考えるだけで操作できる脳モニタリングデバイス「Cognixion One」、重度障がい者の円滑な意思疎通をアシスト

今回は「考えるだけで操作できる脳モニタリングデバイス「Cognixion One」、重度障がい者の円滑な意思疎通をアシスト」についてご紹介します。

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本記事は、TechCrunch様で掲載されている内容を参考にしておりますので、より詳しく内容を知りたい方は、ページ下の元記事リンクより参照ください。

重い運動障がいを持つ人たちは多くのフラストレーションを抱えているが、最も深刻な悩みの種はコミュニケーション障がいだろう。テック業界は、閉じ込め症候群、ALS、重度の脳卒中などの症状を抱えた患者たちにあまり多くの支援を提供してこなかった。スタートアップ企業Cognixionは、新しい形態の脳モニタリングと最新のインターフェイスを組み合わせて、会話とやり取りをより簡単かつ高速に行えるようにすることを目指している。

同社のCognixion Oneヘッドセットは、装着者の脳の活動をつぶさにモニタリングすることによって、装着者がカーソルをいろいろな方向に移動させることや（カーソルは、ヘッドアップ表示装置のようなバイザーに表示される）、さまざまなメニューとオプションから選択することを可能にするデバイスだ。実際に身体の一部を動かす必要はない。また、Alexaなどの最新の音声インターフェイスのおかげで、ユーザーは効率的にコミュニケーションできるだけでなく、大半の人が当たり前と考えているあらゆる情報とコンテンツに自由にアクセスできる。

しかし、このデバイスは、奇跡のマシンでもなければ、難題を簡単に解決する特効薬でもない。Cognixion Oneはどのようにして生まれたのか、その経緯をたどってみた。

運動障がいを持つ人にはさまざまなニーズがあり、できることも人によって異なる。そうしたニーズの多くに応えるさまざまな補助テクノロジーがあるが、それらのテクノロジーとインターフェイスの多くは、数年あるいは数十年前に開発された、スマートフォンと高速モバイル接続の時代にはそぐわない時代遅れの医療機器だ。

最も時代遅れのインターフェイスのいくつかは、残念ながら、最も重度の障がい持つ人々が使うものだ。彼らが動かせる部分は、頭、顔、目に限定される。有名な「The Diving Bell and the Butterfly（潜水服は蝶の夢を見る）」の作者Jean-Dominique Baub（ジャン=ドミニク・ボビー）氏のように片方のまぶたしか動かせない人もいる。

ツールボックスに含まれているツールの1つは脳波図（EEG）だ。頭蓋骨に貼り付けられたパッチで脳の活動を検出し、電気信号を記録するものである。医療と研究にはいろいろと有用なEEGだが、作動時の音がうるさくて不正確だという難点がある。どちらかというと脳の活動領域を検出するためのもので、感覚皮質の小領域などを検出するものではない。もちろん（大抵は伝導ジェルでべたべたの）電極がつながれたシャワーキャップをかぶる必要がある。これをかぶり続けることができるのはせいぜい1時間が限度で、毎日、1日中装着するなどとても無理だ。

一方、重い身体障がいを持っていても認知能力は損なわれていない人も多い。このことはEEGを使った研究ですでに実証されている。そこで、Cognixionの共同創業者でCEOのAndreas Forsland（アンドレアス・フォースランド）氏は、この古参テクノロジーの今後の可能性について興味を持ち「EEGを使った脳コンピューター間インターフェイスはコミュニケーションシステムを作ることはできないだろうか」と考えるようになった。

同氏は5年ほど前に、研究調査を補助する目的で初めてEEGを使った。その研究では、画面上のカーソルを人が制御するための代替方法を探していた。その1つが頭の動きを検出する加速度計で、同氏はEEGの測定値を別の信号として統合しようと試みたのだ。しかし、ブレイクスルーには遠く及ばなかった。

EEGキャップをレシーバーとノートパソコンに接続して使っている最近のラボ。これがEEGの通常の使い方だ（画像クレジット：BSIP/Universal Images Group via Getty Images）

同氏は次のような問題点を挙げる。「読み取り専用システムといっしょにEEGを使う現在のやり方では駄目です。他のヘッドセットはサンプルレートが低く、リアルタイムインターフェイスとしては正確性に欠けます。最高のBCI（脳コンピューターインターフェイス）は研究室で使うウェット電極に接続されたものですが、取り扱いが面倒で、役に立ちません。乾いた不活性電極でEEGを再現するにはどうすればよいのか、という極めて難しい工学的問題を解決する必要があります」。

