現代のコンピューターの能力が人間の脳の理解とともに成長するにつれて、私たちはかなり壮大なSF の現実化にますます近づいています。それは利便性の問題ではありません。重度障害者にとって、ブレイン コンピューター インターフェイス(BCI) の開発は、ここ数十年で最も重要な技術的進歩となる可能性があります。
誰かの脳に信号を直接送信して、特定の感覚入力を見て、聞いたり、感じたりできるようにすることを想像してください。考えるだけでコンピュータや機械を操作できる可能性について考えてみましょう。この記事では、BCI がどのように機能するか、その限界、そして将来どこへ向かう可能性があるかについてすべて学びます。
電気の頭脳
ブレイン コンピューター インターフェイス システムが機能する理由は、私たちの脳の機能にあります。私たちの脳はニューロンで満たされており、個々の神経細胞は樹状突起と軸索によって互いに接続されています。私たちが何かを考えたり、動いたり、感じたり、思い出したりするたびに、私たちのニューロンが活動します。その仕事は、ニューロンからニューロンへと時速 250 マイルの速さで飛び交う小さな電気信号によって実行されます 。信号は、各ニューロンの膜上のイオンによって運ばれる電位差によって生成されます。
信号が通る経路はミエリンと呼ばれるものによって絶縁されていますが、電気信号の一部は逃げてしまいます。科学者はこの神経活動を検出し、その意味を解釈し、それを使用してコンピュータやモバイルデバイスなどの外部デバイスに指示を与えることができます。逆の場合もあります。たとえば、研究者は、誰かが赤色を見たときに視神経によってどのような信号が脳に送られるかを解明できるかもしれません。彼らは、カメラが赤を認識するたびにその正確な信号を誰かの脳に送信するカメラを装備し、目の見えない人が目なしで「見える」ようにすることができます。
BCI の入力と出力
今日、ブレイン コンピューター インターフェイスの研究者が直面している最大の課題の 1 つは、インターフェイス自体の基本的な仕組みです。最も簡単で侵襲性の低い方法は、頭皮に取り付けられた一連の電極(脳波計(EEG)として知られる装置)です。電極は脳信号を読み取ることができます。しかし、頭蓋骨は多くの電気信号を遮断し、通過する信号を歪めてしまいます。
高解像度の信号を取得するために、科学者は電極を脳組織自体に直接埋め込むか、頭蓋骨の下の脳の表面に埋め込むことができます。これにより、電気信号をより直接的に受信できるようになり、適切な信号が生成される脳の特定の領域に電極を配置できるようになります。ただし、このアプローチには多くの問題があります。電極を埋め込むには侵襲的な手術が必要であり、脳内に長期間放置されたデバイスは灰白質に瘢痕組織の形成を引き起こす傾向があります。この瘢痕組織は最終的に信号をブロックします。
電極の位置に関係なく、基本的なメカニズムは同じです。電極はニューロン間の電圧の微小な差を測定します。その後、信号は増幅され、フィルタリングされます。現在の BCI システムでは、信号はコンピュータープログラムによって解釈されます。ただし、古いアナログ脳計には馴染みがあるかもしれません。ペンを介して信号が表示され、連続した紙にパターンが自動的に書き込まれます。
感覚入力 BCI の場合、機能は逆に起こります。コンピュータは、ビデオ カメラからの信号などを、ニューロンをトリガーするために必要な電圧に変換します。信号は脳の適切な領域にあるインプラントに送信され、すべてが正しく機能するとニューロンが発火し、被験者はカメラが見たものに対応する視覚画像を受け取ります。
脳の活動を測定するもう 1 つの方法は、磁気共鳴画像 (MRI) を使用することです。 MRI 装置は巨大で複雑な装置です。脳活動の非常に高解像度の画像が生成されますが、永続的または半永続的な BCI の一部として使用することはできません。研究者はこれを使用して、特定の脳機能のベンチマークを取得したり、特定の機能を測定するために脳のどこに電極を配置する必要があるかをマッピングしたりします。たとえば、研究者がロボット アームなどの外部デバイスを自分の思考で制御できるようにする電極を埋め込もうとしている場合、まず被験者を MRI に入れて、実際の腕を動かすことについて考えてもらうかもしれません。 MRI は、腕の動き中に脳のどの領域が活動しているかを示し、電極を配置するための明確なターゲットを与えます。
では、BCI の実際の用途は何でしょうか?可能性を知るために読んでください。
長年にわたり、成人の脳は静止した臓器とみなされてきました。成長し、学習していく子どものとき、脳は自らを形成し、新しい経験に適応しますが、最終的には不変の状態に落ち着く、というのが一般的な理論です。
1990 年代初めの研究により、脳は実際には高齢になっても柔軟なままであることが示されました。皮質可塑性として知られるこの概念は、脳が新しい状況に驚くべき方法で適応できることを意味します。何か新しいことを学んだり、新しい活動に参加したりすると、ニューロン間の新しい接続が形成され、加齢に伴う神経学的問題の発症が軽減されます。大人が脳に損傷を負った場合、脳の他の部分が損傷部分の機能を引き継ぐことができます。
これが BCI にとってなぜ重要ですか?これは、大人がBCIを使って操作することを学び、脳が新しい接続を形成し、ニューロンのこの新しい使用法に適応できることを意味します。インプラントが使用される状況では、脳がこの一見異物の侵入に適応し、インプラントを自然な脳の一部として扱う新しい接続を開発できることを意味します。
BCI アプリケーション
BCI 研究の最も興味深い分野の 1 つは、思考によって制御できるデバイスの開発です。このテクノロジーの応用の中には、思考によってビデオ ゲームを制御する機能など、軽薄に見えるものもあります。リモコンが便利だと思う人は、頭の中でチャンネルを変えることを想像してみてください。
しかし、もっと大きな問題があります。重度障害者が自立して活動できるようにするデバイスです。脊髄損傷に苦しむ人々にとって、精神的なコマンドによるコンピューターのカーソルの制御と同じくらい基本的なことは、生活の質の革命的な改善を意味するでしょう。しかし、これらの小さな電圧測定値をロボット アームの動きに変換するにはどうすればよいでしょうか?
