Što sve kriju električni signali našega mozga?

U mnoštvu zanimljivih predavanja koja smo posjetili tijekom 13. Tjedna mozga u Hrvatskoj,donosimo još jedno koje nas se posebno dojmilo. Polaznice doktorskog studija na Fakultetu elektrotehnike i računarstva, Ana Branka Jerbić, dipl. ing., Magdalena Krbot Skorić, dipl. ing. i Marina Paprika, dipl. ing. pod vodstvom prof. dr. sc. Maria Cifreka, u okviru zabavne, interaktivne javne radionice, pokazale su nam što nam sve otkrivaju i skrivaju električni signali našeg mozga. 

Primjena moždanih signala u dijagnostici 

Ozbiljnija dijagnostika brojnih neuroloških poremećaja danas je nezamisliva bez elektroencefalografije (EEG-a). Glavna dijagnostička aplikacija EEG-a je u slučaju epilepsije pri kojoj EEG zapis izgleda kao oluja u mozgu, asinkrono ispaljivanje u iregularnim šiljcima. Sekundarna dijagnostička primjena EEG-a je u slučaju kome, encefalopatije i moždane smrti. U prošlosti je korišten i da bi se dijagnosticirali tumori, srčani udari i drugi fokalni poremećaji, ali je ta inicijalna primjena danas zamijenjena drugim dijagnostičkim alatima, npr. fMRI i CT skeniranjem. Brojni mentalni poremećaji pokazuju specifičan EEG prikaz u kojem se vidi smanjena aktivnost u frontalnim režnjevima mozga, ali osim te činjenice primjena EEG-a u dijagnostici duševnih bolesti se izostavlja zbog nedovoljne preciznosti. 

Elektroencefalografija je proces snimanja električne aktivnosti mozga duž kostiju lubanje. Funkcioniranje EEG uređaja temelji se na jednostavnoj činjenici da živčane stanice u mozgu konstantno produciraju male električne signale. Neuroni transmitiraju informaciju kroz tijelo električki tako što kreiraju impulse difuzijom iona preko staničnih membrana. Svaki podražaj neurona dovodi do promjena na njihovoj membrani tako što se otvaraju ionski kanali za propust iona.

Proces razmjene iona s okolinom traje stalno, bilo da se održava potencijal mirovanja ili dolazi do akcijskog potencijala. Tim konstantnim kretanjem iona stvaraju se tzv. “valovi” iona koji kad dođu do elektroda na lubanji mogu odgurnuti ili privući elektrone metala koji se nalazi na elektrodama te tada dolazi do pojave napona. Napon između bilo koje dvije elektrode može se mjeriti voltmetrom i upravo snimanje tih napona određeno vrijeme kao rezultat daje EEG signal. Kada osoba razmišlja, čita ili recimo gleda televiziju aktiviraju se i stimuliraju različiti dijelovi mozga te takva aktivnost kreira i različite električne signale koji se mogu mjeriti elektrodama i prikazati simfoniju mozgovnih valova. 

Tijekom predavanja svjedočili smo snimanju EEG-a na zdravom dobrovoljcu i mogli smo se uvjeriti u neinvazivnost i bezbolnost samog postupka. Također, znanstvenice koje ujedinjuju informacijske tehnologije s biomedicinskom strukom pokazale su nam na koji će nam način moždani električni signali i njihovo istraživanje unaprijediti život u budućnosti. 

Komunikacijski kanal između mozga i računala 

Komunikacija između ljudi i računala danas je popularna tema u znanstvenima krugovima i vjerojatni je smjer budućih razvoja kako u području neuroznanosti tako i u području informacijske tehnologije. Sučelje mozak-računalo (eng. brain-computer interface, BCI) je direktna komunikacijska veza između čovjekovog ili životinjskog mozga i vanjskog uređaja. U BCI nije još razvijena dvosmjerna komunikacija; ili računalo prima informacije iz subjektovog mozga ili šalje informacije u mozak. BCI se trenutno razvija za medicinske potrebe (pomoć kod fizički onesposobljenih osoba), ali također može naći primjenu kod virtualnih okruženja (računalne igre nove generacije, razni simulatori ili općenito život u virtualnim svijetovima). 

