Från tanke till handling

Om tankestyrning av datorer

Innehåll: Bakgrund: kroppens elektriska signaler Fördelarna med att låta tanken styra Lite mer om hjärnvågor EEG-baserade metoder >P300-metoden >My-rytm-metoden Inplantat Litteraturlista

Tills nyligen var tankestyrning science-fiction. Idag Är det science-fact. I morgon kan det vara en del av vår vardag, men vägen dit går genom outforskad terräng. I denna artikel får du veta var tekniken står idag, vad den kan användas till, och var den kan stå i morgon.

Under de senaste 50 åren har datorernas kapacitet ökat enormt. De har blivit tusentals gånger snabbare, fått större hårddiskar, bättre skärmar, och möjlighet att återge ljud. När det gäller vårt sätt att ge datorn kommandon, har dock, i grunden, ganska lite förändrats sedan 50-talets hålkortsgränssnitt. Det är lång väg från tanke, till resultat på skärmen. Eftersom det är i våra tankar som önskemålen uppstår, borde den effektivaste vägen att ge datorn kommandon, vara att låta den läsa våra tankar.

Bakgrund: kroppens elektriska signaler

Att människans nervsystem använder elektriska signaler har varit känt i 150 år. Redan år 1849 upptäckte den tyske psykologen Emil Heinrich Du Bois-Reymond, att små elektriska spänningar uppstod när han spände musklerna i armen. Du Bois-Reymond använde ett enkelt, men mycket känsligt instrument, för att mäta spänningar, en s.k. galvanometer. Galvanometern anslöt han till huden med pappersbitar, som för att minska det elektriska motståndet, var indränkta i saltlösning. Det är nervsystemets elektriska natur som ligger till grund för nästan all form av styrning av elektronik med kroppssignaler. Vare sig man mäter signaler från musklerna, från hjärnan (EEG), hjärtat (EKG), eller från ögonen (EOG), så är det svaga elektriska spänningar man mäter. Av dessa fyra är det främst EEG-signalen, eller “hjärnvågorna”, och ögats EOG-signal som är intressanta, när det gäller att styra datorer och andra maskiner. Själva mätningen av signalerna utgör idag inte något större problem, trots att de är mycket svaga. Det är istället tolkningen av främst EEG-signalen, som idag är den stora utmaningen.

Fördelarna med att låta tanken styra För den vanlige datoranvändaren finns främst två fördelar med tankestyrning:

Den omedelbara fördelen är att tankestyrning erbjuder ett smidigare, och mer “intuitivt” gränssnitt. Många av de företag som idag utvecklar och säljer produkter för datorkontroll med kroppssignaler, har lagt stor viktpå spel- och underhållningsprogram. Det är i applikationer som dessa, där det som skall kontrolleras kan variera kontinuerligt, som “smidigheten” kan upplevas redan idag. Det kan till exempel röra sig om flygsimulatorer, eller musikprogram, där musiken skapas utifrån, eller manipuleras med, användarens hjärnvågor.

En mer långsiktig fördel med tankestyrning är den helt obefintliga risken för förslitningsskador, av typen “musarm”, och liknande. Musarm skulle helt kunna undvikas om man kunde kontrollera musen med blicken, eller via hjärnvågorna. Sådan kontroll kan idag relativt lätt åstadkommas. Den teknik som idag finns för att ersätta tangentbordet, med styrning med kroppssignaler, lämpar sig inte för praktiskt bruk. Arbetssituationen vid datorn skulle dock förbättras, även om man ersatte enbart musen med tanke- eller ögonstyrd markör.

För totalförlamade eller fysiskt handikappade personer är nyttan med ett gränssnitt, som inte kräver någon muskelrörelse ganska uppenbar. Redan idag använder förlamade människor, som tidigare knappast alls kunde kommunicera med sin omvärld, tankekontroll för att skriva meddelanden på en dator. I dessa fall har man alltså ersatt tangentbordet med tankestyrning. Den skrivhastighet man kan komma upp i ligger på ett par tecken per minut. Inte mycket att skryta med, men för dessa personer är det ett stort framsteg.

Om tekniken för att analysera EEG, EOG, och andra kroppssignaler blir tillräckligt bra, skulle den kunna användas i mer riskfyllda och allvarliga sammanhang. Man skulle t.ex. kunna styra fordon enbart med tanken. En teknik som redan idag är väldigt tillförlitlig är den där man avgör en persons blickriktning med EOG-signalen. Denna teknik anses så säker att man på Stanforduniversitetet, i USA har utvecklat en metod att styra de fiberoptiska kameror, som används vid vissa operationer, enbart med läkarens blickriktning. Fördelen med detta är att läkaren har händerna fria till att utföra själva ingreppet.

Det amerikanska företaget IBVA Technologies, föreslår att deras produkt, som mäter EEG-signaler, kan användas som säkerhetssystem i fordon. Om föraren har på sig ett “pannband” kan systemet ur EEG-signalen avgöra om föraren är sömnig, sjuk, eller påverkad av alkohol eller droger.

Lite mer om hjärnvågor

En av de vanligaste kroppssignalerna man använder vid styrning av datorer, är hjärnvågorna (EEG-signalen). De elektriska signaler som mäts, med EEG (elektroencefalografi) uppstår i hjärnbarken, d.v.s. i den del av hjärnan, som ligger direkt under skallbenet. Hjärnvågorna genereras troligen av en speciell typ av nervceller i hjärnbarken. Dessa nervceller fungerar som dipoler, och deras polaritet beror på vilka signaler som når dem från nervsystemet. Eftersom EEG-elektroderna placeras utanpå skallbenet, kan resultatet sägas vara summan av ett mycket stort antal nervcellers spänningar. Allteftersom de nervsignaler som når nervcellerna varierar, skiftar även de enskilda nervcellernas polaritet, och således varierar den uppmätta EEG-signalen.

Forskare har i årtionden försökt att hitta samband mellan en persons EEG-signal och personens sinnestillstånd. Eftersom EEG-signalen utgörs av summan av tusentals enskilda nervcellers potentialer, är den ett ganska trubbigt instrument. Det är svårt att ur EEG-signalen få fram information om en enskild funktion i hjärnan. Man kan inte läsa en persons tankar i EEG-signalen. Någonting man däremot lätt kan avgöra, bara genom att titta på EEG-grafen är hur “vaken” personen är. Hjärnvågorna kategoriseras efter deras frekvens, och i vissa fall kurvans form. De vanligast förekommande typerna finns i illustrationen i spalten till höger. I de stora rutorna anges hur hjärnvågornas amplitud varierar med tiden. Samtliga hjärnvågor har en maximal amplitud på under 10 mikrovolt. I de små rutorna anges de olika frekvenskomponenternas relativa styrka. Observera den logaritmiska skalan! (från 0,1 till 100 Hz).

EEG-baserade metoder

Vid all användning av hjärnvågor för kontroll av datorer eller andra maskiner är mätutrustningen i stort sett densamma. Det som skiljer de olika metoderna åt, är istället på vilka förändringar i EEG-signalen de reagerar. Illustrationen till höger visar de olika komponenterna i ett system som heter “Biomuse”, men principen är densamma för alla EEG-baserade system.

P300-metoden

P300 är en komponent i EEG-signalen som uppträder under 300 ms efter det att en person har fått ett ovanligt sinnesintryck, som han eller hon har väntat på. Sinnesintrycket kan t.ex. vara att en bokstav som man tänker på dyker upp på skärmen. Ett experiment som utfördes av Farwell och Donchin på University of Illinois 1988 gick till så här:

1. En kvadrat bestående av 6 x 6 rutor, med en bokstav eller annat skrivtecken i varje ruta, ritades upp på skärmen framför försökspersonen. Försökspersonen hade elektroder fästa på huvudet för mätning av EEG-signalen.

2. Försökspersonen instruerades att tänka på en viss bokstav, samtidigt som han tittade på skärmen.

3. I slumpmässig ordning markerades alla kolumner och rader i kvadraten en gång. Markeringen skedde genom att deras ljusintensitet för ett ögonblick ökades.

4. P300-komponenten, som var den del av EEG-signalen man var intresserad av, är mycket svag. Man var därför tvungen att upprepa steg 3 upp till 30 gånger. Detta medan försökspersonen fortfarande tänkte på samma bokstav. Därefter beräknades P300-signalens medelvärde för varje rad och varje kolumn.

Som väntat visade det sig att P300-komponenten i EEG-signalen var som starkast när antingen den rad, eller den kolumn som “rätt” bokstav befann sig i, markerades. (Med “rätt” bokstav avses den som försökspersonen hade instru-erats att tänka på.) Utifrån detta kunde datorn alltså räkna ut vilken bokstav försökspersonen tänkt på.

Nackdelen med denna metod är att den tar lång tid. För att vara säker på vilken bokstav användaren tänker på måste försöket upprepas många gånger. Denna tidsåtgång kan minskas, om man i framtiden hittar bättre metoder att urskilja P300-komponenten ur EEG-signalen. Ett annat sätt att öka skrivhastigheten, utan att behöva förbättra tekniken, är ersätta bokstäverna med vanliga ord, så snart den första bokstaven har valts. Om den först valda bokstaven t.ex. är ett A, så dyker det i nästa steg upp 36 st. vanliga ord som börjar på A, i bokstävernas ställe. På detta sätt kan de ca 1000 vanligaste orden skrivas lika fort som om de innehöll bara två bokstäver. Det resultat man uppnådde i försöket 1988, var att ett tecken bland 36 kan väljas med 95 % säkerhet på 26 sekunder.

My-rytm-metoden

My-rytmen är en del av EEG-signalen, med frekvens runt 9 Hz, som uppträder när man mentalt förbereder en rörelse.

My-rytm-metoden går ut på att kontrollera en dator, genom att med viljan variera styrkan på sin my-rytm. Det kan exempelvis gå till så att my-rytm-signaler under 4 mikrovolt förflyttar en markör nedåt på skärmen, medan signaler större än 4 mikrovolt flyttar markören uppåt. I ett experiment med denna metod år 1991, uppnådde 4 av 5 försökspersoner en imponerande grad av kontroll över sin my-rytm, efter 12 st. träningspass på 45 minuter vardera.

Med avancerade analysmetoder har man vid Ludwig Boltzmann Institutet, i Graz i Österrike, lyckats avgöra vilken av tre givna rörelser, som försökspersonerna mentalt förberedde, utan att sedan utföra dem. De tre rörelserna var: att vifta med höger eller vänster pekfinger, eller att flexa med höger fot.

Inplantat

De traditionella metoderna för styrning med kroppssignaler går ut på att kroppens elektriska aktivitet mäts med elektroder som placeras på huden. Nyligen (runt årsskiftet 1998/1999) har dock ett delvis lyckat försök, med små guldelektroder, som opererats in i hjärnan på två försökspersoner, genomförts. Försöket leddes av neurokirurgen Roy Bakay, vid Emory University i Atlanta, USA. En av försökspersonerna lärde sig att flytta en musmarkör på en skärm, enbart genom att tänka. På grund av de stora riskerna med kirurgiska ingrepp i hjärnan, och att många förmodligen skulle uppleva ett sådant inplantat, som obehagligt, är det tveksamt om metoden kommer att nå någon framgång…