2014. jún 11.

Minden idők legtudományosabb kezdőrúgása

írta: _Maverick
Minden idők legtudományosabb kezdőrúgása

ball.jpgA sportot és a labdarúgást kedvelő emberként minden alkalommal várom az aktuális világbajnokságot. Így vagyok ezzel most is, amikor már csak 1 nap választ el minket attól, hogy a focival igencsak különleges viszonyt ápoló Brazíliában útjára induljon a labda. Ez a pillanat jelen esetben azonban többről fog szólni, mint pusztán csak a legnépszerűbb sportesemény kezdete. Miguel Nicolelis brazil kutatónak és csapatának hála sor kerül a világtörténelem minden bizonnyal legnézettebb tudományos demonstrációjára is – a nézők számát tekintve csak a Holdra szálláshoz hasonlítható az esemény -, amely soha nem látott nyilvánosság előtt demonstrálja majd az emberi tudás egyre táguló határait, és egyben egy új korszak hajnalát is jelenti: a kezdőrúgást egy deréktől lefelé lebénult ember fogja elvégezni, aki gondolataival vezérelve egy felcsatolt „robotváz” (exoskeleton) segítségével felkel majd tolószékéből, és pár lépés megtétele után Neymar mellől elrúgja a labdát... Évtizedes, nemzetközi együttműködésben végzett kutatómunka eredménye lesz ez a szinte hihetetlen pillanat, melyet okkal várhat minden érdeklődő lélegzetvisszafojtva.

Az „Járj Újra Projekt” eredménye annyi egyenként is innovatív megoldás és technikai újítás szintéziseként áll elő, hogy szinte felsorolni is nehéz azokat. Mégis megpróbáljuk most sorra venni az összetevőket, hogy kicsit érthetőbbé – és még megdöbbentőbbé, még értékelendőbbé - tegyük azt, amit csütörtök este 22 órakor láthatunk majd milliárdnyi embertársunkkal egyetemben élő egyenes adásban.

 exo.jpg

Kezdjük a legszembetűnőbb alkatrésszel: a robotvázzal, angolul exoskeleton-nal. A munka robotikai részéért a Müncheni Műszaki Egyetemen tevékenykedő Gordon Cheng vezette csoport volt felelős, míg magát az eszközt francia kutatók készítették el. Ez a berendezés már a gondolatvezérlés nélkül is a vonatkozó tudományág csúcsát jelenti, hiszen rengeteg kritériumnak kell megfelelnie ahhoz, hogy egy ember használni tudja. Könnyű, mégis stabil, masszív szerkezetre van szükség, mely igen precízen irányítható a beépített számtalan aktuátor segítségével és egyúttal kellően biztonságos is. Az utasításokra ráadásul „azonnal” kell reagálnia, pontosítania kell azokat saját maga számára, és visszajelzéseket is kell küldenie a felhasználó felé. Ez elengedhetetlen az irányíthatósághoz.

 

Itt álljunk meg egy szóra: miként küldhet visszajelzést egy robot egy ember számára? Elsőre sokaknak alighanem olyan megoldások jutnak eszébe, amelyekkel a mindennapok során is találkozhatunk már: hangok, fények, kijelzők... Ezek azonban nem lennének elég közvetlenek, nem lennének elég gyorsak. A páciensnek nem áll módjában képernyőn megjelenő grafikonokat leolvasni és értelmezni, miközben saját következő lépését akarja éppen kivitelezni. Járásól lévén szó elsősorban nyomásérzékelésre, tapintás útján történő információ gyűjtésre van szükség az egyensúly megőrzése érdekében (ezek hiányában igen nehéz koordinálni a mozgást, amit mindenki megtapasztalhatott, akinek zsibbadt már el a lába). Ne felejtsük el, hogy deréktől lefelé lebénult páciensekről beszélünk, így saját lábuk nem küldhet visszajelzést a robottal való interakcióról. Ennek ellenére nem kell lemondani a tapintás útján történő érzékelésről, hála az agy bámulatos alkalmazkodó képességének, a neuroplaszticitás jelenségének.

west.jpgA kutatók kifejlesztettek egy olyan mellényt, amely fogadja a robotra szerelt szenzorokból érkező jeleket, és ezeknek megfelelően stimulálja a páciens felsőtestét kisebb vibrációkkal. Ez látszólag igen bonyolult, szinte követhetetlen ingeráradatot jelent – miként is lehetne egy vállban érezhető apró bizsergésből a lábfej helyzetére következtetni... –, az agy azonban döbbenetes módon igen gyorsan képes alkalmazkodni az új ingerekhez. Ezt annak idején egy személyes élménytől vezérelve Paul Bach-y-Rita mutatta meg (munkásságával korábbi cikkünkben részletesen foglalkoztunk). Ő az alábbihoz hasonló kérdéseket tett fel:

„Szükség van-e a szemre a látáshoz, a fülre a halláshoz, a nyelvre az ízleléshez vagy az orra a szagláshoz?”

