31 декември 2009 г.

Предновогодишно за алкохола, махмурлука и науката

Смятам, че утре по това време (т.е. на 01.01.2010, към 12.00ч.) повечето от вас все още няма да са се излюпили от леглата си. Може би едва няколко часа по-късно няколко от вас ще са успели да надигнат морна и тежаща глава. Докато те пият чаша горещо силно кафе с надеждата да прогонят подивялото стадо мамути, беснеещо ту някъде в областа на орбитофронталния им кортекс (зад челото), ту някъде из темпоралния им дял (областта на слепоочието) и причиняващо им жестоко главоболие, може да попаднат на тези редове и да опитат да ги прочетат със замътен поглед.

Снимка: bighugelabs.com

Ако все пак успеят да подредят изреченията през маранята на следновогодишния запой, вече ще бъде твърде късно – защото махмурлукът ще ги е застигнал. Така че тези от вас, които прочетат публикацията преди да са заседнали на маса с високи шишета, дълбоки чаши и смели намерения, може да имат и повече полза от нея.

Знам, че след горе-долу 12 астрономически часа е Нова Година, затова реших да споделя с вас някои интересни научни подходи за изследване на алкохола и махмурлука.
Наскоро попаднах на едно изследване, проведено от група американски учени. Тъй като тематиката силно се доближава до екзистенциалните въпроси, които може би ще мъчат някои от вас на 01.01.2010 сутринта, реших да го споделя в блога. В моята компания всяко едно шише алкохол може да се чувства напълно необезпокоявано (т.е., не пия въобще), но пък смятам, че при дискусията на една такава тема липсващият алкохолен опит може да бъде компенсиран с достатъчно голям научен хъс. Един от въпросите, вълнуващи учените в това изследване, е дали бърбънът причинява по-тежък махмурлук от водката.

Снимка: fluidalchemy.wordpress.com & liquorama.biz

Етанолът може да се приеме като един от главните „виновници” за махмурлука, но някои други съставки на алкохола, наречени „конгенери” (различни алдехиди, естери и др.), също могат да имат влияние върху качеството на махмурлука след пиянска нощ. Бърбънът съдържа около 37 пъти повече конгенери от водката, така че би трябвало прекомерната консумация на бърбън да е свързана с натежала глава, гадене и други подобни махмурлийски симптоми на сутринта в по-голяма степен отколкото при водката. Съвсем неизненадващо, учените открили, че и двете експериментални групи страдали на следващата сутрин от махмурлук, като участниците, консумирали бърбън в рамките на изследването, наистина описвали във въпросниците, които попълвали, по-тежки симптоми на махмурлук в сравнение с тези, които били подложени на запой с водка. Пиенето на алкохол без мярка повлияло и на количеството и качеството на съня на участниците, както и на представянето им на редица невропсихологични тестове, на които те били подложени на следващата сутрин и които имали за цел да проверят в какво състояние се намират вниманието и реакциите им. Интересното било, че освен субективното възприятие на последвалия махмурлук, друга разлика между консумацията на бърбън и водка нямало. Т.е., пилите бърбън се чувствали като цяло по-кофти в сравнение с пилите водка, но двете групи имали еднакво нарушен сън и се представили еднакво зле на тестовете, които изисквали концентрация и внимание, комбинирани с бързи реакции. Един от изводите на това изследване е, че дейности като шофиране или работа с машини са еднакво застрашени от инциденти, ако извършващите ги са препили предишната вечер, независимо от това дали е било с бърбън или с водка. Единствената разлика би била, че по време на застрашаването на шофирането и работата, извършващите тези дейности ще се чувстват по-кофти, ако са пили бърбън отколкото ако са консумирали водка.