Neinvazivno sučelje koristi uglavnom EEG. Glavna prednost ovakve veze je nepostojanje rizika otvorene operacije na mozgu, ali nedostatak je spori prijenos informacija (5-25 bits/s). Ovakav prijenos nije dovoljan za kontrolu pokreta proteze ruke ili noge koja ima više stupnjeva slobode, ali može se koristiti kod nekih praktičnih rješenja kao što su: kontrola kursora miša, komunikacija, računalne operacije ili kontrola invalidskih kolica.

Općenito, sučelje EEG tipa pokušava razlučiti odluku subjekta kroz mjerenje kombinirane električne aktivnosti enormnog broja neurona. Aktivnost pojedinih moždanih regija smanjuje rezoluciju korisnog signala. Nadalje, signal iz mozga do elektroda prolazi kroz tkivo, kosti i kožu što mu još više smanjuje rezoluciju. Bez obzira na navedene mane EEG može detektirati promjene moždane aktivnosti povezane s vizualnom stimulacijom, kutom gledanja, namjerom ili kognitivnim stanjima. 

Primjena moždanih signala u kompjuterskim igricama 

Budućnost kompjuterskih igrica je svakako u neurogamingu! Moderna tehnologija koristi neinvazivni BCI da bi poboljšao igračeve kompetencije koji tada može koristiti igraću konzolu bez klasičnog joysticka. Neki kompjuterski programi koriste igračeve moždane valove da bi se izvršili kompleksni zadaci u video-igricama, a postoje i oni koji se baziraju na primjeni srčanog ritma, izraza lica, sužavanju zjenica oka pa čak i emocija. Ovakav novi oblik interakcije između igrača i računala omogućuje realistično doživljavanje i proživljavanje situacija u kompjuterskim igricama. 

Primjena moždanih signala kao pomoć fizički onesposobljenim osobama 

Kako bi se pomoglo ljudima koji pate od paralize nakon ozljede, bolesti ili moždanog udara, znanstvenici koriste brain-computer interface koji snima električne signale koje proizvode neuroni i prevode ih u pokret. Praktično, to znači da moždani signali upravljaju uređajem kao što je robotska ruka samo pomoću pacijentovih misli. Kada paralizirani pacijenti planiraju ili razmišljaju o pokretu, aktiviraju se neuroni u motornom području korteksa, iako je slomljena komunikacijska veza između mozga i izvođača pokreta – mišića. Implantiranjem senzora u ta područja mozga, neuralna aktivnost može biti zabilježena i prevedena u pacijentov željeni pokret korištenjem niza matematičkih algoritama.

Ovo sučelje omogućuje pacijentu generiranje pokreta direktno pomoću misli. Znanstvenici nastavljaju razvijati sofisticirani uređaj koji će iskoristiti za izradu visokoučinkovite proteze koja bi omogućila pacijentima da proizvedu kompleksne pokrete korištenjem robotske ruke ili paraliziranog uda. Pretpostavlja se da je za razvoj ovakvog sučelja i aplikacije je potrebno još 10 do 20 godina. Takva proteza je potpuno ugradivi sustav koji snima moždanu aktivnost bežično, obrađuje je, klasificira i izvršava, a isto tako sastoji se od povratne bežične veze koja stvara osjećaj pravog ekstremiteta. 

Samo nebo je granica! 

Od kompjuterskih igrica pa sve do moždanih proteza. Mogućoj primjeni moždanih električnih signala se ne vidi kraja i vjerujem kako nas u skoroj budućnosti zasigurno očekuje neko kolumbovsko otkriće!