Kiedy zostaje tylko mózg

Najpierw jest mrowienie pod skórą, ból i skurcze mięśni, coraz częstsze upuszczanie różnych przedmiotów, utrata wagi, zmęczenie. Zazwyczaj wszystko to składa się na karb stresu, przemęczenia, niewyspania, roztargnienia
Przecież od drętwiejącej dłoni się nie umiera, a następny rozbity kubek to nic ważnego. Wkrótce jednak pojawia się niepokój wywołany przez niedowład kończyn, zaburzenia mowy, kłopoty z przełykaniem. Po kilku lub kilkunastu wizytach u najrozmaitszych lekarzy pada diagnoza: stwardnienie boczne zanikowe (łac. sclerosis lateralis amyotrophica, SLA). I ściana.

Stwardnienie boczne zanikowe jest chorobą nieuleczalną, śmiertelną, zwykle bardzo szybko postępującą. Polega na stopniowym zanikaniu nerwów odpowiedzialnych za sterowanie mięśniami. W ciągu kilku lat chorzy tracą zdolność ruchu i komunikowania się, później nie mogą już nawet poruszać oczami ani oddychać. Najgorsze w tej koszmarnej chorobie jest jednak to, że przy całkowitej utracie kontroli nad ciałem chory pozostaje w pełni władz umysłowych: widzi, słyszy, myśli, odczuwa ból, ma takie same jak poprzednio potrzeby utrzymywania kontaktów społecznych.

Jest kilkanaście hipotez dotyczących przyczyn choroby. Mówi się o mutacjach genów, wirusach, zmianach w pracy komórek. Nie ma przyczyny, nie ma lekarstwa. Jedyne, co można robić, to ułatwić choremu przeżycie ostatnich lat. Może w tym pomóc interfejs mózg-komputer (ang. brain-computer interface, BCI), nad którym pracują naukowcy na całym świecie, w tym fizycy z Uniwersytetu Warszawskiego.

Urządzenie elektryczne

Dla fizyków biomedycznych mózg to przede wszystkim urządzenie elektryczne, które analizuje docierające do niego informacje na zasadzie przetwarzania sygnałów elektrycznych i chemicznych. Każda wykonywana czynność, myśl, ruch, odebrany z otoczenia impuls powoduje zmiany w aktywności elektrycznej mózgu. Można je badać za pomocą elektroencefalografu, który tę aktywność rejestruje i "wypuszcza" jej zapis w postaci elektroencefalogramu, czyli słynnego EEG.

Działanie BCI opiera się właśnie na analizie zmian w sygnale EEG oraz kojarzeniu ich z czynnością, którą chciałby wykonać pacjent. W zmianach sygnału EEG widoczna jest nie tylko faktycznie wykonywana czynność, ale już samo jej wyobrażenie. I nawet jeżeli nerwy odpowiedzialne za sterowanie konkretnymi mięśniami już nie działają, to i tak aktywność elektryczna mózgu zmienia się pod wpływem samej intencji ruchu i pozostawia ślad w zapisie.

Elektrody mogą zarejestrować nie tylko to, co mózg przekazuje odpowiednim częściom ciała, ale również to, co poszczególne organy przekazują do mózgu. I tak na przykład w aktywności elektrycznej mózgu człowieka patrzącego na diodę migającą z częstotliwością np. 30 Hz po chwili można zarejestrować fale mózgowe o dokładnie tej samej częstotliwości. Jeśli zatem ustawiłoby się przede mną tablicę z ciągiem cyfr od 0 do 9, z których każda migałaby z inną, odpowiednio dobraną częstotliwością, ja koncentrując się po kolei na każdej z nich, byłabym w stanie "wykręcić" konkretny numer telefonu.

