Ερευνητές του Yale ανέπτυξαν νέο brain-computer interface που επιτρέπει σε ανθρώπους να ελέγχουν videogame μόνο με την εγκεφαλική τους δραστηριότητα. Η μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο Nature Neuroscience, δείχνει ότι η εκπαίδευση γίνεται ταχύτερη όταν το σύστημα ευθυγραμμίζεται με τη φυσική οργάνωση του εγκεφάλου.
Τα χειριστήρια των videogames ίσως δεν είναι για πάντα απαραίτητα. Ερευνητές του Yale University ανέπτυξαν ένα νέο brain-computer interface, γνωστό ως BCI, το οποίο επιτρέπει σε ανθρώπους να παίζουν videogames χρησιμοποιώντας μόνο την εγκεφαλική τους δραστηριότητα.
Η ομάδα αξιοποίησε real-time fMRI, δηλαδή λειτουργική μαγνητική τομογραφία σε πραγματικό χρόνο, για να δείξει ότι οι συμμετέχοντες μπορούσαν να ελέγξουν ένα ψηφιακό avatar μέσα σε παιχνίδι χωρίς joystick, μόνο μέσω των σκέψεών τους. Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν στο Nature Neuroscience και ανοίγουν νέα προοπτική για τη σχέση ανάμεσα στον εγκέφαλο, την τεχνολογία και την αποκατάσταση νευρολογικών ή ψυχιατρικών διαταραχών.
Γιατί έχει σημασία η φυσική «γεωμετρία» του εγκεφάλου
Το βασικό εύρημα της μελέτης είναι ότι ο εγκέφαλος μαθαίνει να χρησιμοποιεί ένα BCI πολύ πιο εύκολα όταν το σύστημα σχεδιάζεται με βάση τις φυσικές του διαδρομές. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η εγκεφαλική δραστηριότητα ακολουθεί οργανωμένα νευρωνικά μοτίβα. Όταν το BCI ευθυγραμμίζεται με αυτά τα μοτίβα, οι χρήστες αποκτούν έλεγχο γρήγορα και ο εγκέφαλος προσαρμόζει τη δραστηριότητά του ώστε να υποστηρίξει τη μάθηση.
Αντίθετα, όταν το σύστημα απαιτεί από τον εγκέφαλο να παράγει μοτίβα που δεν ταιριάζουν στη φυσική του οργάνωση, η πρόοδος είναι μικρή ή ανύπαρκτη. Με άλλα λόγια, το πρόβλημα σε πολλά παλαιότερα BCI ίσως δεν ήταν μόνο η προσπάθεια του χρήστη, αλλά ο τρόπος με τον οποίο είχαν σχεδιαστεί τα ίδια τα συστήματα.
Η Erica Busch, πρώτη συγγραφέας της μελέτης και πρόσφατη διδάκτωρ του Yale, ανέφερε ότι οι εφαρμογές μπορεί να είναι ευρείες: από την υποστήριξη ανθρώπων με κινητικές ή επικοινωνιακές διαταραχές έως νέες παρεμβάσεις για κατάθλιψη και άγχος, αλλά και την επόμενη γενιά καταναλωτικών τεχνολογιών και παιχνιδιών.
Τα παλαιότερα BCI μάθαιναν αργά
Τα brain-computer interfaces δεν είναι νέα ιδέα. Εδώ και χρόνια, οι επιστήμονες προσπαθούν να δημιουργήσουν συστήματα που επιτρέπουν στον άνθρωπο να αλληλεπιδρά με υπολογιστές μέσω της εγκεφαλικής δραστηριότητας. Ωστόσο, τα αποτελέσματα στους ανθρώπους υπήρξαν συχνά περιορισμένα.
Παλαιότερα fMRI-based BCI συστήματα, τα οποία στηρίζονταν σε real-time neurofeedback, απαιτούσαν έως και 10 μακρές συνεδρίες εκπαίδευσης. Ακόμη και τότε, η βελτίωση ήταν μικρή. Περίπου το ένα τρίτο των συμμετεχόντων δεν κατάφερνε ποτέ να ελέγξει το σύστημα, όσο κι αν προσπαθούσε.
Οι ερευνητές του Yale εκτίμησαν ότι η δυσκολία αυτή προερχόταν από τον σχεδιασμό των συστημάτων. Πολλά BCI ζητούσαν από τον εγκέφαλο να μάθει μοτίβα που δεν ταίριαζαν στη φυσική του οργάνωση. Η νέα προσέγγιση, αντίθετα, προσπαθεί να ανακαλύψει αυτή την οργάνωση σε πραγματικό χρόνο και να προσαρμόσει το σύστημα πάνω της.
Το πείραμα με το videogame
Για τη μελέτη, οι ερευνητές στρατολόγησαν υγιείς νεαρούς ενήλικες, οι οποίοι συμμετείχαν σε τέσσερις συνεδρίες fMRI. Στην πρώτη συνεδρία, οι συμμετέχοντες έπαιξαν ένα videogame χρησιμοποιώντας joystick, ενώ οι ερευνητές κατέγραφαν την εγκεφαλική τους δραστηριότητα.
Η ομάδα εστίασε σε περιοχές του εγκεφάλου που σχετίζονται με την πλοήγηση και την κίνηση στον χώρο. Στη συνέχεια, χρησιμοποίησε έναν αλγόριθμο που είχε αναπτυχθεί σε προηγούμενη έρευνα, με την ονομασία T-PHATE. Η μέθοδος αυτή επιτρέπει στους επιστήμονες να εντοπίζουν τη φυσική δομή της εγκεφαλικής δραστηριότητας κάθε ατόμου, δηλαδή το λεγόμενο «neural manifold».
Με βάση αυτό το εξατομικευμένο neural manifold, οι ερευνητές δημιούργησαν τρεις διαφορετικούς τρόπους σύνδεσης του εγκεφάλου με το παιχνίδι. Ο πρώτος ακολουθούσε τα ισχυρότερα και πιο φυσικά μοτίβα εγκεφαλικής δραστηριότητας και ονομάστηκε «intuitive mapping». Ο δεύτερος βασίστηκε σε λιγότερο κυρίαρχα, αλλά ακόμη φυσικά μοτίβα. Ο τρίτος απαιτούσε μοτίβα που ο εγκέφαλος δεν παράγει φυσικά.
Έλεγχος avatar μόνο με σκέψη
Στις επόμενες συνεδρίες, οι συμμετέχοντες προσπάθησαν να ελέγξουν το avatar μόνο με τη σκέψη τους. Το σύστημα ανέλυε νέα εγκεφαλικά δεδομένα κάθε δύο δευτερόλεπτα και τα μετέτρεπε άμεσα σε εντολές κίνησης για το ψηφιακό avatar.
Τα αποτελέσματα ήταν σαφή. Όταν το BCI ακολουθούσε τη φυσική οργάνωση του εγκεφάλου, οι συμμετέχοντες μάθαιναν να ελέγχουν το avatar σε λιγότερο από μία ώρα, ενώ σε ορισμένες περιπτώσεις ακόμη πιο γρήγορα. Όταν, όμως, το σύστημα απαιτούσε δραστηριότητα έξω από τα φυσικά νευρωνικά μοτίβα, οι συμμετέχοντες δεν κατάφερναν να το μάθουν στο ίδιο χρονικό διάστημα.
Η παρατήρηση αυτή έχει μεγάλη σημασία. Δείχνει ότι η εκμάθηση ενός BCI δεν εξαρτάται μόνο από την εξάσκηση, αλλά και από το πόσο καλά το σύστημα «μιλάει τη γλώσσα» του εγκεφάλου.
Ο εγκέφαλος αναδιοργανώνεται κατά τη μάθηση
Η μελέτη δεν κατέγραψε μόνο αλλαγές στη συμπεριφορά των συμμετεχόντων. Κατέγραψε και αλλαγές στον ίδιο τον εγκέφαλο. Καθώς οι χρήστες μάθαιναν να ελέγχουν το BCI, η εγκεφαλική τους δραστηριότητα αναδιοργανωνόταν ώστε να ανταποκρίνεται καλύτερα στις απαιτήσεις του συστήματος.
