Sterowanie komputerem bez klawiatury, myszy, głosu, a nawet bez wszczepiania elektrod do mózgu jeszcze niedawno wyglądało jak scenariusz science fiction. DARPA chce sprawdzić, czy można zbliżyć się do takiej możliwości dzięki światłu. Nowy program Firefox ma rozwijać nieinwazyjny interfejs mózg-komputer wykorzystujący koherentne wiązki optyczne do wykrywania niezwykle małych ruchów błon komórkowych neuronów powstających podczas ich aktywności. Pomysł jest ambitny: uzyskać znacznie większą precyzję niż w klasycznych metodach nieinwazyjnych, nie przechodząc jednocześnie do chirurgicznego wszczepiania elektrod. DARPA zakłada rozwój technologii wielokanałowej, zdolnej obserwować wiele obszarów mózgu jednocześnie i przetwarzać ogromne strumienie danych w czasie zbliżonym do rzeczywistego. Na razie nie jest to jednak urządzenie, które można założyć na głowę i zacząć sterować kursorem. Firefox ma być 36-miesięcznym programem badawczym rozwijającym podstawowe technologie potrzebne do stworzenia takich interfejsów.
Jak DARPA chce odczytywać aktywność neuronów za pomocą światła bez operacji mózgu?
Podstawą programu Firefox jest założenie, że aktywność neuronu pozostawia nie tylko sygnał elektryczny, ale również niezwykle subtelny ślad fizyczny. Kiedy neuron generuje potencjał czynnościowy, zmieniają się właściwości jego błony komórkowej i dochodzi do mikroskopijnych przemieszczeń. DARPA chce wykorzystać odpowiednio dobrane koherentne światło, aby rejestrować te minimalne ruchy bez konieczności umieszczania elektrody bezpośrednio obok komórki. Wiązka światła ma przenikać przez tkanki, a system optyczny analizować bardzo niewielkie zmiany powracającego sygnału. W założeniu umożliwiłoby to obserwowanie aktywności neuronowej znacznie bardziej bezpośrednio niż w przypadku technik, które mierzą dopiero wtórne konsekwencje pracy mózgu, takie jak zmiany przepływu lub natlenowania krwi. DARPA informuje, że wcześniejsze prace doprowadziły już do powstania nieinwazyjnego koherentnego systemu optycznego zdolnego rejestrować sygnały neuronowe na głębokości kory mózgowej u ludzi. Firefox ma zwiększyć jego skalę.
Najtrudniejszym problemem jest jednak to, że światło przechodzące przez skórę, czaszkę i tkankę mózgową wielokrotnie się rozprasza. Do detektora nie wraca prosty obraz przypominający fotografię neuronów, lecz niezwykle złożona mieszanina sygnałów. System musi więc wiedzieć, jak wydobyć z niej informacje odpowiadające rzeczywistej aktywności komórek. W dokumentach związanych z Firefox pojawia się źródło światła o długości fali około 1310 nm oraz wykorzystanie technik koherentnych, które pozwalają analizować bardzo drobne różnice w fazie i propagacji światła. DARPA chce opracować rozwiązania umożliwiające dynamiczne kierowanie wiązki do wielu punktów oraz równoczesne analizowanie informacji z wielu kanałów. To zasadnicza różnica względem prostego „świecenia laserem przez czaszkę”. Cały problem polega na precyzyjnym skierowaniu światła, odzyskaniu słabego sygnału i odróżnieniu aktywności neuronów od ogromnej ilości zakłóceń.
Dlaczego obecne interfejsy mózg-komputer często wymagają wszczepienia elektrod?
Jeśli badacze chcą rejestrować aktywność pojedynczych neuronów z bardzo dużą dokładnością czasową, najprostszym sposobem jest umieszczenie czujnika możliwie blisko źródła sygnału. Dlatego najbardziej precyzyjne współczesne interfejsy mózg-komputer wykorzystują elektrody wprowadzane chirurgicznie do mózgu albo umieszczane bezpośrednio na jego powierzchni. Takie rozwiązania pozwalają przechwytywać słabe impulsy elektryczne bez konieczności przedzierania się przez czaszkę i inne tkanki. Dzięki nim możliwe są eksperymentalne systemy pozwalające osobom z ciężkim paraliżem przesuwać kursor, wybierać litery, sterować protezą czy odtwarzać elementy planowanej mowy. Cena za dużą jakość sygnału jest jednak wysoka - potrzebna jest operacja, a wprowadzony materiał pozostaje w kontakcie z żywą tkanką.
