Počítačově-mozkové implantáty jsou obřím příslibem

Před sedmi lety jel Michel Roccati na motorce. Nedaleko Turína mu pod kola vběhlo zvíře. Motorkář sice rychle strhl řízení, aby se mu vyhnul, ale naboural do lavičky u silnice. Prudký náraz „mi roztrhal kosti v zádech“, říká. Výsledek? V důsledku srážky měl pohmožděnou míchu a přerušenou komunikaci mezi mozkem a svými dolními končetinami…

„Lékaři mi tehdy říkali, že už nikdy nebudu schopen vstát, natož chodit,“ říká dvaatřicetiletý Roccati, načež aktivuje soubor elektrod, které mu neurochirurgové v Lausanne během průkopnické operace před čtyřmi lety implantovali podél míchy. Na vteřinu nebo dvě se mu jemně rozechvěje tělo, ale pak se Michel zvedne ze židle a sebejistě přejde místnost, jakkoli si u toho musí pomáhat chodítkem, aby udržel rovnováhu. „Každým dnem se mi chůze zlepšuje, svaly sílí a nervy postupně regenerují,“ dodává mladý muž, který opět dokáže chodit. Roccati se řadí do čím dál početnější skupiny lidí, kteří těží z radikálně nové neurotechnologie vyvíjené v univerzitních a firemních laboratořích Evropy i Severní Ameriky. Lékaři díky ní využívají počítačové implantáty k interakci přímo s lidským mozkem a centrální nervovou soustavou (CNS). Tato rozhraní propojující mozek a počítač (anglicky brain-computer interfaces, BCI) dokážou překonávat překážky v nervovém systému bránící lidem s těžkým postižením následkem nehody či nemoci v pohybu. A těm, kdo nemohou mluvit nebo ovládat klávesnici, umožňují zase komunikovat.

Podle Michaela Magera, výkonného ředitele amerického výrobce takových rozhraní, společnosti Precision Neuroscience, by během pár let mohl trh s BCI dosáhnout objemu několika miliard dolarů ročně a pomáhat při léčbě pacientů s těžkým motorickým postižením. Z dlouhodobého hlediska je však potenciální přínos rozhraní mnohem větší: „Vytváříme spojnici mezi lidskou a umělou inteligencí… Je sice možné, že toto spojení najde využití jenom v případě ochrnutí, ale myslím si, že je to velmi nepravděpodobné,“ předvídá budoucí dění Mager.

Muskova „telepatická“ vize

Nejznámější společností zabývající se tematikou BCI je Neuralink. Roku 2016 ji založil Elon Musk s cílem vyvinout technologii široce využitelnou při propojení lidského mozku a strojů. Miliardář už totiž dlouho mluví o tom, že pomocí takových propojení by se v podstatě spojila lidská inteligence s tou umělou. Musk například tvrdí, že výrazné zvýšení rychlosti, s jakou mozek dokáže vstřebávat a sdělovat informace, by mohlo překonat jednu z hlavních bariér ve schopnosti lidí držet tempo s pokrokem v oblasti strojové inteligence.

Mnozí odborníci však předpokládají, že než dojde na Muskem vysněnou budoucnost kyborgů, bude tato technologie sloužit k praktičtějším účelům – k překonávání fyzických omezení a ke zvýšení individuální výkonnosti, například zostřením zrakových a sluchových schopností nebo posílením paměti. „Ještě tak daleko nejsme, ale podle mě není těžké si představit, že si tuto technologii časem osvojí i lidé, kteří jsou jinak zdraví,“ míní Mager, který projekt Precision založil v roce 2021 společně s Benjaminem Rapoportem, jenž stál u zrodu Neuralinku.