初期の研究では、電極が埋め込まれたサルが使用されました。サルはジョイスティックを使ってロボットアームを制御した。科学者たちは電極から来る信号を測定しました。最終的に、彼らはロボットアームがジョイスティックではなく電極から来る信号によってのみ制御されるように制御を変更しました。
さらに難しい課題は、自分の腕を物理的に動かすことができない人の動きに関する脳信号を解釈することです。このようなタスクでは、被験者はデバイスを使用できるように「訓練」する必要があります。 EEGまたはインプラントが設置されている場合、被験者は右手を閉じることを視覚化します。何度も試行した後、ソフトウェアは手を閉じるという考えに関連する信号を学習することができます。ロボット ハンドに接続されたソフトウェアは、「ハンドを閉じる」信号を受信し、ロボット ハンドが閉じる必要があることを意味するものとして解釈するようにプログラムされています。その時点で、被験者が手を閉じようと考えると、信号が送信され、ロボットハンドが閉じます。
同様の方法がコンピューターのカーソルの操作にも使用され、被験者はカーソルの前後の動きを考えます。十分な練習を積めば、ユーザーはカーソルを十分に制御して円を描いたり、コンピューター プログラムにアクセスしたり、テレビを制御したりできるようになります 。理論的には、ユーザーが自分の考えを「入力」できるように拡張できる可能性があります。
思考をコンピュータ化またはロボットの動作に変換する基本メカニズムが完成すると、このテクノロジーの潜在的な用途はほぼ無限になります。障害のあるユーザーは、ロボットハンドの代わりにロボットの装具を自分の手足に取り付けて、移動して環境と直接対話できるようにすることができます。これは、デバイスの「ロボット」部分がなくても実現できます。信号は手の適切な運動制御神経に送信され、脊髄の損傷部分を迂回し、被験者自身の手の実際の動きを可能にする可能性があります。
次のページでは、人工内耳と義眼の開発について学びます。
感覚入力
BCI を使用する最も一般的かつ最も古い方法は、人工内耳です。平均的な人にとって、音波は耳に入り、いくつかの小さな器官を通過し、最終的に振動を電気信号の形で聴覚神経に伝えます。耳の仕組みがひどく損傷すると、何も聞こえなくなります。ただし、聴覚神経は完全に機能している可能性があります。ただ信号を受信していないだけです。
人工内耳は、耳の機能していない部分をバイパスし、音波を電気信号に処理し、電極を介して聴神経に直接伝えます。その結果、以前は耳が聞こえなかった人も聞こえるようになりました。完全に聞こえるわけではないかもしれませんが、会話を理解することは可能です。
脳による視覚情報の処理は音声情報の処理よりもはるかに複雑であるため、人工目の開発はそれほど進んでいません。それでも原理は同じです。電極は、網膜からの視覚情報を処理する脳の領域である視覚野またはその近くに埋め込まれます。小型カメラを搭載した眼鏡がコンピュータに接続され、さらにインプラントにも接続されます。遠隔思考制御運動に使用されるのと同様の訓練期間の後、被験者は視覚を獲得できるようになります。
繰り返しますが、このビジョンは完璧ではありませんが、1970 年代に初めて試みられて以来、テクノロジーの改良により大幅に改善されました。イェンス・ナウマンは第 2 世代インプラントの移植者でした。彼は全盲でしたが、今ではニューヨーク市の地下鉄を自分で移動でき、駐車場の周りで車を運転することさえできます。 SF が現実になるという点では、このプロセスは非常に近づいています。
カメラの眼鏡をナウマンの脳の電極に接続する端子は、テレビ番組「スタートレック:次世代」で盲目の技術士官ジョーディ・ラ・フォージが着用していたバイザー(視覚機器および感覚器官)を接続するために使用された端子と類似しています。フィルムであり、どちらも本質的には同じテクノロジーです。ただし、ナウマンは電磁スペクトルの目に見えない部分を「見る」ことはできません。
思考制御?
