Πίθηκοι κατάφεραν να ελέγξουν ένα… άβαταρ! Monkeys Control Virtual Reality Avatar With Only Their Brains

A brain implant allowed monkeys not only to move a virtual arm but also to experience tactile sensations. Photograph: Katie Zhuang

Οι πίθηκοι κάταφεραν να ελέγχουν τις κινήσεις των χεριών των άβαταρ μόνο με τη σκέψη τους. Large-scale brain activity from a rhesus monkey was decoded and used to simultaneously control reaching movements of both arms of a virtual monkey avatar towards spherical objects in virtual reality. Credit: Duke Center for Neuroengineering

Mέχρι σήμερα τόσο οι άνθρωποι όσο και κάποιοι πίθηκοι είχαν καταφέρει να ελέγξουν νοητικά ένα προσθετικό χέρι. Για πρώτη φορά επιστήμονες κατάφεραν να εκπαιδεύσουν πιθήκους ώστε να καταφέρουν να ελέγξουν νοητικά και τα δύο χέρια τους. Στο πείραμα που έγινε στις ΗΠΑ οι πίθηκοι καταφέραν να κινήσουν τα δύο χέρια ενός ψηφιακού αντίγραφου τους, ενός άβαταρ.

Τα πειράματα

Οι πίθηκοι κάταφεραν να ελέγχουν τις κινήσεις των χεριών των άβαταρ μόνο με τη σκέψη τους. Large-scale brain activity from a rhesus monkey was decoded and used to simultaneously control reaching movements of both arms of a virtual monkey avatar towards spherical objects in virtual reality. Credit: Duke Center for Neuroengineering

Το επίτευγμα ανήκει σε ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή Νευροβιολογίας Μιγκέλ Νικολέλις της Ιατρικής Σχολής του πανεπιστημίου Ντιουκ των ΗΠΑ, που είναι εκ των πρωτοπόρων του συγκεκριμένου ερευνητικού τομέα.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν εξειδικευμένο λογισμικό και δημιούργησαν ένα ψηφιακό alter ego των πειραματόζωων στην οθόνη, ένα άβαταρ όπως είναι η πιο κοινή ονομασία αυτών των ψηφιακών αντιγράφων μας.

Κατέγραψαν μέσω της εμφύτευσης ηλεκτροδίων στον εγκέφαλο την ηλεκτρική δραστηριότητα περίπου 500 νευρώνων στον σωματοαισθητικό φλοιό καθώς και στον κινητικό φλοιό - πρόκειται για τις περιοχές που είναι υπεύθυνες για την αίσθηση της θέσης του σώματος, την αφή και την κίνηση. «Πιστεύουμε ότι πρόκειται για τον μεγαλύτερο αριθμό νευρώνων των οποίων καταγράφεται ταυτοχρόνως η δραστηριότητα σε πρωτεύον θηλαστικό εκτός του ανθρώπου» σημείωσε ο δρ Νικολέλις.

Ενώ κατέγραφαν τη δραστηριότητα του εγκεφάλου των πιθήκων, οι επιστήμονες τους «εκπαίδευσαν» ώστε να κινούν τα χέρια του «άβατάρ» ακολουθώντας δύο κινούμενους στόχους σε μια οθόνη. Αρχικώς δίδαξαν τους πιθήκους πώς να κινούν τα εικονικά χέρια του άβαταρ με χρήση δύο τζόιστικ. Ενόσω συνέβαινε αυτό ένας ειδικός αλγόριθμος που έτρεχε σε υπολογιστή μάθαινε ποια εγκεφαλική δραστηριότητα ταίριαζε με ποιες κινήσεις.

Όταν αυτό επετεύχθη τα τζόιστικ αποσυνδέθηκαν και ο αλγόριθμος... ανέλαβε δράση. Μόλις το πρόγραμμα ανίχνευε ένα μοτίβο στον εγκέφαλο το οποίο μαρτυρούσε τάση για κίνηση, τότε κινούσε τα εικονικά χέρια προς την κατεύθυνση που υποδείκνυε το εγκεφαλικό σήμα. Οι πίθηκοι λάμβαναν ανταμοιβή κάθε φορά που τα χέρια έβρισκαν τον στόχο, έτσι γρήγορα έμαθαν να τα κινούν μόνο με τη σκέψη.

Οι ερευνητές πήγαν όμως και ένα βήμα πιο πέρα. Θέλησαν να δουν αν μπορούν να «εκπαιδεύσουν» τον αλγόριθμο με χρήση μόνο της σκέψης - ένα βήμα ζωτικής σημασίας προκειμένου ένα τέτοιο σύστημα να βοηθήσει κάποια ημέρα άτομα που δεν μπορούν να κινηθούν.

Για να το καταφέρουν έβαλαν έναν πίθηκο να κοιτά τα εικονικά του χέρια να κινούνται προς τους δύο κινούμενους στόχους (οι ερευνητές είχαν περιορίσει τα δικά του χέρια ώστε να μην μπορούν να κινηθούν). Καθώς ο πίθηκος παρακολουθούσε τις κινήσεις,οι νευρώνες στον κινητικό και τον σωματοαισθητικό φλοιό του άρχισαν να αντιδρούν με τρόπο παρόμοιο με εκείνον που θα αντιδρούσαν αν ο πίθηκος κινούσε τα πραγματικά του χέρια.

Χρειάστηκαν μόλις επτά λεπτά για τον αλγόριθμο ώστε να αναγνωρίσει τα μοτίβα εγκεφαλικής δραστηριότητας τα οποία συνδέονταν με την κίνηση των εικονικών χεριών. Στη συνέχεια οι ερευνητές επέτρεψαν στον αλγόριθμο να αναλάβει καθήκοντα και να κινεί τα εικονικά χέρια μόνο όταν ο πίθηκος σκεφτόταν να τα κινήσει.

Η έρευνα και το…μουντιάλ

A team of Duke University researchers headed by Miguel Nicolelis have added an artificial tactile sensations to their brain-machine interface that enacted reaching movements of a virtual-reality upper limb (monkey avatar, depicted in the image). Credit: Katie Zhuang

Η ταυτόχρονη κίνηση δύο εικονικών χεριών είναι ένα ακόμα επίτευγμα στο πεδίο της ανάπτυξης διεπαφών μεταξύ βιολογικών όντων και μηχανών. Μεταξύ άλλων, η σχετική έρευνα, που σημειώνει μεγάλες προόδους τελευταία, αποσκοπεί στη δημιουργία νευροπροσθετικών συσκευών ή ολόκληρων εξωσκελετών, ελεγχόμενων από τον εγκέφαλο, για παράλυτους ασθενείς.

Ο Νικολέλις θα αξιοποιήσει τα νέα ευρήματα στο διεθνές ερευνητικό πρόγραμμα «Walk Again» (Περπατήστε Ξανά), που στοχεύει στην ανάπτυξη μιας νευροπροσθετικής συσκευής ελεγχόμενης πλήρως από τον εγκέφαλο των παράλυτων ανθρώπων. Η συσκευή στην ουσία θα είναι ένας εξωσκελετός, ο οποίος σχεδιάζεται να παρουσιαστεί για πρώτη φορά στη Βραζιλία, την πατρίδα του Νικολέλις, κατά την τελετή έναρξης του Παγκοσμίου Κυπέλλου Ποδοσφαίρου του 2014.