Technické překážky jsou však ještě příliš veliké. Postup sběru, exportu a interpretace signálů z mozku je „stále v plenkách“ a kvůli invazivní operaci mozku navíc tento postup není vhodný pro všechny pacienty s výjimkou těžce postižených. Technologie též vyvolává závažné etické otázky. „Medicínská stránka už je regulátory a stávajícími právními úpravami dostatečně ošetřena,“ říká Rafael Yuste, ředitel Neurotechnologického centra Kolumbijské univerzity v New Yorku. „Ale tato technologie se bude rozšiřovat i mimo medicínu,“ dodává s tím, že právě to vyvolává otázky – například jak daleko budou moci lidé zajít ve snaze zlepšit paměť a další duševní schopnosti.

Používání mozkových signálů k aktivaci počítačů a dalších strojů donedávna znělo jako holá science fiction, ovšem dnes už se stává téměř „rutinní“ záležitostí se všemi dlouhodobými důsledky, jež takový boom přináší. „Lidstvo se nachází ve zlomovém okamžiku. Poprvé máme v rukou technologii, která může změnit samou naši podstatu. Umíme totiž proniknout do mozku, kde se utvářejí všechny naše duševní a kognitivní schopnosti,“ upozorňuje Rafael Yuste.

V prvním sledu jde léčba

Elektrody sloužící k léčbě Parkinsonovy choroby a dalších pohybových poruch implantují neurochirurgové do lidského mozku již desítky let a s jejich pomocí zklidňují nepravidelnou elektrickou aktivitu, která je zodpovědná za některé příznaky onemocnění. K dnešnímu dni tuto „hlubokou mozkovou stimulaci“ podstoupilo už více než 160 tisíc pacientů. „Nová vlna neuroimplantátů je však mnohem sofistikovanější a umožňuje obousměrnou komunikaci mezi mozkem a stroji,“ říká neurochirurgyně Jocelyne Blochová z univerzitní nemocnice v Lausanne, která operovala Roccatiho i dalšího paraplegického pacienta, Gerta-Jana Oskama, jenž má v mozku a páteři dva implantáty komunikující bezdrátově prostřednictvím „digitálního mostu“.

Potenciální poptávka po těchto implantátech je obrovská. Těžce ochrnutí lidé mohou díky této nové technologii znovu komunikovat či se pohybovat, ale navíc by tak lékaři mohli řešit nespočet dalších případů – od ztráty zraku a sluchu až po zlepšení chronické bolesti či léčbu psychiatrických onemocnění. Budou totiž mít přesný a podrobný obraz o tom, co se uvnitř mozku děje.

Zatím bylo lidem implantováno jen pár zdravotních BCI, protože průkopnické akademické a firemní laboratoře jen pomalu prokazují jejich bezpečnost a účinnost. „Postupujeme opatrně, s jedním pacientem za druhým,“ říká Henri Lorach, který rovněž v Lausanne vede klinické testy s doktorkou Blochovou. Ačkoli vnější BCI umístěné na kůži nebo na pokožce hlavy mohou nervovou aktivitu do jisté míry detekovat a modulovat, ten „jediný způsob, jak ji citlivě a dlouhodobě zaznamenávat, dává (až) zařízení umístěné chirurgicky pod lebeční kostí“, upozorňuje Leigh Hochberg, ředitel Centra pro neurotechnologii v Massachusetts General Hospital a šéf tamního dlouhodobého výzkumného programu v oblasti BCI s názvem BrainGate. Hochberg odhaduje, že od zahájení klinického výzkumu přibližně před dvaceti lety dostala dlouhodobý počítačový implantát do mozku pouze padesátka pacientů na celém světě. Pro urychlení klinického vývoje proto letos spolu s kolegy ze Spojených států založil skupinu Implantable BCI Collaborative Community, jejímž klíčovým členem je Úřad pro kontrolu potravin a léčiv (Food and Drug Administration, FDA). „Od každého účastníka pilotních klinických studií se dozvíme kvanta informací, a tak si myslím, že nebudeme potřebovat vysoký počet účastníků studií k prokázání bezpečnosti a účinnosti před podáním žádosti o schválení regulačními orgány. Možná budou stačit desítky pacientů, ale rozhodně ne tisíce, které se účastní zkoušek nových léků,“ líčí Hochberg.