Докато се ровех, за да намеря тази статия, попаднах и на други интересни материали за алкохолни изследвания. Явно хората, работещи в тази област, притежават завидна изобретателност, гарнирана с известно чувство за хумор. Аз също работя в областта на научното изследване на зависимости, но моите експерименти май не са толкова новаторски, колкото например някои други. Една група от американски и руски учени е изследвала гените, които допринасят за разликите между хората по отношение на тяхната издръжливост на пиене. За целта учените са създали генно модифицирани мухи, които са досущ като нашите винарки, които всеки познава. Разликата е, че някои от тези мухи били с гени, осигуряващи им по-голяма или по-малка издръжливост на алкохол. Това, което считам за особено оригинално, е подходът на учените към квантифицирането на алкохолната интоксикация при мухите от рода дрозофила (т.е. подходът към определянето размера на „напиване” на винарките). Мухите били пуснати в една тръба с алкохолни пари. Съответно, по-издръжливите мухи се нуждаели от повече време докато се свлекат надолу по платформите на тръбата и тупнат омаломощени на дъното. Чувствителните към алкохол мухи пък се смъквали по платформите и приземявали на дъното доста по-бързо. След като тези мухи били отгледани в рамките на 25 поколения, чувствителните не успявали да се задържат в тръбата за повече от минута-две, а издръжливите прекарвали там до цели 18 минути!

Експериментите с животни в контекста на алкохола и темата за махмурлука ми напомнят, че има някои много интересни разлики във фразата „имам махмурлук” на различните езици. Това, което на български е „имам махмурлук”, се описва на немски език с фразата „ich habe einen Kater” (на холандски изразът е сходен), а буквалният превод е „имам котарак”. В тази връзка прочетох статия в wired.com, която пък се позовава на материал на The New Yorker, където се описват още подобни веселяшки игри на думи при буквален превод на „имам махмурлук” от съответния език на български език. Както авторът на този материал доста духовито е забелязал, някои от тези фрази се отнасят по-скоро към първопричината на махмурлука: египтяните казват „все още съм пиян”, японците „два дена съм пиян”, а шведите „все едно са ме фраснали изотзад”. Други езици, както обяснява авторът, разкриват обаче гениален поетически талант в своите варианти на българското „имам махмурлук”: в Салвадор се събуждат и са „като направени от гума”, французите стават с „дървена уста” или с „болка в косата” (hair ache, игра на думи с английското headache). Поляците чуват „мяучене на котенца”, а моите, както и на автора на статията, фаворити са датчаните, които имат „дърводелци в челото”.


Смятам да прекъсна тук коментара върху алкохола, махмурлука и науката, колкото и интересен да е той. Пожелавам на всички ви весело посрещане на Новата Година, независимо дали ще бъде с никакъв, малко или повечко алкохол. За тези, които още от сега смятат да се причислят към последната група, ще цитирам част от едно произведение на Джордж Ейд, която една научна статия за алкохола и махмурлука беше използвала като увод (толкова по въпроса, че естествените и хуманитарните науки не можели да работят заедно!):

R-E-M-O-R-S-E!

Those dry Martinis did the work for me:
Last night at twelve I felt immense,
Today I feel like thirty cents.
My eyes are blurred, my coppers hot,
I'll try to eat, but I cannot.
It is no time for mirth and laughter,
The cold, grey dawn of the morning after.

George Ade, The Sultan of Sulu, 1903

27 декември 2009 г.

Аватар/Avatar – не Пандора, а Земята. Не 2154 г., а 2009 г.

Предполагам, че някои от Вас са гледали вече филма „Аватар”, смятат да го гледат или поне са чували за него. Ако все пак някой от Вас не знае за какво става дума, ето съвсем малък (и всъщност въобще неуспяващ да отрази всички аспекти на историята) поглед върху нещата.

Снимка: www.movie-infos.net

Няма да коментирам страхотните ефекти (които са достъпни в пълната си красота само ако човек гледа филма в 3D-кино), нито пък добрите идеи, заложени в сюжета. Да, вярно е, че основната идея на филма не е много нова (виж например „Покахонтас”,
Танцуващият с вълци” или „Последният самурай”), но въпреки това според мен е добре поднесена. Не съм много голям фен на Холивуд и неговите продукции, а също така съм съгласен, че „Аватар” си има и своите слабости, но като цяло филмът ми хареса изключително много.