Persze! - vághatnánk rá. Mindjárt nem ilyen egyszerű a válasz, ha belegondolunk: az érzékszervek csak előállítják a környezeti hatások kódolásával az idegek által szállított elektromos impulzusokat, amelyeket aztán az agy értelmez. A szállított jel jellege független az adott érzékszervtől, azt a feldolgozás, értelmezés módja tölti meg tartalommal. Hasonlóan képzelhetjük el mindezt – hogy egy kicsit megpengessük a mechanisztikus agy gondolatának örök érvényű húrjait – a számítógépen továbbított adatokhoz: legyen szó akár képről, akár hangról vagy szövegről, végeredményben csak nullák és egyesek sorozatai továbbítódnak. Ahogy Paul összefoglalta:

„Nem a szemünkkel, hanem az agyunkkal látunk!”

Paul ezen az elven a nyelvbe vezetett jelekkel megtanított az ilyen irányú képességüket elvesztő embereket újra egyensúlyozni... Ennek analógiájára mondhatjuk: nem a lábunkkal érzünk, hanem az agyunkkal. A mellénybe vezetett jelekhez az agy alkalmazkodni tud, és segítségükkel némi gyakorlás után képessé válik a robotváz „érzésére”. (Meg kell jegyeznünk, hogy Nicolelis csoportjától nem is ez a legextrémebb teljesítmény az agy érzékelő képességének átalakítása terén: korábban egy egeret képessé tettek arra, hogy „lássa” a számára egyébként észrevehetetlen infravörös fényt.) 

A mellény megoldja tehát a visszajelzés kérdését, de miként irányíthatja a páciens a berendezést? Nicolelis csoportja évtizedek óta foglalkozik az agy-gép interfészek fejlesztésével (brain-machine interface), melyek a mellénnyel kiegészülve immár a fejlettebb agy-gép-agy kategóriába esnek. Hasonló berendezésekről már igen régóta fantáziálnak a sci-fi irodalomban, de megvalósításuk halvány lehetősége akkor sejlett fel először, amikor 1969-ben Eberhard Fezt-nek sikerült elkülönítenie és rögzítenie egy neuron elektromos jeleit (tüzelését) egy majom agyába ültetett mikroelektróda segítségével. Fetz azt is megmutatta, hogy az állatok képesek tudatosan hangolni agyi aktivitásukat kellő motiváció esetén. A kísérleti alanyt minden alkalommal megjutalmazta egy kis gyümölcslével, amikor az működésbe hozta az adott neuront vizsgáló szenzort. Azt tapasztalta, hogy az állat idővel képessé vált az adott terület aktivitásának növelésére.

Az egyes neuronok jeleinek detektálása ekkortájt „divatba jött” és sorra jelentek meg tanulmányok arról, hogy melyik neuron miért is lehet felelős, melyik területeken milyen funkciók lelnek otthonra az agyban. Nicolelist azonban nem hagyta nyugodni a kérdés: vajon nem veszik-e el valami, miközben alkotóelemeire bontjuk a teljes rendszert? Nem siklunk-e át a lényegen? Elegendő-e az egyes neuronok jeleit detektálni? Meggyőződése volt, hogy a nagy egész több, mint pusztán a részek összege. A kutató személyiségét, labdarúgás iránti olthatatlan szerelmét és brazil mivoltát mi sem jelzi jobban, mint hogy könyvében ezt a jelenséget az 1970-es brazil válogatott döntőben szerzett negyedik góljának oldalakon keresztül történő elemzésével illusztrálja.

Mint arra rámutat a szerző: ha mindent, de mindent tudtunk volna az egyes játékosokról, gondolataikról, képességeikről, adott helyzetben való viselkedésükről, ezen információk birtokában akkor sem tudtuk volna előrejelezni, leírni Carlos Alberto „tökéletes gólját”. Hasonló a helyzet az egyes neuronokkal is. Azokat együttesen kell vizsgálni! 