Průkopníci? Švýcarsko, Amerika

V odvětví implantátů BCI má významné zastoupení i Evropa, zvláště pak Švýcarsko. Při tamním École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), jež je také předním akademickým centrem pro neurotechnologický výzkum na starém kontinentu, byly založeny společnosti Onward Medical a Neurosoft Bioelectronics. V katalánské Barceloně zase působí společnost InBrain Neuroelectronics, která vyvíjí implantáty z grafénu – z plátu uhlíku o tloušťce pouhého jednoho atomu, který byl po svém objevu v roce 2004 označen za takřka „zázračný“ materiál (a přinesl brzy Nobelovku).

Odborníci na obou stranách Atlantiku se však shodují, že americké společnosti zabývající se BCI mají oproti svým evropským protějškům určitou výhodu. „V USA je totiž snazší financovat a budovat dlouhodobě fungující firmu,“ říká americký lídr v oblasti zdravotnických technologií Dave Marver, jenž nastoupil jako výkonný ředitel do zmíněné společnosti Onward v Lausanne: „V Americe máte více manažerských talentů s většími zkušenostmi v komercializací na globální úrovni, je tam k dispozici více finančních prostředků – a je tam také jiný regulatorní režim.“ Navíc je úřad FDA na schvalování zkoušek BCI lépe připraven než jeho evropské protějšky, říká Marver. Když v roce 2020 přišel do společnosti Onward, „neměli jsme kvůli nákladům a komplikacím žádná klinická pracoviště ani plány na komercializaci v Evropě“. Tuto praxi rychle změnil: „Řekl jsem, že tady máme ochrnuté pacienty, sídlíme tady, tak tady také budeme komercializovat!“

Ze šestice amerických společností, jež testují BCI implantáty, „je Elon Musk jednoznačně naším největším konkurentem“, říká Grégoire Courtine, expert, který vede neurotechnologický výzkum na federálním institutu EPFL. Podle něj se však společnost Onward, která od svého založení v roce 2014 získala něco přes 170 milionů eur (4,2 miliardy korun), může směle rovnat Muskově Neuralinku, jenž podle dat PitchBooku navýšil 687 milionů dolarů (15,7 miliardy korun).

Neprůhledný premiant pana Muska

Neuralink je mediálně nejviditelnější neurotechnologickou společností – a také tou nejméně transparentní. Komunikuje prostřednictvím příležitostných tweetů a příspěvků na blogu. Po mnoha testech na zvířatech obdržel letos v lednu v arizonském Barrow Neurological Institute implantát nazvaný Link první člověk: třicetiletý paraplegik Noland Arbaugh, jenž na videích a v online blozích zveřejněných společností Neuralink nadšeně vypráví o tom, jak mu Link umožňuje ovládat počítačový kurzor. „Mám díky tomu možnost dělat zase věci sám, aniž bych v kteroukoli denní či noční hodinu potřeboval pomoc rodiny,“ prohlašuje například.

Během prvních týdnů po operaci se mu uvolnilo hned několik z 64 ohebných vláken, která byla implantována do Arbaughova mozku, a specialisté Neuralinku museli zařízení přeprogramovat tak, aby citlivěji reagovalo na nervovou aktivitu. Společnost v současné době vybírá druhého dobrovolníka, jenž obdrží vylepšenou verzi Linku s elektrodami, již lépe upevněnými v mozku – a pravděpodobně dojde k implantování již během června. Konkurenční neurotechnologické společnosti mají velmi rozmanité typy elektrod implantované do mozku.

Vědci mají nejvíce zkušeností se systémem zvaným Utah, jejž představuje pevná sestava 96 elektrod a kterou již dvacet let používá akademické konsorcium BrainGate. V rámci své nejnovější studie s lidskými účastníky, publikované loni v srpnu v časopise Nature, umístilo dvě sestavy o velikosti malého prášku s celkem 128 elektrodami do mozkové kůry 68leté pacientky Pat Bennettové s amyotrofickou laterální sklerózou, která ztratila schopnost mluvit.

Algoritmus umělé inteligence nyní dekóduje její nervovou aktivitu a učí se rozeznávat vzorce spojené s formulováním jednotlivých fonémů – tedy stavebních kamenů mluvené řeči. Jazykový model pak převádí proud fonémů na sekvenci slov, která lze s přiměřenou přesností zobrazit na obrazovce počítače nebo i namluvit syntetickým hlasem rychlostí přibližně šedesáti slov za minutu! „Představte si tu změnu každodenních činností, jako jsou nakupování, návštěvy, objednávání jídla, schůzka v bance, telefonování, vyjadřování lásky nebo uznání – dokonce i hádky –, až budou moci lidé, kteří nemluví, moci sdělovat své myšlenky v reálném čase,“ napsala Bennettová. 

Vývojáři ve frontě na úspěch

Další laboratoře vyvíjejí flexibilnější a méně invazivní formy BCI. Například firma Neurosoft Bioelectronics ze Ženevy testuje ultratenké, měkké elektrody nanesené na silikonu, které se napínají přes záhyby povrchu mozku. Její technologie byla úspěšně testována na třech pacientech.

Podobné výhody má i grafénové rozhraní již zmíněné společnosti InBrain. Je umístěno „na mozkové kůře jako kousek celofánu, aniž by do ní proniklo“, říká výkonná ředitelka Carolina Aguilarová. První pokus s lidmi se blíží a raným cílem firmy je Parkinsonova choroba, čímž by nahradila zařízení pro hlubokou stimulaci mozku s „nízkou hustotou a rozlišením“ nabízená zdravotnickými giganty Boston Scientific a Medtronic.

Některé společnosti zabývající se BCI se zaměřují i na další léčebné aplikace. Výkonný ředitel Neurosoftu, Nicolas Vachicouras, například odhaduje, že 60 milionů lidí na světě trpí závažným tinnitem (zvoněním nebo šuměním či klikáním v uších), který má za následek „těžké deprese, a dokonce pokusy o sebevraždu, přičemž dodnes není k dispozici žádná účinná léčba“, upozorňuje Vachicouras. Výzkum jeho společnosti prý naznačuje, že příčinou je abnormální aktivita ve sluchové kůře, jež vytváří iluzi rušivého hluku, což lze korigovat správnou neuromodulací.

Velikou šanci stát se první firmou, která uvede implantáty BCI na americký trh, má zase tamní společnost Synchron. Proč? Její zařízení se podobně jako stent zavádí do cévy a umísťuje se nad motorickou kůru, tedy část mozku ovládající pohyb. Zatím byla aparatura testována na deseti pacientech; brzy se očekává zveřejnění finálních výsledků, po nichž bude následovat rozsáhlejší klinická studie. Firma Synchron doufá, že pak brzy přijde na řadu schválení úřadem FDA. Ač její zařízení není tak citlivé na nervovou aktivitu jako některé konkurenční výrobky, šéf firmy Tom Oxley tvrdí, že díky unikátní technologii nevyžadující otevřenou operaci mozku lze dosáhnout rychlejšího schválení pro uvedení na trh. „Ukazatelem úspěchu bude i to, jak tato technologie dokáže lidem zlepšit schopnosti žít a fungovat samostatně,“ připomíná další klíčový faktor.

A jaká bude jednou cenovka

Žádný z implantátů zatím nemá natolik blízko k uvedení na trh, aby se jeho cena ukázala být překážkou, ale podle vedoucích pracovníků bude muset částka odrážet obrovský potenciální přínos, který technologie nabídne pacientům s těžkými neurologickými poruchami, neboť jejich zdravotní péče je velice nákladná. „Klíčem k vytvoření životaschopného trhu BCI a k zajištění přístupu pacientů k těmto systémům je úhrada pojišťovnou v míře, která odpovídá výši nákladů na vývoj i výrobu,“ tvrdí Mager z Precisionu. A říká: „Musí se jednat o šestimístnou částku (v dolarech).“ Matt Angle, výkonný ředitel společnosti Paradromics z Texasu, která vyvíjí BCI s větším počtem elektrod než standardní implantát, předpovídá, že první zařízení budou stát „až 100 tisíc dolarů“ (tedy 2,3 milionu korun), ale „rádi bychom se dostali na úroveň, kdy budou BCI řádově za tolik, kolik dnes stojí hluboké mozkové stimulátory – řekněme 30 tisíc dolarů (690 tisíc korun).“

Podle něj jen léčebné aplikace BCI vytvoří trh v objemu stovek miliard dolarů, ačkoli mnoho dalších odborníků tvrdí, že na takové odhady je ještě příliš brzy. „V této oblasti existuje potenciál pro vznik více než deseti společností, z nichž každá bude mít hodnotu vyšší než jedna miliarda dolarů (22,9 miliardy korun),“ říká Angle, a to má na mysli ještě dobu předtím, než se BCI vůbec začnou používat ke zvýšení lidské výkonnosti na poli zraku nebo paměti. Takový průlom bude sice záviset na dalším zdokonalování senzorů a mikroelektroniky potřebné k zachycení a přenosu mozkových signálů, ale hodně záleží i na širším pokroku v oblasti výpočetní techniky a umělé inteligence. To se týká využití cloud computingu a použití AI k interpretaci mozkových signálů. „Klinické studie dnes zpracovávají data lokálně,“ vysvětluje Courtine z EPFL, ale „máme v úmyslu mít všechny tyto informace o mozku někde v cloudu, abychom mohli trénovat velký jazykový model a vytvořit jakési GPT mozku. Pak se můžeme – na základě množství hodin mozkové aktivity velkého počtu lidí – něco nového i naučit.“

S takovými projekty však sílí volání strážců etiky po definování hrozeb vyplývajících ze zneužití dat shromážděných právě z BCI. Organizace UNESCO již proto svolala skupinu 24 odborníků a pověřila ji vypracováním doporučení v oblasti etiky neurotechnologií, které má svým členským státům předložit příští rok ke schválení. Gabriela Ramosová, jež stojí v čele této iniciativy, upozorňuje: „Naším cílem je zajistit, aby byl vědecký a technologický vývoj v souladu s našimi lidskými právy.“ To dle ní znamená více než jen ochranu soukromí při odhalování myšlenek lidí pomocí BCI. Budoucí implantáty mohou například mnohem výrazněji než stávající léčba změnit osobnost jedince – k lepšímu, ale i horšímu. Yuste, hlasitý zastánce „neuro-práv“ z Kolumbijské univerzity, poukazuje na to, že například Chile a americký stát Colorado již přijaly legislativu na ochranu nervových dat jednotlivců před zneužitím. Jeho hlavní obavy se ale týkají nemedicínského využití technologie, například ke zvýšení duševní výkonnosti. Jednou z cest ochrany lidí by pak byla „regulace nových BCI pro spotřebitele, jako by to byly lékařské přístroje“, nastiňuje.

Pro Michela Roccatiho a další pacienty, kteří novou neurotechnologii vyzkoušeli mezi prvními, jsou tyto obavy jen akademickou debatou ve srovnání s výhodami, jež přináší: „Můj implantát už mi život změnil. A těším se, až budu moci využít budoucí pokroky v neurotechnologii. Stejně tak tisíce dalších lidí, kteří nemohou komunikovat nebo hýbat končetinami, ale jednou to dokážou.“ 

Clive Cookson, Richard Waters, FT