I teraz najważniejsze: ciąg cyfr można zastąpić dowolną, odpowiednio zaprojektowaną matrycą. - W zasadzie nie ma przeszkód, żeby umieścić na niej strzałki pozwalające sterować wózkiem inwalidzkim na zasadzie komend "skręć w prawo", "skręć w lewo", "jedź do przodu", "zawróć", "hamuj" - tłumaczy dr Rafał Kuś z Zakładu Fizyki Biomedycznej UW. - Jeśli dodatkowo weźmiemy pod uwagę możliwości, jakie daje nam współczesna technologia, możemy zaprojektować matrycę pozwalającą na sterowanie wirtualnym domem - dodaje. Już teraz można przecież wyposażyć mieszkanie w komputer sterujący wszystkimi urządzeniami, od lampki nocnej, poprzez zmywarkę, na centralnym ogrzewaniu skończywszy. Osoby sprawne ruchowo mogą kontrolować taki komputer, korzystając z pilota lub konsoli. Osoby sparaliżowane potrzebują odpowiednio zaprojektowanego i dobranego do ich indywidualnych potrzeb interfejsu. - Wykorzystując aktywność elektryczną mózgu, chory mógłby włączyć lub wyłączyć telewizor, zapalić światło, zamknąć drzwi - mówi fizyk. - Osoby sprawne takim czynnościom w zasadzie nie poświęcają uwagi, podczas gdy dla sparaliżowanych są to zadania niewykonalne - dodaje. Dzięki wykorzystaniu matrycy chory mógłby też komunikować się w ograniczonym zakresie z otoczeniem: przekazać, co go boli, że chce mu się pić. Gdy nie można już nawet poruszać ustami, to niewyobrażalnie wiele.

Słabsze niż bateria

- Jednym z najpoważniejszych problemów, z którym się borykamy, jest amplituda sygnału EEG - tłumaczy dr Kuś. - Aktywność elektryczna mózgu rejestrowana na powierzchni głowy wynosi od kilku do kilkudziesięciu mikrowoltów. "Paluszek", czyli chyba najpopularniejsza bateria świata, ma ok. 1,5 V. Jest więc milion razy mocniejsza.

Dlatego bardzo ważne jest odpowiednie wzmocnienie i przetworzenie sygnału, możliwe tylko przy wykorzystaniu zaawansowanej i - niestety - drogiej aparatury. Dzięki rozwojowi techniki i pracy nad nowymi algorytmami pozwalającymi na szybkie przetwarzanie sygnałów, już teraz możliwe jest rejestrowanie bardzo słabych impulsów elektrycznych w mózgu i bardzo drobnych różnic między nimi.

Przynajmniej technologia nieustannie wspomaga obie strony - i chorych, i naukowców.

W układance pojawia się jednak trudność: dopasowanie interfejsu do możliwości konkretnej osoby. Fizycy zajmujący się BCI wykorzystują w swoich pracach trzy paradygmaty, czyli modele odczytywania zmian w aktywności elektrycznej mózgu: P300, SSVEP i ERD/ERS.

Zasadę działania pierwszego z nich można prześledzić na prostym przykładzie. Przeglądamy gazetę z myślą: "Zaraz, zaraz, tu gdzieś był ten artykuł". Po kilku minutach nerwowego przerzucania stron coś w głowie nam mówi: "O! Jest!", cofamy się o kilka stron - i faktycznie. Nasze: "O! Jest!" na wykresie EEG zostałoby zarejestrowane jako wychylenie w stronę potencjału pozytywnego (stąd P) po 300 milisekundach od zdarzenia.

Drugi model opiera się na zmianach w sygnale EEG powstających przy silnym skoncentrowaniu się na znaku migającym z daną częstotliwością. Dzięki urządzeniu wykorzystującemu właśnie to zjawisko mogłabym wybrać np. konkretny numer telefonu.

Ostatni - jak się wydaje najbardziej naturalny - paradygmat to ERD/ERS, który opiera się na wyobrażeniu ruchu dłonią lub stopą. EEG rejestruje nawet intencję wykonania jakiejś czynności.

- W naszym ośrodku pracujemy, wykorzystując głównie pierwszy i drugi paradygmat. Kiedy wykonywałem eksperymenty na sobie, zauważyłem, że P300 działa u mnie bardzo dobrze, a z SSVEP mam pewne problemy - opowiada dr Rafał Kuś. - Tak samo może być w przypadku osoby chorej: jednej będzie łatwiej pracować z urządzeniem wykorzystującym P300, innej - SSVEP - tłumaczy. Oznacza to, że interfejs mózg-komputer powinien być indywidualnie dobierany, tak by korzystanie z niego było jak najłatwiejsze i najefektywniejsze. Niestety, dopasowanie urządzenia do potrzeb i predyspozycji każdego chorego jest skomplikowane.

Szacuje się, że w Polsce może być od dwóch do trzech tysięcy osób cierpiących na SLA. To od dwóch do trzech tysięcy powodów, żeby dalej pracować nad interfejsem mózg-komputer.

Więcej o: