Prof. Ryszard Tadeusiewicz: Elektronika i mózg

Czasy, kiedy pierwsze komputery nazywano „mózgami elektronowymi” już dawno minęły, jednak związki elektroniki z mózgiem są wielokierunkowe i warto się im przyjrzeć. Mózg jako siedlisko intelektu i uczuć fascynował badaczy od stuleci, ale pierwsze badania jego morfologii mogły być prowadzone wyłącznie na zwłokach, a badania funkcji przeprowadzano na zwierzętach, zakładając, że w mózgu człowieka zachodzą podobne procesy. Badanie budowy mózgu żywego człowieka było niemożliwe mimo rozwoju technik rentgenowskich. Promieniowanie rentgenowskie, na tyle twarde, że mogło się przedostać przez kości czaszki, przeszywało mózg nie dając wyraźnego zobrazowania jego miękkich struktur, zaś promieniowanie miękkie, które mogło pokazać szczegóły budowy mózgu, nie potrafiło wniknąć do czaszki.

Zdjęcie ilustracyjne

Tomografia komputerowa i obrazowanie magnetyczne

Dopiero wynalazek CT (tomografii komputerowej), czyli takiej (elektronicznej!) obróbki wyników rentgenowskiej penetracji głowy, żeby można było zobaczyć wszystkie jej wewnętrzne struktury jak na przekroju anatomicznym – pozwolił widzieć osobno twarde kości czaszki i osobno delikatne struktury jej wnętrza. Jeszcze lepsze wyniki w badaniach mózgu dało zastosowanie obrazowania magnetycznego (NMR, MRI), w którym jądra atomów wchodzących w skład struktur białej i szarej substancji mózgu zamieniają się w miniaturowe nadajniki radiowe, a ich fale, odpowiednio rejestrowane i interpretowane przez systemy elektroniczne, pozwalają bardzo subtelnie różnicować tkanki o różnych właściwościach, ujawniając nowotwory, krwiaki, cysty i inne chorobowe zmiany wewnątrz mózgu.

Zdjęcie ilustracyjne

Elektronika pozwala nie tylko zobaczyć jak mózg jest zbudowany, ale także ujawnia to, jak ów mózg działa. Badania PET, wykorzystujące krótkożyciowe izotopy promieniotwórcze, pozwalają zobaczyć, które części mózgu są aktywne przy wykonywaniu różnych zadań – podczas relaksu albo przy wzmożonym wysiłku umysłowym, przy oglądaniu obrazów, słuchaniu muzyki, planowaniu i wykonywaniu ruchów, a nawet wtedy, gdy człowiek jest zakłopotany, przestraszony, zmartwiony lub … zakochany. Przed tą techniką nic się nie ukryje!

Wykorzystanie impulsów elektrycznych mózgu

Jeszcze bardziej frapujące możliwości daje współczesna elektronika przy bezpośrednim odbiorze i wykorzystywaniu sygnałów elektrycznych powstających podczas pracy mózgu i jego poszczególnych elementów składowych. Jak wiadomo, sygnały odbierane przez nasze zmysły, przetwarzane i analizowane przez mózg i wysyłane do podporządkowanych mózgowi narządów (zwłaszcza do mięśni, dzięki którym poruszamy się i mówimy) – mają naturę elektryczną. Są to impulsy elektryczne, z których każdy trwa zaledwie jedną tysięczną sekundy i ma wartość jednej dziesiątej wolta. Są ich miliony, a wyrafinowana melodia (wszystko co ważne, kodowane jest częstotliwością tych impulsów) i skomplikowany przestrzenny taniec (impulsy są wytwarzane, przesyłane, odbierane i odsyłane z powrotem w wielu strukturach mózgu równocześnie) stanowi istotę naszego odczuwania, poznawania, pamiętania i myślenia. Te sygnały do niedawna można było badać głównie u zwierząt, bo rejestrowanie impulsów wymagało wkłuwania w głąb mózgu elektrod, a tego nie wolno robić u ludzi, ze względu na uszkadzający charakter takiego badania. Dzięki wiedzy uzyskanej w wyniku badań na zwierzętach można jednak obecnie budować elektroniczne aparaty, które potrafią te sygnały odbierać bezinwazyjnie, czyli w sposób możliwy do zastosowania także u ludzi, jak również mogą takie sygnały wytwarzać sztucznie i do ludzkiego mózgu celowo wprowadzać.

Co można dzięki temu osiągnąć?

Bez mała wszystko. Z jednej strony może to służyć medycynie, bowiem dzięki rejestracji i analizie tych sygnałów (lub ich odległego echa, rejestrowanego na powierzchni czaszki jako tak zwany sygnał EEG) współczesny neurolog nie ma trudności z oceną działania całego mózgu i jego poszczególnych składników, jak również potrafi sobie poradzić z odnalezieniem w strukturach mózgu źródeł różnych patologii (na przykład epilepsji). Odbierając sygnały z nerwów prowadzących rozkazy mózgu do mięśni możemy je wykorzystać do sterowania protez kończyn, wózków inwalidzkich, manipulatorów obsługujących osoby sparaliżowane itp. W tych systemach pomysł sterowania myślą urządzeń technicznych znajduje już teraz praktyczne zastosowanie.

Ilustracja przedstawiająca anatomię mózgu ludzkiego i neurologię

Wiedząc, jakie sygnały kodują w mózgu różne informacje, możemy na przykład zastępować utracone narządy zmysłów urządzeniami elektronicznymi, które swoje sygnały wysyłają wprost do odpowiednich struktur nerwowych. Przykładem systemów tego typu są masowo już wszczepiane implanty ślimakowe, które zastępują narząd słuchu osobom całkowicie głuchym. W systemach tych mikrofon sprzężony z odpowiednim elektronicznym procesorem rejestruje dźwięki, a efekt swej pracy przesyła prosto do mózgu głuchej osoby zastępując utracony lub od urodzenia nieobecny słuch tak dobrze, że osoby zaopatrzone w taki system mogą swobodnie rozmawiać z innymi ludźmi, co do niedawana było całkowicie niemożliwe. Pracuje się nad podobnym urządzeniem, które przywróci wzrok niewidomym, a połączenie możliwości odbierania i wysyłania sygnałów elektronicznych zamiast oryginalnych sygnałów nerwowych pozwoli uwolnić od skutków kalectwa osoby sparaliżowane, pozbawione czucia w poszczególnych częściach ciała lub okaleczone na przykład w wyniku wypadków drogowych.

Granica pomiędzy mózgiem i maszyną zaciera się. Coraz skuteczniej możemy współczesną elektroniką zastępować chore, niesprawne, uszkodzone lub utracone części ciała – obecnie także części systemu nerwowego.

Do czego to doprowadzi?

Jedni z niepokojem mówią o wizji cyborga – istoty po części ludzkiej, ale po części stworzonej z elementów technicznych. Ja jednak wolę myśleć i mówić o tych tysiącach osób niepełnosprawnych lub okaleczonych, którym ta nowa technika może przywrócić możliwość działania i radość życia. To jest nasz cel i nagroda za naszą pracę. I dlatego mówię: Naprawdę, warto to robić!