Ezen meggyőződésből csoportjával sikerült olyan eljárásokat kidolgoznia, amelyek segítségével 2012-re már majdnem 2000 neuron jelét lehetett detektálni egyidejűleg. Ez a technikai előrelépés elengedhetetlen volt az agy-gép interfészek fejlesztéséhez.

Megvan tehát a jel. Hogyan lehet értelmezni azt? Ennek felderítésében kulcsszerepet játszott az Aurora névre hallgató, meglehetősen öntörvényű majom, akire a kutatócsoport diszkontáron tett szert összeférhetetlen személyisége miatt. Valahogy mégis sikerült zöld ágra vergődni vele, részben a főemlősök számára ellenállhatatlannak bizonyuló brazil narancslének köszönhetően. Aurorának - miközben az agyába ültetett elektródok buzgón rögzítették körülbelül 100 neuronjának elektromos jeleit - egy joystick segítségével egy célkeresztet kellett mozgatnia, mellyel célba kellett vennie a képernyőn egymás után felvillanó világos foltokat. Siker esetén a jutalom egy csepp narancslé volt. A feladat elvégzése közben nem csak az agyi jeleket rögzítették, hanem az állat karjának pozícióját is. Az állat méretei miatt ez is kihívás volt, hiszen igen finom mozdulatokat kellett érzékelni. Ehhez rugalmas tapaszokat, nyúlásmérő bélyegeket használtak, melyeket az állat karjára rögzítettek.

Adott volt tehát két adathalmaz: a kar pozícióját leíró számok és az agyból származó jelek. A kettő közti kapcsolat megteremtéséhez egy másik napjainkban felkapott és aktív kutatási terület, a gépi tanulás eredményeit hívták segítségül. A neurális hálók családjába tartozó algoritmusok megtanulták értelmezni a kellően bőséges mintát, és ezen tapasztalatok birtokában már képesek voltak pusztán az agyi jelek alapján előrejelezni a kar pozícióját. A kutatók azt is megvizsgálták, hogy mennyivel lehet csökkenteni a neuronok számát úgy, hogy még mindig megfelelő pontossággal rekonstruálni lehessen a térbeli pozíciót.

A következő lépés a módszer tesztelése volt. Aurora tovább folytatta a gyakorlatot, a szomszéd szobában pedig munkába állítottak egy robotkart, amely próbálta követni a mozdulatokat. Az algoritmusban nem kellett csalódni: a kar az elvárt módon működött és a szólással ellentétben ezúttal nem a majom szokása volt az utánozás.

aurora.jpg

Rá lehet-e venni az állatot arra, hogy pusztán gondolataival mozgassa a kurzort? - adódott a kérdés. A kutatók várakozásai szerint ennek megoldhatónak kellett lennie, de mégis őszintén megdöbbentek azon, hogy mennyire könnyen ment mindez. Elvették Aurorától a joystickot, a kontrollt pedig átkapcsolták a robotkarra. A főemlős egy darabig hezitált, majd a képernyőre fókuszált, és folytatta a gyakorlatot a narancslé reményében. A szomszéd szobában a robotkar megmozdult, és általános meglepetésre valósággá vált az, amit korábban lehetetlennek hittek: Aurora pusztán gondolataival, elképzelve a mozdulatot, tudatosan vezérelni tudott egy gépet...

idoya.jpgAz újabb mérföldkövet már Aurora kollégája, Idoya érte el. Neki egy futópadon kellett masíroznia a Duke Egyetem laborjában, miközben agyi jeleit egy Japánban állomásozó robotnak továbbították. A majdnem 100 kilós masina szintén egy padon lépegetett szinkronban Idoyaval, miközben a főemlős ezt egy kivetítőn látta maga előtt. A kutatóknak meg kellett oldania egy informatikai kérdést is, ugyanis kísérletileg igazolták, hogy az agy csak akkor kapcsolja össze saját tevékenységét a látottakkal, vagyis a robot lépéseivel, ha a gép a saját végtagokhoz hasonlóan gyorsan reagál az utasításokra. Az agy ezen vizuális megerősítés útján történő trenírozása volt a kísérlet újdonsága Aurora korábbi feladatához képest, amelynek során nem látta a robotkar mozdulatait. Ehhez a jeleknek szélsebesen kellett átverekedniük magukat a fél bolygón, megfelelő módon utat vágva maguknak a hálózatokon keresztül. Mikor a programozóknak sikerült áthidalnia ezt a problémát, a kísérlet elkezdődhetett. A szintén narancsléfüggő Idoya egy idő után képessé vált pusztán gondolataival mozgásban tartani a nála sokszor nagyobb fémszerkezetet, mindezt a világ túloldaláról. A jelátvitel sebessége miatt azt is sikerült elérni, hogy a gép gyorsabban reagáljon Idoya gondolataira, mint saját lábai. Ekkor 2008-at írtunk. Nicolelis így reagált a robot első mozdulatára:

„Kis lépés egy robotnak, de óriási ugrás egy főemlősnek!”

/Ezeket az eredményeket - és még néhány másikat - Nicolelis az alábbi nagyszerű előadásban foglalja össze (magyar felirattal)/ 

Ha végignézünk az előző bekezdéseken, akkor ezen kísérletek után látszólag minden szükséges részegység rendelkezésre állt ahhoz, hogy elkészüljön a gondolatvezérelt exoskeleton. Ez majdnem így is van, azonban maradt még két megoldandó probléma, melyek abból származtak, hogy a majmokat emberekre cserélték, akik ráadásul nem tudták saját lábaikat mozgatni. 

Ahogy azt Idoya esetében láthattuk, az állat maga is járt, agya kiadta a járáshoz szükséges utasításokat, miközben szemével érzékelte, hogy ezzel szinkronban jár a képen látható robot is. Az érzékszervi megerősítés „becsapta” az agyat, és összekapcsolta a két tevékenységet. Mi a helyzet akkor, ha maga a páciens nem tud már járni, vagyis nem áll rendelkezésre a vizuális megerősítés? A kutatók a virtuális valóságot hívták segítésül. A páciensekre ráadták a korábban bemutatott érzékelő mellény prototípusát és egy virtuális valóság sisakot, amelynek segítségével lefelé pillantva saját lábaik helyett virtuális végtagokat láthattak, melyek újra jártak. Eközben a mellény biztosította a talaj érintését helyettesítő jeleket, ezzel visszaadva a járás illúziójának érzékelését az agy számára. Nem maradt más hátra, mint olvasni azokat az agyi jeleket, amelyek eközben formálódtak a járásra gondolva.

helmet.jpg

Aurora és Idoya esetében ezt az agyba ültetett elektródákkal tették, de nem túl sok ember vállalkozna egy invazív agyműtétre pusztán kísérleti célokból - nem beszélve az engedélyezésről -, így más megoldás után kellett nézni. A csoportnak sikerült úgy pontosítania és továbbfejlesztenie az EEG jeleket olvasó, úszósapka szerű alkalmatosságot, hogy annak felbontása elegendőnek bizonyult az irányításhoz szükséges jelek kiolvasásához. Ez egyszerűnek tűnik, valójában azonban igen komoly feladat volt, hiszen korábban úgy gondolták, hogy a sok-sok neuron elektromos jelének átlagát érzékelő módszer – szemben az egyes elektronok aktivitását detektáló elektródákkal - nem képes a szükséges részletek kimérésére. Egy hétköznapibb példával talán jobban megérthető a különbség: képzeljük el, hogy egy város életét akarjuk megfigyelni, annak zajait, hangjait detektálva. Az elektródás módszer megfelel annak, mintha minden egyes kapualjat bemikrofonoznánk. Az EEG ezzel szemben olyan, mintha néhány háztömbként felbocsátanánk egy ballont, mely egy mikrofon révén rögzíti a zajokat 50-100 méteres körzetben. Utóbbi segítségével megállapítható ugyan, hogy a környéken mikor volt a legnagyobb a forgalom, vagy mikor történt egy baleset, de azt már nem lehet kihallani belőle, hogy Piroska mikor vett virágot a sarki árusnál a nagymamának. Nicoleliséknek mégis sikerült annyi ilyen „tömbmikrofont” elhelyeznie, hogy kellő részletességgel érzékelni tudják az elektromos jeleket.

Az elkészült sisakoknak – csakúgy mint a robotváznak – az adott páciensre szabottnak kell lennie, ehhez 3D nyomtatott betéteket használtak, melyek biztosítják az eszközök helyzetének változatlanságát.

Ezzel elviekben minden technikai akadály elhárult a demonstráció elől. Összesen 8 résztvevő gyakorol ezekben a percekben is a laborban, hogy végül egyikük felkelhessen majd a tolószékből holnap este, és arrébb passzolhassa a labdát. A kutatók évtizedes munkája mellett hihetetlen mennyiségű gyakorlás és erőfeszítés szükséges ehhez részükről is.

31000.jpg

Ha végignézünk a felsorolt tudományos eredményeken – agykutatás, EEG sisak, virtuális valóság, 3D nyomtatás, robottechnika, érzékelést biztosító mellény, agy-gép-agy interfész, gépi tanulás, agysebészet –, akkor az űrkutatás feltétlen rajongójaként sem érzem túlzónak leírni: a Holdra szállás óta nem láthatott az emberiség ehhez fogható tudományos demonstrációt élő egyenes adásban. Történelmi pillanat lesz ez, mely milliárdokat döbbenthet rá arra, hogy hol is tart az emberiség, hogy miért is érdemes tudománnyal foglalkozni. Ezek a fejlesztések nem olyan látványosan történtek, mint az égbe emelkedő rakéták kilövései, de megtörténtek. Nicolelis zseniálisan ragadta meg a kínálkozó lehetőséget, és hozta tető alá az eseményt, mindezt hazájában, egy ottani laborból koordinálva, Brazíliára irányítva ezzel a tudományos világ figyelmét. Tevékenysége példaértékű lehet a világ tudósai számára, akik sokszor csak nehezen tudják a közvéleményt informálni munkásságuk jelentőségéről.

 

Természetesen nincs garancia arra, hogy a bemutató sikeres lesz. Az EEG sisakot ugyan sikerrel tesztelték már egy brazil bajnoki mérkőzés alkalmával csordultig telt stadionban is, de mégiscsak gondolatokról és agyhullámokról van szó, így nehéz előrejelezni, hogy miként reagálnak majd az alanyok a 70000 tomboló nézőre és a tudatra, hogy a képernyők előtt 1 milliárdan ülnek majd. Bármi is történjék, a technika létezik, a laborban már sikeresen demonstrálták, és Brazília legalább olyan izgatott Nicolelis projektje miatt, mint a kezdődő világbajnokság okán. Ezt bizonyítja, hogy milyen figyelmet szentel az eseménynek az ottani média, illetve hogy mennyit beszélnek róla az utcán is. Egy a kutatásról tudósító riporter számolt be az alábbi élményéről:

A repülőgépen leült mellém egy fiatal fiú, és megkérdezte, hogy miért megyek Brazíliába. Egy sztorin dolgozom a világbajnoksággal kapcsolatban – válaszoltam. Mire ő így felelt: inkább az iskolákról kéne írnom, arról, hogy a kormánynak mennyi mindennel kellene foglalkoznia a stadionok építése helyett, hogy neki fél évet csúszott az érettségije a tanárok sztrájkja miatt. Ámulva hallgattam, majd hozzátettem: nem a fociról, hanem egy tudósról fogok írni. Erre felcsillantak szemei: „Ááá, Nicolelisről? Olvastam a munkájáról!”

Végezetül ajánljuk az alábbi videót, melyen Nicolelis a brazil TV számára foglalja össze a projektet. A felvételhez az angol felirat bekapcsolható.   

 

Források

Miguel Nicolelis Beyond Boundaries című remek könyve, melyben részletekbe menően leírja a cikkben csak említett kísérleteket és a hozzájuk kapcsolódó történeteket

Walk Again Project honlap

The Verge

The Verge - fényképes összeállítás

Nicolelis cikkben szereplő TED előadása

The Guardian

3D Kívánság blog

atv.hu

The best of our knowledge

Grantland

 

Ha tetszett a bejegyzés, és szeretnél frissen értesülni az újakról, illetve szívesen olvasnád azokat az írásokat is, melyeket csak ajánlunk, de külön bejegyzéssé nem érnek (vagy nincs szükség kiegészítésükre), vagy a megnéznéd a tudomány világából származó képeket és a hozzájuk kapcsolódó minibejegyzéseket, akkor csatlakozz a blog Facebook oldalához a jobb hasábban megtalálható alkalmazás segítségével, vagy csak nézd meg azokat az ugyanott található linkekre kattintva (FB regisztráció nélkül is elérhetőek)! 

Ha pedig szívesen bemutatnád saját szakterületedet, kutatási témádat, vagy blogunk profiljába illő érdeklődési körödet, akkor írj a jobb oldalon megadott e-mail címre! Nagyon nagy örömmel adnánk helyt magyar egyetemeken tevékenykedő kutatócsoportok munkásságáról szóló beszámolóknak! 

Szólj hozzá

neuron agykutatás algoritmus exoskeleton robottechnika fókuszpont 3D nyomtatás neuroplaszticitás Nicolelis