Едно от нещата, които ми направиха най-голямо впечатление и са причината за тази публикация в блога ми, е темата за комуникацията „човек-машина”, „човек-компютър” и „човек-природа”. Накратко: някои от човешките войници седяха в огромни роботи и ги управляваха чрез движения на тялото си (нещо като уголемена и доста по-жестока версия на Wii, темата я имаше и в Матрицата). В друг случай хората свързваха централната си нервна система с друго тяло - това на индивид, подобен на местните на’ви (т.е. управляваха със съзнанието си чуждо тяло). Местните на’ви притежаваха и умението да се свързват с части от природата – например определени растения и животни – и по този начин да общуват с тях и/или да ги управляват. За целта както животните и растенията, така и хората имаха нещо подобно на „израстъци”, които бяха продължения на сплетените им коси и можеха да ги свързват помежду си почти както човек пъха щепсела на компютърния кабел в електрическия контакт. Тези „израстъци” или сплетени коси излизаха директно от черепа им, така че най-вероятно идеята е, че местните могат да свързват централните си нервни системи с нервните системи на животните или с нещо друго при растенията.

Подобни теми звучат доста фантастично и може би дори невъзможно, но ако човек се поразрови, може да установи, че някои от тези мотиви имат своите (макар и бледи и все още доста далече от това, което виждаме в „Аватар”) отражения и в нашата действителност.

Директната комуникация между човек и машина или човек и компютър е това, което учените се опитват да постигнат чрез така наречените brain-computer interface (BCI) или brain-machine interface. Главната идея на BCI е човек да бъде в състояние чрез определени компоненти на сигналите от своята мозъчна дейност да контролира машини и/или компютри без той самият да упражнява каквато и да е било двигателна дейност. Приложението в сферата на медицината би било голямо: помислете само за хората, които в следствие на различни болести са напълно или почти напълно парализирани. Има много пациенти, които са в съзнание, все още възприемат доста от нещата около себе си, включително и болка, но не могат да направят никакви други волеви движения, за да изразят желание или молба, освен някои движения с очите си. Картинката е още по-страшна при хора, които не са способни дори и на движенията с очите си и по този начин са обречени на пълно мълчание и неспособност да се изразят. Това състояние е така нареченият locked-in syndrome/state (или complete locked-in syndrome/state в случая, когато всякакви двигателни действия са невъзможни) и бива илюстриран чудесно в един страхотен филм (The Diving Bell and the Butterfly), който е създаден по истински случай. Ако се интересувате от филма или от това как може да изглежда историята на един такъв човек, може да погледнете тук и тук. Малка забележка, която цели да засили интереса Ви: главният герой – редактор на известно френско списание, щастлив, преуспяващ, богат човек – се озовава след претърпян инсулт в състоянието locked-in и написва книгата, по която е създаден филма, само чрез... мигане с лявото си око. Чрез мигането на лявото си око той дава инструкции коя буква желае да бъде следващата в черновата на книгата. Това начинание му е отнело десет месеца и около 200 000 мигвания...

Мисля, че това леко отклонение от основната тема Ви е дало достатъчна представа къде BCI намира своето приложение в момента. Именно пациенти, които в следствие на различни неврологични болести или тежки травми биват парализирани, получават шанс да комуникират с външния свят чрез BCI. Има и други приложения, които също са не по-малко важни: например някои учени се опитват да открият доказателства, че в хора, които са смятани за изпаднали във вегетативна кома, все още съществува някакво съзнание. Така например преди няколко години учени от Кеймбридж изследваха пациентка, която е била получила диагнозата „вегетативна кома” или „вегетативно състояние”. Когато пациентката е била инструктирана да си представи например, че играе тенис или че се разхожда в дома си, а през това време мозъчната й дейност е била измерена чрез функционален ядрено-магнитен резонанс, в мозъка й се активирали тези части от мозъчната кора, които би трябвало да се активират при подобни когнитивни задачи (някои части от моторната мозъчна кора, парахипокампалните гънки и др.). Интересното е, че активирането на тези части от мозъка изглеждали по същия начин и при здрави хора, които били подложени на същите задачи и измервания. Разбира се, това не е BCI в чистата й форма (управляване на компютър чрез мозъчни сигнали), но дава представа докъде може да се простират приложенията на този клон на науката.

BCI може да се използва и във връзка с техниката неврофийдбек (neurofeedback). При този метод пациентът получава директна обратна връзка за определена част на неговата мозъчна дейност. Обратната връзка може да бъде зрителна (например виртуален термометър, чиято температура се покачва или понижава в зависимост от характеристиките на записвания в момента мозъчен сигнал на пациента), слухова (например звук, чиято амплитуда се променя със същата зависимост) или вибротактилна. Пациентът има за задача да се научи да контролира виртуалния термометър (или каквато друга обратна връзка се използва в конкретния случай) и по този начин косвено да се научи да контролира определени компоненти на своята мозъчна дейност. При много от изследванията пациентът, участникът в експеримента или опитното животно получава за всеки успешен опит за контрол върху мозъчния сигнал някакво възнаграждение, което има за цел да ускори процеса на заучаване на контрола. Тази техника се използва например за овладяването и подобряването на някои симптоми при най-различни както неврологични, така и психиатрични заболявания: зависимост, различни страхови разстройства, депресия, епилепсия, аутизъм, разстройства в ученето, хиперактивен синдром с дефицит на внимание, хронична болка, а от известно време дори и при така наречените „психопати” или „социопати”.

За придобиете малко по-ясна представа за механизма на действие на BCI, ето и няколко думи за него: определени мозъчни сигнали биват „улавяни” с помощта на различни технологии, които варират от електроенцефалография (EEG) до магнетоенцефалография (MEG), функционален ядрено-магнитен резонанс (fMRI) или функционална почти инфрачервена спектроскопия (fNIR). В зависимост от избраната технология, тези сигнали могат да бъдат електрически, магнитни или хемодинамични. Сигналите биват „прочистени” от ненужни компоненти и усилени с помощта на специални компютърни алгоритми.

Снимка: Sitaram et al. (2007)

Предназначени за целта програми анализират сигналите и ги „превеждат” в определено движение на машина, действие на компютър или промяна в обратната връзка (виж виртуалния термометър по-горе). Всичко това става в реално време, което позволява на пациента да използва BCI като инструмент за комуникация – например за избор на определени букви, чрез които да състави изречение, за отговор „да” или „не” и т.н.

Техниките, споменати дотук, са неинвазивни, т.е. позволяват измерването на сигнала без хирургическа намеса. За сметка на това при тези техники сигналът, идващ от мозъчната дейност, е прекалено слаб и/или неясен, за да може да се постигне перфектна синхронизация между мозъка на пациента и компютъра. Съществуват и инвазивни BCI методи, при които чрез хирургическа операция финни електроди биват разположени директно в мозъчната кора. С помощта на тези електроди сигналът е много по-чист и ясен, а прецизността на BCI техниката е много по-голяма. Разбира се, инвазивните методи крият и редица рискове: инфекции, странични ефекти и т.н., затова използването им върху хора в контекста на BCI е все още не толкова разпространено. За сметка на това успехът на инвазивния BCI метод при други примати е голям: наскоро учени показаха как маймуна може да управлява ръка-робот чрез сигнали, измервани директно от мозъка на маймуната и предавани по електроди на робота. С помощта на собствените си мозъчни сигнали и ръката-робот маймуната е в състояние да вземе парченца банан от различни места пред себе си, да ги поднесе пред устата си и да си ги хапне сладко-сладко, както може да видите тук и тук. Подобни резултати има и с хора (използвайки обаче неинвазивни техники), които управляват ръка-робот, играят помежду си пинг-понг и „mindball” или управляват имейл и пейнт-програми чрез мозъчните си вълни.

Надявам се, че преходът от „Аватар” до BCI не беше прекалено голям или неразбираем. Колкото и да сме далече от това да свързваме централната си нервна система с чуждо тяло или пък да управляваме огромни роботи с най-голяма прецизност на движенията, мисля, че има някои стъпки в тази насока, които са реалност и са вече осъществени. Повечето от тях засега са с хуманна цел в подкрепа на различни видове пациенти и имат моето много силно стискане на палци да се развият още по-ефективно и да бъдат в състояние да подобрят много болестни състояния. За съжаление, никой не може да гарантира, че това няма да потръгне и в грешната посока, като бъде използвано например за военни цели.

23 декември 2009 г.

Виж това, което чувам

Представете си, че отново е понеделник. Независимо дали ставате веднага, щом чуете будилника, или по-скоро обичате да се излежавате до последния възможен момент, просто си представете, че е понеделник сутрин, работната седмица започва, а Вашият будилник тъкмо е звъннал. Събуждате се, отваряте очи и… въпреки изгрялото вече слънце около Вас продължава да е тъмно, пълен мрак.


Предполагам, че така горе-долу изглежда началото на деня за повечето от 45-те милиона слепи хора, живеещи по света. Можете да си представите какво следва оттук нататък: ставане, обличане, сутрешен тоалет, закуска – все неща, които ние приемаме за даденост и вършим без да се замисляме. Сигурен съм обаче, че ако човек е достатъчно любопитен да добие някаква, макар и бегла, представа за ежедневие без никакво зрение, като например се опита да върши известно време всичко със затворени или завързани очи, ще се откаже най-късно, когато се олее с кафето, намаже с мармалад ръкава на пуловера си вместо филията хляб или си върже обувките жестоко на възел. Разбира се, всички тези дейности, извършени без помощта на никакво зрение, не представляват трудност за слепите хора - те са се научили да се справят с тях и без визуална информация. Дори и по-сложни дейности като четене, писане, работа на компютър и т.н., които за повечето от нас сигурно биха били невъзможни без да виждаме книгата, химикалката или мишката на компютъра, не са проблем за хора, които живеят без зрение. Изумителна е и способността на слепите хора например да играят футбол - дисциплина, която е част от параолимпиадата (вж. клипчето като кратък пример за това, до каква степен липсата на зрение може да бъде компенсирана).


За съжаление, тази пластичност на мозъка и на човешкото поведение има своите граници. Има и дейности, при които човек се нуждае от зрението си, колкото и добре да може да компенсира липсата му с помощта на информация от другите сетива. Самата компенсация, на чиито големи възможности можем само да се възхищаваме, се постига често след доста дълъг период на упражнения. Някои хора обаче губят зрението си дълго след като са изградили своя начин на живот и за тях тепърва започва една бавна, мъчителна борба, чрез която те трябва да се напаснат към новия за тях свят. Поради тези причини изследователи от различни области на науката се опитват от доста години да създадат уреди или машини, чрез които зрението на хората може да бъде възвърнато или заместено до някаква степен.

Разработваните методи се различават най-вече по това, коя част от зрителната или някаква друга сензорна система трябва да компенсират (т.е., коя част от зрителната система е засегната – например ретина, зрителен нерв, части от мозъка и т.н.); дали включват хирургическа намеса; или по начина, по който зрението бива заместено: например чрез слухова или тактилна информация.

Един от методите без хирургическа намеса, който ми направи впечатление още преди няколко години, е разработен от д-р Питър Б. Л. Майер (Peter B.L. Meijer) и се нарича „The vOICe“ (visual-to-auditory sensory substitution device). Аз лично научих за него от изследвания, които д-р Амир Амеди (Amir Amedi) от Департамента по Физиология на Йерусалимския Университет беше представил на няколко конференции. Уредът изглежда като чифт модерни слънчеви очила и принципът му на действие е грубо казано превръщането на зрителна в слухова информация. Отделните дялове на мозъка, които отговарят за преработката на зрителна, слухова и други видове информации, не са толкова независими едни от други, колкото се смяташе доскоро. Напротив, между тях съществуват както преки, така и недиректни връзки. Ето защо с уред като The vOICe и с помощта на слухова информация хора без зрение може би биха могли да постигнат преживявания/възприятия („qualia“), които се доближават максимално до истинските визуални такива.


Очилата съдържат камера, която записва зрителната информация. Тази информация бива трансформирана в слухова с помощта на софтуеър, който не е прекалено голям или тежък, така че всеки може спокойно да го носи в раница на гърба си, и след това бива представена чрез слушалки на слепия човек. Алгоритъмът, чрез който програмата превръща информацията от черно-бяла картинка в звуци, е базиран най-вече на следните три правила:


1) Зрителната информация бива „разчетена“ отляво надясно.

2) Височината на картинката (т.е. на визуалната информация) бива кодирана с височината на тона.

3) Колкото по-светла е картинката, толкова по-висок е звукът (т.е. амплитудата на звука, не тонът). Тишина = черен цвят; висок, ясен звук = бял цвят; всички други амплитуди на звука, които са по средата, отговарят на различни нюанси на сивото.


Примери за това, как звучи подобна трансформирана „зрителна” информация има тук, тук и тук (натиснето върху съответните картинки, за да чуете съответните звуци). Разбира се, за пълноценното ползване на подобна технология се изисква известно време и тренировка, но е показано, че хората се учат сравнително бързо. Слуховото „зрение”, което придобиват, не е същото като истинското, но има няколко важни предимства: може да помогне на хора, които са загубили наскоро зрението си и не могат да го компенсират по друг начин, тъй като не са тренирали от малки да се справят в един свят без визуална информация; може да улесни ежедневието на слепите хора, независимо кога и как са загубили зрението си; може да помогне на хора, които по рождение са слепи, да придобият представа какво би било да виждаш.


Най-интересното е, че изследванията на д-р Амир Амеди (на неговата страница има качени някои от тях в пдф-формат) показват, че мозъците както на виждащи, така и на невиждащи хора, които използват The vOICe, се активират по подобен начин при разпознаването на обекти. Една част от мозъчната кора, наречена латерален окципитален комплекс (ЛОК) [lateral occipital complex, LOC], се активира, когато възприемаме цял обект и неговата форма (а не например несвързани помежду си части от обект или пък само неговата повърхност) и то независимо от това дали го виждаме или пипаме. Това свойство на ЛОК е довод за учените да смятат, че тази част на мозъчната кора е отговорна за обработването на цялостната информация относно геометричната форма на обектите, които възприемаме. Именно ЛОК се активира след съответната тренировка и при слепи участници в експериментите на д-р Амеди, когато те чуват звуците, трансформирани чрез The vOICe и представляващи звуковата версия на визуално показани обекти. Важен момент в това изследване е, че други контролни експерименти показват, че активирането на ЛОК чрез звукова информация е специфично за The vOICe и за обработената от тази технология информация за геометричната форма на обекти. Звуци, които са типични за тези предмети, или пък които биват научени на базата на асоциации „звук-предмет”, но не носят информация за геометричната форма на съответния предмет, не активират ЛОК. От всичко това може да се направи смелото предположение, че с помощта на The vOICe слепите хора могат да „чуват” визуална информация относно формата на различни обекти. За ентусиастите сред Вас: софтуерът на The vOICe може да бъде свален безплатно, свързан с личния компютър и уеб-камерата или пък с някои модели на телефон Nokia и пробван в домашни условия: така може да "чуете" това, което вашата камера вижда. Моите лични адмирации към българската компания Blue Edge Bulgaria, която е развила софтуера за телефонната версия на The vOICe.
Въпреки че тази и други подобни технологии все още не са развити до съвършенство, в тях има огромен потенциал. Използването на този потенциал би могъл да доведе до решителни успехи в усилията на учените за създаването на изкуствено зрение.

Искам да завърша с кратко филмче, което може би някои от вас вече са виждали. Става дума за едно момче, което е сляпо по рождение, но което се е научило само (!) да живее без особени трудности в същия свят, в който живеем и ние, само с помощта на... цъкането с език, което то използва точно както прилепите използват ехото и слуховата информация за да "виждат".