Implanty tworzą dodatkowe problemy długoterminowe. Organizm może reagować na ciało obce, wokół elektrody mogą zachodzić zmiany biologiczne, a jakość niektórych sygnałów może z czasem spadać. Dochodzą do tego ryzyka typowe dla zabiegu chirurgicznego oraz trudności związane z wymianą lub modernizacją urządzenia. Z drugiej strony klasyczne metody nieinwazyjne, takie jak EEG, są znacznie bezpieczniejsze, ale sygnał docierający do elektrod na skórze głowy jest rozmyty przez tkanki i czaszkę. DARPA od lat próbuje znaleźć rozwiązanie pomiędzy tymi dwoma skrajnościami. W zakończonym już programie N3 agencja rozwijała niesurgiczne interfejsy korzystające z różnych form energii, w tym światła, fal akustycznych i pól elektromagnetycznych. Firefox koncentruje się teraz na jednym szczególnie ambitnym kierunku optycznym.
Czy Firefox pozwoli sterować komputerem wyłącznie za pomocą myśli?
Teoretycznie właśnie do takich zastosowań prowadzą badania nad interfejsami mózg-komputer, ale Firefox znajduje się znacznie wcześniej na drodze technologicznej. Pierwszym problemem nie jest obecnie stworzenie efektownego interfejsu do systemu Windows czy sterowanie kursorem, lecz wystarczająco dokładne zarejestrowanie aktywności mózgu bez operacji. Dopiero później z sygnału trzeba wydobyć wzorce odpowiadające określonym zamiarom użytkownika. Jeżeli człowiek chce przesunąć dłoń albo kursor w prawo, określone populacje neuronów zmieniają swoją aktywność. Algorytm BCI musi nauczyć się tej zależności i przełożyć ją na instrukcję zrozumiałą dla komputera. Samo odczytanie neuronów nie oznacza więc automatycznie „czytania myśli”. Potrzebne jest jeszcze dekodowanie konkretnych wzorców związanych z wykonywanym zadaniem.
Jeśli jednak technologia optyczna osiągnęłaby odpowiednią rozdzielczość przestrzenną i czasową, zastosowania mogłyby być znacznie szersze niż klasyczne EEG. Interfejs mógłby potencjalnie wykrywać intencję ruchu, wybór jednej z kilku komend albo inne wzorce aktywności neuronalnej i przekazywać je urządzeniu elektronicznemu. DARPA od dawna wskazuje możliwość sterowania systemami komputerowymi jako jeden z kierunków rozwoju niesurgicznych BCI. W poprzednim programie N3 rozważano między innymi współpracę człowieka z systemami komputerowymi, kontrolę bezzałogowych platform czy wykonywanie złożonych zadań wymagających równoległego przetwarzania informacji. Nie oznacza to jednak, że Firefox będzie gotowym produktem do takich zastosowań. Program ma przede wszystkim stworzyć warstwę sensoryczną o parametrach wystarczających do budowy bardziej zaawansowanych BCI w przyszłości.
Jak dokładny ma być nieinwazyjny interfejs mózg-komputer DARPA Firefox?
Ambicje programu są bardzo wysokie. Dokumentacja programu wskazuje cel stworzenia systemu wykorzystującego około 100 kanałów pomiarowych, z rozdzielczością przestrzenną sięgającą około 50 mikrometrów i czasową około 100 mikrosekund. Takie wartości pokazują skalę różnicy pomiędzy Firefox a typową nieinwazyjną metodą obrazowania mózgu. Rozdzielczość rzędu dziesiątek mikrometrów zbliża pomiar do wymiarów pojedynczych komórek i ich niewielkich grup, natomiast rozdzielczość mikrosekundowa pozwala śledzić bardzo szybkie procesy. Osiągnięcie takich parametrów przez czaszkę byłoby ogromnym krokiem naprzód, dlatego trzeba wyraźnie odróżnić parametry docelowe programu od możliwości gotowego urządzenia istniejącego dziś. DARPA formułuje je jako cel badawczy dla technologii, która ma dopiero powstać w ramach trzech planowanych etapów projektu.
Największym wyzwaniem będzie przejście od pojedynczego kanału do dużej liczby punktów obserwowanych równocześnie. Mózg nie działa jak prosty kabel, w którym jeden neuron odpowiada jednej komendzie. Zachowania, ruch, mowa i percepcja wynikają z aktywności całych populacji komórek. Użyteczny BCI musi więc obserwować odpowiednio wiele miejsc jednocześnie, zachowując dokładność każdego pomiaru. DARPA chce opracować dynamiczne skanery optyczne, które będą kierowały światło do wielu wybranych obszarów mózgu. Jeśli system musi przeskakiwać pomiędzy nimi bardzo szybko i dla każdego punktu generować bogaty sygnał optyczny, ilość danych rośnie do poziomu trudnego do obsłużenia przez klasyczną elektronikę. Właśnie dlatego Firefox nie jest wyłącznie projektem neurobiologicznym. Równie ważne jak samo światło są fotonika, sterowanie wiązką i nowe metody obliczeniowe.
Dlaczego DARPA chce przetwarzać dane z mózgu analogowo zamiast zwykłym komputerem?
System obserwujący wiele niewielkich obszarów mózgu z bardzo dużą częstotliwością generowałby ogromną liczbę pomiarów. Klasyczny model polegałby na zamianie każdego sygnału optycznego na dane cyfrowe, przesłaniu ich do procesora i dopiero wtedy przeprowadzeniu obliczeń. DARPA wskazuje jednak, że przy planowanej skali Firefox taki sposób może stać się zbyt wolny i kosztowny energetycznie. Dlatego jednym z dwóch podstawowych obszarów programu ma być opracowanie nowych architektur przetwarzania sygnałów bezpośrednio w domenie analogowej. Część matematycznej analizy miałaby następować jeszcze przed pełną digitalizacją strumienia danych. W uproszczeniu system nie zapisywałby wszystkiego, co dociera do czujnika, aby później szukać potrzebnej informacji. Próbowałby wyodrębnić ją niemal w momencie pomiaru.
To podejście może być kluczowe dla przyszłego przenośnego interfejsu. Urządzenie znajdujące się na głowie użytkownika nie może wymagać serwerowni do przetworzenia każdej sekundy pracy mózgu ani zużywać ogromnych ilości energii. Musi wykonywać obliczenia szybko, lokalnie i przy możliwie niewielkim poborze mocy. Analogowe i fotoniczne przetwarzanie sygnałów może pozwolić wykonywać niektóre operacje bez kosztownego przenoszenia kolejnych porcji danych pomiędzy pamięcią i procesorem. To podobny problem do obserwowanego obecnie w sztucznej inteligencji: coraz częściej ograniczeniem nie jest samo wykonanie pojedynczego działania matematycznego, lecz przesuwanie olbrzymiej ilości informacji. Firefox będzie więc równocześnie eksperymentem z zupełnie nowym sposobem budowania sprzętu obliczeniowego przeznaczonego specjalnie do neurotechnologii.
Czy światło przechodzące przez czaszkę i mózg może być bezpieczne?
Bezpieczeństwo jest jednym z podstawowych warunków powodzenia technologii nieinwazyjnej. Sam fakt, że urządzenie nie wymaga nacięcia czaszki, nie oznacza automatycznie, że dowolnie silne światło można kierować w stronę mózgu. Tkanki pochłaniają część energii optycznej, co prowadzi między innymi do lokalnego ogrzewania. Przy projektowaniu takiego systemu konieczne jest więc dobranie długości fali, natężenia i czasu ekspozycji tak, aby uzyskać mierzalny sygnał bez przekraczania bezpiecznych poziomów. Właśnie dlatego DARPA opisuje wykorzystanie ukierunkowanych, bezpiecznych wiązek światła, a program ma skupiać się nie tylko na zwiększaniu czułości, lecz również na bardzo precyzyjnym kierowaniu sygnału. Im lepsze są detektory i metody analizy, tym mniej energii może być potencjalnie potrzebne do uzyskania użytecznego pomiaru.
Ostatecznego bezpieczeństwa Firefox nie można jednak oceniać tak samo jak urządzenia medycznego dostępnego na rynku, ponieważ program znajduje się na etapie badawczym. Każdy przyszły system przeznaczony do powszechnego stosowania musiałby przejść szczegółowe badania dotyczące wpływu światła na skórę, oczy, czaszkę i tkankę nerwową, a następnie spełnić wymagania regulacyjne odpowiednie do jego zastosowania. Istotne będzie również bezpieczeństwo długotrwałego użytkowania. Jednorazowy eksperyment laboratoryjny i urządzenie noszone przez kilka godzin każdego dnia stawiają zupełnie inne wymagania. Zaletą koncepcji pozostaje brak ciała obcego pozostawianego w mózgu, lecz brak operacji jest tylko jednym z elementów całego profilu ryzyka.
Czy Firefox jest następcą Neuralinka i innych implantów mózgowych?
Firefox i systemy oparte na implantach próbują rozwiązać podobny podstawowy problem - stworzyć szybki kanał wymiany informacji pomiędzy mózgiem a urządzeniem elektronicznym - ale wybierają zupełnie inne drogi. Implant może umieścić elektrody bardzo blisko neuronów, dzięki czemu od początku uzyskuje wysoką jakość sygnału. Musi jednak pokonać bariery chirurgiczne, biologiczne i regulacyjne. Firefox próbuje dokonać niemal odwrotnego kompromisu: pozostawić cały sprzęt poza mózgiem, a następnie wykorzystać bardzo zaawansowaną optykę i przetwarzanie sygnału do odzyskania informacji mimo obecności skóry, kości i tkanki pomiędzy neuronem a czujnikiem. Jeżeli podejście zadziała, wejście do świata BCI nie musiałoby automatycznie oznaczać neurochirurgii.
Nie oznacza to jednak, że jedna technologia musi całkowicie wyprzeć drugą. Implanty mogą przez długi czas oferować wyższą jakość w zastosowaniach wymagających maksymalnej dokładności, szczególnie w medycynie, gdzie potencjalna korzyść może uzasadniać zabieg. Nieinwazyjne rozwiązania mogą natomiast otworzyć zupełnie inną klasę zastosowań, w których operacja byłaby nieproporcjonalnym ryzykiem - rehabilitację, diagnostykę, badania mózgu czy w dalszej przyszłości interakcję człowieka z elektroniką. DARPA od lat bada właśnie tę możliwość. N3 zakładało stworzenie przenośnego interfejsu niewymagającego zabiegu, a Firefox jest kolejnym podejściem skoncentrowanym na bardzo precyzyjnym pomiarze optycznym.
Kiedy komputer sterowany bez implantu mózgowego może stać się rzeczywistością?
Na obecnym etapie nie da się wiarygodnie wskazać daty, w której użytkownik będzie mógł kupić nieinwazyjny optyczny interfejs mózg-komputer i zastąpić nim klawiaturę lub mysz. We wrześniu 2026 roku Firefox jest dopiero rozwijanym programem DARPA. Agencja zaplanowała na 21 września Proposers Day dla zespołów zainteresowanych udziałem w przedsięwzięciu, a sam program ma trwać około 36 miesięcy. Jego powodzenie będzie oznaczało przede wszystkim demonstrację kluczowych technologii - wielokanałowego skanowania, odpowiedniej rozdzielczości oraz przetwarzania ogromnego strumienia danych. Dopiero później potrzebne byłyby dalsze prace nad miniaturyzacją, algorytmami dekodowania sygnału, ergonomią i zastosowaniami klinicznymi lub użytkowymi.
Jeżeli jednak Firefox osiągnie zakładane parametry, zmiana może być znacznie ważniejsza niż stworzenie nowego sposobu przesuwania kursora. Jedną z największych barier współczesnych BCI jest bowiem właśnie konieczność wyboru między bezpiecznym, lecz mało precyzyjnym pomiarem a bardzo dokładnym interfejsem wymagającym operacji. Optyczna technologia zdolna obserwować aktywność niewielkich obszarów mózgu szybko i bez wszczepiania czegokolwiek mogłaby stworzyć trzecią drogę. Początkowo prawdopodobnie skorzystałyby z niej laboratoria i medycyna, a dopiero znacznie później urządzenia konsumenckie. Firefox nie jest więc zapowiedzią komputera sterowanego myślami, który pojawi się za kilka miesięcy. Jest próbą usunięcia jednej z najtrudniejszych przeszkód, które trzeba pokonać, aby taki komputer kiedykolwiek stał się praktycznym urządzeniem.