もし私たちが感覚信号を誰かの脳に送信できるとしたら、思考制御は心配する必要がないということになるでしょうか?おそらくそうではありません。比較的単純な感覚信号を送信することは十分に困難です。誰かに特定の行動を無意識にさせるために必要な信号は、現在のテクノロジーをはるかに超えています。さらに、以前は思考制御者があなたを誘拐し、大規模な外科手術で電極を埋め込む必要がありましたが、これはおそらくあなたも気づくでしょう。
もし私たちが感覚信号を誰かの脳に送信できるとしたら、思考制御は心配する必要がないということになるでしょうか?おそらくそうではありません。比較的単純な感覚信号を送信することは十分に困難です。誰かに特定の行動を無意識にさせるために必要な信号は、現在のテクノロジーをはるかに超えています。さらに、以前は思考制御者があなたを誘拐し、大規模な外科手術で電極を埋め込む必要がありましたが、これはおそらくあなたも気づくでしょう。
BCIの欠点と革新者
BCI の背後にある基本原則はすでに理解していますが、完全に機能するわけではありません。これにはいくつかの理由があります。
- 脳は信じられないほど複雑です。すべての思考や行動は脳内の単純な電気信号の結果であると言うのは、まったくの控えめな表現です。人間の脳には約 1,000 億個のニューロンがあります 。各ニューロンは、複雑な接続網を通じて常に信号を送受信しています。脳波検査では検出できない化学プロセスも関係しています。
- 信号が弱く、干渉を受けやすいです。 EEG は微小な電位を測定します。被験者のまばたきのような単純なものでも、より強力な信号を生成することができます。脳波計やインプラントの改良により、将来的にはこの問題はある程度克服されるでしょうが、現時点では、脳信号を読み取ることは、電話の接続不良を聞くようなものです。静電気がたくさんあります。
- 機器は持ち運び可能なものではありません。以前よりもはるかに優れています。初期のシステムは巨大なメインフレームコンピューターに配線されていました。しかし、一部の BCI では依然として機器への有線接続が必要であり、無線の BCI では、被験者は重量約 10 ポンドのコンピューターを持ち運ぶ必要があります。すべてのテクノロジーと同様に、これも将来的には確実に軽量化され、よりワイヤレスになるでしょう。
BCIイノベーターズ
ブレイン・コンピューター・インターフェース (BCI) の分野は近年大幅な進歩を遂げており、いくつかの企業が主要プレーヤーとして台頭しています。多くのイノベーションはまだ研究開発段階にありますが、商用アプリケーションに向けて顕著な進歩が見られます。
- イーロン・マスクによって設立されたニューラリンクは、BCI 分野で最も著名な企業の 1 つになりました。 Neuralink は、神経障害を治療し、人間とコンピューターの高度なインタラクションを可能にするという長期的な目標に向けて、脳と外部デバイス間の通信を強化するように設計された埋め込み型デバイスを開発しています。彼らの最近の進歩には、重度の障害を持つ人々の運動能力やコミュニケーション能力を回復させる可能性を秘めた人体実験の成功も含まれている。
- Synchron ももう 1 つの主要企業であり、血管を介して移植できる低侵襲性の BCI に取り組んでいます。この技術は、麻痺のある人が思考のみを使用してデジタルデバイスを制御できるようにすることを目的としており、従来の脳インプラントに代わる侵襲性の低い代替手段を提供します。
- CTRL-Labs (現在は Meta の一部) などの他の企業は、ウェアラブル デバイスを使用して神経信号をデジタル コマンドに変換することに焦点を当て、非侵襲的な BCI を研究しています。これらのイノベーションは、BCI をよりアクセスしやすく、日常的に使用できるようにする上での大きな進歩を表しています。
ブレイン コンピューター インターフェイスについて詳しくは、次のページのリンクをご覧ください。
つながりを保つための新しい方法
ブレイン コンピューター インターフェイス (BCI) の進歩により、かつては SF の世界だったものが具体的な現実に変わりつつあります。これらのテクノロジーは、重度の障害を持つ人々の生活を改善するだけでなく、人間とコンピューターのインタラクションを再定義する可能性を秘めています。
Neuralink、Synchron、CTRL-Labs などの企業が可能性の限界を押し広げる中、私たちはマインドコントロールデバイスを可能にし、失われた感覚を取り戻し、さらには世界と対話する新しい方法を提供する可能性がある革命の初期段階を目の当たりにしています。 。克服すべき大きな課題はまだありますが、今日の進歩は、BCI テクノロジーが私たちの日常生活に不可欠な部分となる可能性がある未来に向けた強力な基盤を築きます。
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