Σε ορισμένες συνθήκες, ο βαθμός αυτής της αναδιοργάνωσης προέβλεπε και την απόδοση. Οι αλλαγές δεν περιορίζονταν μόνο στις περιοχές του εγκεφάλου που είχαν στοχεύσει οι ερευνητές, αλλά επεκτείνονταν σε ευρύτερα νευρωνικά δίκτυα. Αυτό δείχνει ότι η εκμάθηση BCI μπορεί να επηρεάσει ευρύτερη εγκεφαλική λειτουργία.
Ο Nick Turk-Browne, director του Wu Tsai Institute και καθηγητής ψυχολογίας στο Yale, ανέφερε ότι το neural manifold λειτουργεί ταυτόχρονα ως περιορισμός και ως ευκαιρία. Καθορίζει τι μπορούν να μάθουν οι άνθρωποι και πόσο γρήγορα μπορούν να το μάθουν.
Εφαρμογές στην ιατρική και την ψυχική υγεία
Οι πιθανές εφαρμογές ξεπερνούν κατά πολύ το gaming. Για ανθρώπους με κινητικές ή επικοινωνιακές διαταραχές, πιο αποτελεσματικά BCI θα μπορούσαν να προσφέρουν νέους τρόπους αλληλεπίδρασης με υπολογιστές, συσκευές ή περιβάλλοντα επικοινωνίας.
Στην ψυχική υγεία, τα ευρήματα υποδεικνύουν ότι παρεμβάσεις για κατάθλιψη ή άγχος μπορεί να γίνουν πιο αποτελεσματικές όταν δεν προσπαθούν να επιβάλουν απότομα νέα μοτίβα στον εγκέφαλο, αλλά συνεργάζονται σταδιακά με τις υπάρχουσες νευρωνικές διαδρομές.
Η ίδια λογική μπορεί να επεκταθεί και στη γνωστική ενίσχυση υγιών ανθρώπων. Η εκπαίδευση, η εξάσκηση και η θεραπεία ίσως γίνουν πιο αποτελεσματικές όταν λαμβάνουν υπόψη τη φυσική δομή του εγκεφάλου κάθε ατόμου.
Η επόμενη γενιά αλληλεπίδρασης ανθρώπου-υπολογιστή
Η μελέτη του Yale δείχνει ότι το μέλλον των BCI δεν βρίσκεται μόνο σε πιο ισχυρούς αλγορίθμους ή πιο γρήγορα μηχανήματα. Βρίσκεται κυρίως στην καλύτερη κατανόηση του ίδιου του εγκεφάλου.
Ένα σύστημα που προσαρμόζεται στη φυσική νευρωνική γεωμετρία του χρήστη μπορεί να μειώσει δραστικά τον χρόνο εκπαίδευσης και να κάνει την τεχνολογία πιο προσβάσιμη. Αυτό έχει σημασία όχι μόνο για την ιατρική αποκατάσταση, αλλά και για την καθημερινή τεχνολογία, τα videogames, την εκπαίδευση και τη θεραπευτική παρέμβαση.
Η Erica Busch σημείωσε ότι οι άνθρωποι επενδύουν τεράστιους πόρους για να γίνουν καλύτερες εκδοχές του εαυτού τους μέσω εκπαίδευσης, εξάσκησης και θεραπείας. Η κατανόηση της δομής του νου και του εγκεφάλου, όπως είπε, μπορεί να κάνει αυτή την προσπάθεια πολύ πιο αποτελεσματική.
Η νέα έρευνα δεν σημαίνει ότι τα χειριστήρια θα εξαφανιστούν άμεσα. Δείχνει, όμως, ότι η σκέψη μπορεί να γίνει πιο άμεσο εργαλείο αλληλεπίδρασης με την τεχνολογία, όταν η τεχνολογία σχεδιάζεται με βάση τον τρόπο που λειτουργεί πραγματικά ο εγκέφαλος.
Κάντε like στη σελίδα μας στο facebook για να μαθαίνετε όλα τα νέα
Διαβάστε επίσης
Πώς ο εγκέφαλος καταλαβαίνει ότι πήρε λιγότερα από όσα περίμενε
Πέθανε ο γιατρός που δοκίμασε στον εαυτό του πρωτοποριακή θεραπεία για όγκο εγκεφάλου
