσω ηλεκτροφλοιογραφίας που τροφοδοτώντας με τα δεδομένα της ένα σύστημα ΤΝ με μηχανική μάθηση, το εκπαίδευσε ώστε άνθρωποι με προβλήματα ομιλίας να μπορούν να μιλούν μέσω αυτού με συνθετική φωνή. Το 2021, ερευνητές της ίδιας ομάδας έδειξαν ότι η ικανότητα αυτής της διεπαφής να αποκωδικοποιεί λέξεις και προτάσεις επέτρεψε σε ασθενή με πλήρη ανικανότητα λόγου να ξαναμιλήσει μετά από 15 χρόνια.
Αλλη διεπαφή από επιστήμονες του Στάνφορντ επέτρεψε σε τετραπληγικό να γράφει με το μυαλό του σε υπολογιστή με ρυθμό 86 χαρακτήρων ανά λεπτό. Το 2023 δύο μελέτες χρησιμοποίησαν διεπαφές που επέτρεπαν την αποκωδικοποίηση λόγου με ρυθμό 62 και 79 λέξεων ανά λεπτό αντίστοιχα. Με χρηματοδότηση της DARPA κατασκευάστηκαν διεπαφές με τον εγκέφαλο εντόμων, που επέτρεπαν τον τηλεχειρισμό των εντόμων, ερεθίζοντας κατάλληλους νευρώνες στον εγκέφαλό τους, ώστε να στρίβουν προς την επιθυμητή κατεύθυνση, να επιταχύνουν κ.λπ. Ερευνες έχουν γίνει και στην κατεύθυνση διεπαφών «τηλεπαθητικής» επικοινωνίας περισσότερων του ενός ατόμων (αποκωδικοποίηση, ασύρματη τηλεμετάδοση και επανακωδικοποίηση σκέψεων στον εγκέφαλο άλλου ατόμου). Ολη αυτή η έρευνα που έχει προηγηθεί, περνάει σε άλλο επίπεδο και αποκτά άλλο οικονομικό και πολιτικό ενδιαφέρον σε συνδυασμό με τις εξελίξεις στην ΤΝ, ιδιαίτερα τις τελευταίες δύο δεκαετίες.
Το μεγαλύτερο εμπόδιο στην τεχνολογία διεπαφών εγκεφάλου – υπολογιστή αυτήν τη στιγμή είναι η έλλειψη ενός αισθητήρα που να επιτρέπει ασφαλή, ακριβή και σταθερή πρόσβαση στα εγκεφαλικά σήματα, καθώς οι μη επεμβατικοί δεν είναι ακριβείς και βολικοί, ενώ οι επεμβατικοί συχνά αντιμετωπίζουν επίθεση από το ανοσοποιητικό σύστημα, δημιουργία ουλώδους ιστού, φλεγμονή και σταδιακή αποσύνδεση από τους νευρώνες ή απονέκρωση των τελευταίων. Η εφεύρεση αισθητήρα με όλα τα επιθυμητά χαρακτηριστικά θα επέκτεινε κατά πολύ τις δυνατότητες επικοινωνίας ανάμεσα στον άνθρωπο και τη μηχανή. Με τον ρυθμό που εξελίσσεται η σχετική έρευνα, ένας τέτοιος αισθητήρας μπορεί να είναι διαθέσιμος μέσα στην τρέχουσα ή την επόμενη δεκαετία, αν όχι νωρίτερα.
Η διεπαφή, διασύνδεση εγκεφάλου – μηχανής για οποιαδήποτε χρήση και σκοπό, στηρίζεται ακριβώς στη δυνατότητα αποκωδικοποίησης, «διαβάσματος» της ανθρώπινης σκέψης, τουλάχιστον της απλούστερης, ανοίγοντας βέβαια και τη δυνατότητα για την αντίστροφη διαδικασία της παρέμβασης σε αυτή. Η δυνατότητα να «διαβάζεται» η «σκιά» των απλούστερων σκέψεων, το ηλεκτρικό αποτύπωμά τους, υπάρχει ήδη. Το σίγουρο είναι ότι οι εξελίξεις τρέχουν. Ο ανταγωνισμός γύρω από το ποιος θα κόψει πρώτος το νήμα στον αγώνα για την αξιοποίηση των δυνατοτήτων της ΤΝ, ποιος θα έχει το προβάδισμα τεχνολογίας διεπαφής «ανθρώπου – μηχανής» στην καπιταλιστική παραγωγή αλλά και στο εποικοδόμημα, είναι σκληρός.
Στην κούρσα μπαίνει δυναμικά και η Κίνα σύμφωνα με μια σειρά δημοσιευμάτων. Σχεδόν καθημερινά καταγράφονται και νέες εξελίξεις σε αυτό το πεδίο, που μπαίνει στο επίκεντρο των διάφορων οικονομικών ιμπεριαλιστικών φόρουμ και των αναλύσεων αστικών επιτελείων. Είναι καθαρά ρητορικό το ερώτημα αν η κούρσα του ανταγωνισμού για το ποιος θα έχει το προβάδισμα στην αξιοποίηση τέτοιων δυνατοτήτων της επιστήμης και της τεχνολογίας γίνεται για τη βελτίωση της ζωής παραπληγικών και ανθρώπων με αναπηρία, που πράγματι μπορούν να ωφεληθούν από αυτές τις εξελίξεις, ή με σκοπό την ένταση της εκμετάλλευσης, την αξιοποίησή τους στα επιχειρηματικά και ιμπεριαλιστικά σχέδιά τους. Η απάντηση είναι προφανής.
rizospastis.gr – Επιμέλεια: Σταύρος Ξενικουδάκης
Πηγές: www.researchgate.net, www.sciencedirect.com, www.dukemedicine.org, www.ncbi.nlm.nih.gov, www.npr.org, https://web.archive.org, https://en.wikipedia.org, https://doi.org, www.wired.com,www.scientificamerican.com
