俳優のピア・アウグスティンスキーは、高さ調節可能な椅子に足を上げて座っています。彼の頭はワイヤーで覆われており、特大の乾燥フードのようなものが彼の上にそびえ立っています。これはハイテク測定装置です。 「今、あなたはおそらく私に蝶ネジを取り付けているでしょう」と彼は冗談を言った。実際: 若い科学者が、枕の上に置いている左手の指にプラスチックのクランプを置き、しっかりとネジで締めます。研究者がテストとしてボタンを押すと、それまで動かなかった手の指が、まるで遠隔操作されているかのように閉じます。
いいえ、これはドイツのテレビ向けの SF 風刺の撮影ではありません。 2007年1月にテュービンゲン大学病院で観察されたこの光景には深刻な背景がある。というのは、俳優のピア・アウグスティンスキー（年配の方ならロビン・ウィリアムズのドイツ人の声として映画ファンに人気のテレビコメディシリーズ「クリムビム」でおなじみ）が2005年11月に脳出血を患ったからだ。脳の右半分で動脈が破裂し、漏れた血液が神経組織を圧迫し、重要な繊維接続が切断されたのだ。
現在66歳の彼は、計画と演技のつながりが壊れてしまった。彼は左手を閉じることをまだ想像できますし、そうしたいと思うこともできますが、筋肉はもう従うことができません。神経伝導が遮断されます。だからこそ、アウグスティンスキーは、有名な心理学者であり神経科学者であるニールス・ビルバウマーの研究室で、麻痺を克服するのに役立つ可能性のある新しいこと、つまり脳磁計、MEGの助けを借りたトレーニングを試すためにテュービンゲンに3週間滞在したのです。
MEG は、乾燥フードのように頭に乗せられる大きなヘリウム冷却タンクです。 275 個のセンサーを備え、俳優が考えるときに脳が生成する微弱な磁気信号を俳優の頭蓋骨から収集します。
超電導回路を使用して電子信号に変換され、MEG キャビンの前室のスクリーン上で点滅します。 275 個のセンサーのうち 3 個からの信号は特に興味深いものです。これらは、オーガスティンスキーが脳出血の前に左手を作動させた脳畳み込みから直接得られたものです。彼の神経系が送信しなくなった指令は、ビルバウマーの研究室での訓練中に制御電子機器を介して「親指ネジ」に伝えられるようになった。アウグスティンスキーは「手を動かそう」と思ってから「リラックスしよう」と考え、跛行した手が閉じたり、また開いたりする。彼の手を動かすのは彼自身の脳です。もちろん限界はあるし、アウグスティンスキーは考えてから行動するまでに不快なほど長い遅れがあると感じているが、少なくとも。ここでは人間の脳が思考によって制御される機械に接続されています。そして、俳優のピア・オーガスティンスキーは、実生活で――しかも一日に数時間だけ――サイボーグ、つまり機械生命体に突然変異した。
彼だけではありません。サイボーグ、つまり「ブレイン コンピューター インターフェイス」または略して BCI とも呼ばれるヒューマン マシン インターフェイスは、世界中で増加しています。ベルリン フラウンホーファー コンピュータ アーキテクチャおよびソフトウェア技術研究所 (FIRST) のクラウス ロバート ミュラー氏によると、世界中の 100 以上の作業グループが、実験動物やボランティア被験者の脳を電子機器でネットワーク化するプロセスを進めています。目標は、あなたの思考でデバイスを制御することです。
ロバート・ミュラーのように、研究がすべてだという人もいます。 「新しい方法で脳を理解する」と彼は動機を語っています。さらに、彼や他の研究者らは、障害者向けのインテリジェント義肢や通信機械、運転手や脳タイプライター向けの脳に優しい制御システムなどの応用を考えています。そして最後に重要なことですが、手を使わずに頭だけを使う新しいコンピューター ゲームです。
この分野は急速に発展しており、知的刺激があり、すでに新しい企業や市場性のある製品を生み出しています。例えば、米サイバーキネティクス社の埋め込み型脳チップ「ブレインゲート」。 2006 年 7 月、恐れを知らぬ若者のおかげで、彼は雑誌「nature」の表紙にまで登場しました。マシュー・ネーグル、これは25歳の対麻痺のアメリカ人の名前で、現在おそらく世界で最も有名なサイボーグだ。彼はブラウン大学のジョン・ドナヒューが開発した4×4ミリメートルのインプラントを9カ月以上装着しており、100個の鋭い電極が運動皮質に挿入された。ネーグルさんはこれを使って、カーソルの制御、電子メールの開封、テレビの調整、簡単なコンピューター ゲームのプレイを学びました。彼はまた、頭を使ってロボットハンドを開いたり閉じたりすることもできました。その後、信号が弱くなり、チップは諦めました。
「このような実験的な作戦が承認されたことに驚かれるはずです」とテュービンゲンのビルバウマー氏は言う。 BrainGate チップは、頭蓋骨が無傷のまま残される最新の非侵襲性 BCI 以上の機能はありません。そして患者にとってのリスクはかなり大きく、「特に感染のリスクが大きい」という。
ビルバウマーは両方の分野の先駆者の一人であるため、それを知っているはずです。 8年前、彼は進行性の筋肉喪失、つまり有名な物理学者スティーブン・ホーキング博士も車椅子生活を余儀なくされた筋萎縮性側索硬化症（ALS）に苦しむ患者のためのコミュニケーションツールとしてBCIを開発した。この装置は、筋肉がまったく動かなくなった場合でも、唇を動かしたり、目をまばたきすることができなくなった場合でも、周囲の人々とアイデアを交換できるようにすることを目的としています。
ビルバウマー氏の「思考翻訳マシン」は脳波（EEG）の助けを借りて機能する。頭に電極が貼り付けられており、脳内のゆっくりとした電気的変化を感知して伝達します。これらの「遅い皮質電位」（略して SCP）は、患者に恣意的に影響を与えることを学習します。たとえば、これを使用してコンピュータ カーソルを制御し、画面上で空間的に分離されたフィールドから文字を選択できます。
トレーニングは困難で、何週間も、場合によっては何か月もかかります。書く速度は1分に1文字です。それにもかかわらず、ビルバウマーと彼の同僚によって訓練を受けた 32 人の ALS 患者は、まだある程度の可動性が残っているうちに精神タイプライターの使い方を学習しました。その後、そのうちの 7 人が完全に動けなくなる、つまり「閉じ込められた」状態に陥ったときでも、彼らは機械を通して自分自身を理解させることができました。
非常に残念なことに、ビルバウマーは、人工呼吸と食事は与えられているもののコミュニケーションの機会もなく、長期間「閉じ込められた」生活を送っていた患者たちに思考の書き方を教えることができなかった。 「明らかに、脳は、自ら生成した原因の後に結果が生じるという継続的な経験を必要とします。考えてもその考えが何の効果もなければ、目的を持って考える能力は失われます。」
他の研究から知られているように、言語理解などの他の精神的能力は、多くの場合、依然として患者に残っています。患者は目覚めており、意識はあります。しかし、彼は自分が認識していること、つまり極悪非道な状況を親戚に伝えることさえできない。
おそらくそれが、閉じ込められた患者、ビルバウマーのチームによって検査を受けた46歳の女性があえて極端な行動をとった理由だろう。唾液の酸性度を意図的に変えることで短期間、イエスかノーを言えるようになった段階で（レモン汁や牛乳の味を想像した）、彼女は脳表面への電極の埋め込みに同意した。皮質電気検査法 (ECog) という手順は、てんかん患者において発作焦点を検出するために一般的に行われています。 ALS患者の手術は順調に進み、明確な信号が得られた。しかし、女性はこれについて具体的に伝えることができませんでした。
ニールス・ビルバウマーはそのような挫折を受け入れます。彼は大胆な先駆者であるだけでなく、粘り強い研究者でもあります。だからこそ、彼は米国の同僚と協力して、世界中のブレイン コンピューター インターフェイスを研究および改善し、それらの標準ソフトウェアを開発しました。それは現在存在しており、「BCI 2000」というキーワードで、ユーザーはニューヨーク州アルバニー (米国) のワズワース センターのコンピューター科学者ガーウィン シャルクの Web サイトから無料でダウンロードできます。
バーバウマー氏は、米国国立衛生研究所の資金提供を受けて、ブレイン・コンピューター・インターフェースを構築するためのこれまで一般的であったすべての技術的アプローチの性能比較も実施した。それらは現在、驚くほど多様です。派生して制御に使用できるさまざまな脳信号の数だけでも、ほぼ 12 種類あります。脳からの適切な信号源には次のものがあります。
• 個々の神経細胞または小細胞グループの活動電位。埋め込み電極で彼らを誘導したのは、マシュー・ネーグル氏だけが成功したわけではない。ノースカロライナ州デューク大学のミゲル・ニコレリス氏も2年前、彼の研究室のアカゲザルが精神の力を利用して目標通りにロボットアームを動かすことに成功し、話題になった。彼の実験動物たちは義手を完璧に習得し、義手を体の自然な延長として認識しました。これは、彼らが同時に 3 本の腕で操作できることを意味します。これは、人間が時々手に入れたいと願う能力です。
• P300 信号。これは、新しい驚くべき刺激に対する脳の反応であり、刺激の約 300 ミリ秒後に EEG に現れます。この反応を利用して、フロリダ出身のアメリカ人エマニュエル E. ドンチンは、SCP よりも速く書くことができる BCI を開発しました。被験者は、文字のグループが交互に明るく照らされている画面を見ます。彼女が望む文字が含まれている場合、EEG は明確な P300 信号を記録します。
• 感覚運動リズム (SMR)。これは、ピア・オーガスティンスキーと同様に脳磁計を使用して導き出すことができますが、米国、ヨーロッパ、アジアのいくつかの研究室で実施されているEEG電極を使用することもできます。 10 ～ 20 ヘルツの周波数の振動である SMR は、実際には不活動の信号です。たとえば、右手の動きを制御する脳領域で測定した場合、被験者が右手を休めているときに SMR が最大になります。逆に、右手を動かすことを想像しただけでも信号は消えてしまいます。
グラーツのエンジニアであるゲルト・プフルトシェラーは、1990 年代から SMR に基づいたブレイン・コンピューター・インターフェースの実験を行ってきました。彼の被験者の一人は、トムと呼ばれるトーマス・S、30歳の地理学生で、1998年の水泳事故以来麻痺を患っている。頭と左手を少しだけ動かすことができますが、かなり弱いです。トムがハイデルベルクから左腕の筋肉を特に刺激するハイテク義足を受け取って以来、グラスを持ち上げて飲むなど、特定の動作を再び実行できるようになりました。
トムは現在、プフルトシェラーの研究室で脳波を使ってこの義手を制御する方法を学びましたが、その方法はやや奇妙なものでした。トムは自分が両脚を一度に前に動かしていると想像していますが、この動きは現実にはもう実行できません。これにより、その特徴的な SMR 信号が消失します。 「トムのこの信号を発見できてうれしく思います。正確に 17 ヘルツを持っており、私たちはそれを「トム スウィング」と名付けました」とプフルトシェラー氏は言います。それは激しい動きであるに違いなかった。通常の手や足の動きを想像したとき、ALS患者と同様の脳の機能喪失である長年麻痺していた男性では何も測定できなかったからである。
プフルトシェラー氏は仮想現実 (VR) の専門家でもあります。彼はグラーツで、被験者がBCIを使用して目の前のスクリーンに映る人工の風景の中を移動する実験を実施した。グラーツのエンジニアは、部屋全体をアニメーションの仮想世界で満たしているロンドンの CAVE 研究室 (コンピューターアニメーション仮想環境) と良好な関係を持っています。そこでは、たとえば、トレッドミルの上を歩いたり、アバターや仮想の人物がたくさんいる通りを散歩したりできます。
最近、学生のトムも、脳波計のキャップを頭にかぶって車椅子に座り、仮想通りを「転がる」ことができるかどうかを試すことができました。プフルトシェラー氏のウェブサイトにあるビデオで、彼が成功したことがわかります。トムは通りを車で走っていると、仮想の人々が彼に向かってやって来たので停止しました。しかし、彼は女性を「転がした」のです。 ” 間違い！アバターに近づきすぎた」と番組は報じた。
コンピューターと脳のネットワーキングの話題は、ベルリンでもグラーツと同じように遊び心のある方法で扱われます。そこのBCIチームは、Charitéの医師Gabriel CurioとFIRSTのコンピュータ科学者のKlaus-Robert MüllerとBenjamin Blankertzで構成されています。とりわけ、あなたは障害者のための新しいタイプの支援に取り組んでいます。 「私たちの目標は、非侵襲的な BCI とインテリジェントなロボット アームを組み合わせることです」とミュラー氏は言います。しかし、彼らはダイムラー・クライスラーと協力してドライバーの脳の負担についても研究しており、BCIの研究室で学生たちに遊び心のある実験を行うよう招待している。
EEG キャップを頭にかぶると、「テトリス」や「ブレインポン」（脳で制御するピンポン ゲーム）などのコンピューター ゲームを練習したり、カーソルが円を描いて動き回るベルリン ブレイン タイプライターを使用したりできます。文字を選択します。 「鶏が焼けた」のような文章全体を書く人もいるが、FAZの記者が羨ましそうに観察したように、彼自身は無意識の「ヘルク」を管理することしかできなかった。
これが人間と機械のコミュニケーションの未来のあるべき姿なのでしょうか? 「現時点では、脳波の上限はまだ非常に時代遅れです」とクラウス・ロバート・ミュラーは認めます。 「しかし、私たちは何か新しいものを開発している最中です。私たちは、これまで頭皮に塗布する必要があった粘着性のあるジェルを必要とせず、測定にかかる時間を大幅に短縮できる電極を構築しています。将来的には、このキャップをかぶって少しトレーニングするだけで効果が得られます。」
彼は最近、頭に乾いた電極を付けたプロトタイプを装着し、講義に行かなければならない直前に「頭脳ポン」のゲームをしました。すると彼は次のように気づきました。「このデバイスには信じられないほどの可能性がある。小さくて軽くて手頃な価格です。このようなキャップを頭にかぶれば、両手が自由になりながらコンピューターを操作できます。」彼はカーソルを自分の体の延長として、新しい器官として認識しているのでしょうか? 「それは言い過ぎでしょう」とミュラーは答える。 「しかし、ある意味、私はそれを自分の一部として、何も考えずに動かしています。」
ベルリン BCI の使いやすさとトレーニング時間の短縮は、センサーの改良だけの結果ではありません。何よりも、その背後にはソフトウェアのパフォーマンス、つまり新しい適応アルゴリズムの使用があります。これらは数学者の言葉で「サポート ベクター マシン」と呼ばれ、複雑なデータ ストリームから信頼性の高い予測を導き出すために、つまり脳波から欲求を読み取るために使用されます。 「なぜ機械を操作するために何ヶ月も訓練しなければならないのかわかりません。機械は人を助けることを学ぶべきだ」というのがミュラー氏の信条だ。研究者らは、ジェルフリーの脳波計キャップとそのアルゴリズムが、いつか脳卒中患者や頭の繊維が切断されたピア・オーガスティンスキーのような脳損傷者が運動能力を取り戻すのに役立つことを期待している。
ビルバウマーが半分冗談、半分本気で俳優に、手の神経を再支配するために脳から肩までケーブルを置けると提案したとき、外科的には問題なかったが、残念ながらそのためには頭をドリルでくり抜かなければならないだろう。そこでは66歳の男性が激しく自分を弁護している。私の脳に何が起こるか誰にも分かりません！結局中国語を話してしまうんです！」
彼はむしろ医学的な奇跡、つまり思考器官が自然に再生することを望んでいる。医師らは彼に、2本の非常に細い繊維がまだ残っていると告げた。これは、磁気共鳴断層撮影装置の新しいタイプの検査方法を使用して検出できます。
この2本の細い糸のせいでしょうか？脳磁計を使った訓練について?それとも、テュービンゲンの親切な理学療法士が、彼に身体的な自律性をさらに高めるよう奨励しただけでしょうか？
理由は何であれ、ピア・アウグスティンスキーは一昨日から左手を少し開け閉めできるようになりました。そして彼が誇らしげに言うと、はい、ご覧のとおり、彼の指が少しピクピクと動きました。完全に麻痺した手は見た目が違います。信じられない。ちょっとした奇跡！ ■
ジュディス・ラウフ自身も、テュービンゲンの MEG 研究室で頭を使ってコンピューターのカーソルを制御しようとしました。最初のラウンドでは成功しましたが、2 番目のラウンドではすでに疲れ果てていました。 「それは非常に多くの頭脳労働です」と彼女は言います。
タイトルなし
· センサーの感度はますます高まっており、アルゴリズムはますます高速になっており、人々は筋力を使わずに思考を行動に移すことができます。
· 目標は、障害者のためのより良い義足です。副産物は、脳だけで制御できるコンピューター ゲームです。
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脳波 (EEG) による思考伝達が実験室で機能するとすぐに、機知に富んだ研究者たちが最初の商品を市場に投入します。米国企業 Emotiv Systems の広告写真では未来的な自転車ヘルメットのように見えます (下) が、実際にはブレイン・コンピューター – 開発会社によれば、脳から脳波を読み取るインターフェース。 「Epoc」と名付けられたこのヘルメットは、主にコンピュータ ゲーム業界で使用されることを目的としています。適切なソフトウェアの助けを借りて、数回のトレーニング セッションの後、ユーザーは意図だけでなく感情も仮想の代表者に伝えることができるはずです。いわゆるアバター、たとえばコンピュータ ゲーム「Second Life」など。しかし、経験豊富な脳研究者らは、エポックが約束したことを実現できるかどうかについては懐疑的だ。脳の構造は人によってあまりにも異なるため、すべての人に適用できる標準は存在しない、と彼らは指摘する。ベルリン・フラウンホーファー・コンピュータ・アーキテクチャおよびソフトウェア技術研究所のクラウス・ロバート・ミュラー氏は、この装置が脳波をまったく測定しているのではなく、筋肉の興奮やその他のアーチファクトを測定しているのではないかとさえ疑っている。何を測定しているのか。」
