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.

2 коментара:

  1. Very neat piece of flow from Avatar to BCI.
    I recently saw the one with monkey. There was also a follow up with a human patient volunteer who had lost his left hand. They had an artificial hand linked with the severed hand nerves and he was able to feed in info directly in the prothesis. So it was not anymore a mechanical transmission - limb movement linked with cord, but an electro-chemical impulse. Very impressive! Though he had no feeling of pain, tempreture, etc, because he was able to command subconsciouly the mechanical hand, he had again a "feel" for the hand.

    Greetings,
    Miro

    ОтговорИзтриване
  2. Благодаря за коментара. Темата за невропротезите е наистина много интересна, но реших да не я включвам в публикацията, тъй като текстът щеше да стане още по-дълъг отколкото е в момента.

    Доколкото знам, в рамките на спонсорирания от ЕС с няколко милиона евро проект The SmartHand Project има постигнати доста добри успехи с изкуствена ръка, при която човекът дори е способен на определени възприятия с ръката. Може би следните линкове ще са ти интересни:

    Линк към шведската част от проекта: http://www.elmat.lth.se/~smarthand/

    Линк към италианската част от проекта:
    http://www-arts.sssup.it/newCyberhand/smarthand/index.htm

    Линк към материал и видео за пациент от Швеция, получил изкуствената ръка: http://www.physorg.com/news175354299.html

    2 линка към материали и видео за пациент от Италия, получил изкуствената ръка:
    http://news.discovery.com/tech/robotic-hand-prosthetic-thoughts.html

    http://news.discovery.com/tech/thought-controlled-hand-amputee.html

    Поздрави,
    Явор

    ОтговорИзтриване