フォースランド氏と同氏の同僚は、問題はEEG自体ではなく、EEGの実行方法にあるのだという点に気づいた。この種の脳モニタリング装置は、診断や研究目的に設計されたもので、リアルタイムのフィードバックを取得できるように設計されていない。これでは、ドラッグレースにトラクターで出場するようなものだ。大抵の場合、EEGは脳の複数の領域を低速で詳細にチェックするため、1回のチェックが数秒間続くこともある。その上、生成された信号の分析には時代遅れの統計的手法が使われている。Cognixionは、この2つの側面を見直すところからスタートした。

スキャン速度を上げるのは、センサーなどをオーバークロックするよりも困難だ。脳の活動を推測するには、一定量のデータを収集する必要がある。だが、そのデータは受動的にしか収集されない。そこで、フォースランド氏は、能動的な要素を持ち込もうと考えた。それが、リズミカルな電気刺激である。脳の領域はこのような刺激に反応するのだが、その反応の仕方は脳の状態によって若干異なる。エコーロケーション（反響定位）のようなものだ。

Cognixion Oneヘッドセットに組み込まれているドライ電極。これでEEGを計測する（画像クレジット：Cognixion）

同氏のグループは、視覚野領域（後頭部の周り）に調整可能な6つのEEGチャンネルをセットしてこれらの信号を検出し、受信されるデータを、機械学習モデルを使って解釈する。畳み込みニューラルネットワークをiPhone上でローカルに実行することにより（こんなことは数年前は不可能だった）、システムは信号を迅速に引き出すだけでなく、正確に予測することもできるため、より高速でズムーズなやり取り（コミュニケーション）が可能となる。

その結果、携帯電話から給電したワイヤレスヘッドセットで、待ち時間1秒未満、95～100％の正確性が実現した。「速度、正確性、信頼性、いずれをとっても商用化できる段階に到達しています。現行のEEG機器としては最高の部類に入ると思います」とフォースランド氏はいう。

臨床神経外科医で、EEGおよびその他の脳コンピューター監視テクノロジーを数十年にわたり使用研究してきたWilliam Goldie（ウィリアム・ゴールディー）博士は、Cognixionのテクノロジーを肯定的に評価する（同博士はCognixionのヘッドセットの開発とテストに自主的に協力してきた）。

「脳波の活動が思考パターンに対して予測可能な形で反応することについては確実な証拠があります」と同氏はいう。このタイプの刺激と反応については、数年前に研究が行われた。「大変興味深い研究でしたが、当時はまだ、言ってみれば不思議な魔法の世界の話でした。今、最新の専門技術とコンピューター化によってこの研究が再び注目を集めています。個人的には、医療現場で多大な効果を発揮する可能性がある分野だと思います」。

フォースランド氏は開口一番「我々はUI企業です」と述べた。同氏が後述するように、神経インターフェイスは確かに大きな進歩を遂げてきたが、重度の運動障がいを持つ人たちが迅速かつ簡単に自分の意志を表現できるようにするという目の前の問題に適用できなければほとんど意味がない。

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残念ながら、息を吹き込むチューブとスイッチを四苦八苦しながら使って、右、もう少し右、上、もう少し上という具合にカーソルを動かしてクリックし、やっと1文字入力するといった類の「まるで戦っているかのうような器具」を改良すること想像に難くない。この点で凝視検出は大きな進歩だが、いつも使えるとは限らない（人の目は必ずしも思い通りに動いてはくれない）し、最高の視線追跡ソリューション（Tobii［トビー・テクノロジー］のDynavoxタブレットなど）は携帯できない。

こうしたインターフェイスを、他の機器と同じようにモダンでスムーズに使えるインターフェイスにできないものだろうか。フォースランド氏のチームは、こうした問題点と次世代のEEGの機能を念頭においてUIの設計に着手した。

画像クレジット：Cognixion

彼らのソリューションは、古いパラダイムから若干借用して、それらを最新のバーチャルアシスタントと組み合わせたもので、すばやいレスポンスと一般的なニーズを優先させた放射状のデザインを採用している。システムはすべてiPhone上のアプリとして実行され、iPhoneのディスプレイがバイザー（ヘッドアップディスプレイおよび外向きディスプレイとして機能する）に映し出される。

何かについてふと考えただけでインターフェイスが作動するわけではないが、少なくとも一瞬集中するか首をかしげるだけで「はい」「いいえ」「ありがとう」などの日常的な質問や応答は簡単にできる。また、事前に作成済みの言葉（名前やメニューの順序など）を入れるスロットも用意されている。さらには、キーボードは単語および文章単位での予測が可能で、よく使う単語はいちいちスペルアウトしなくても自動的に挿入される。

「スイッチに頼っていた人たちにこのシステムをテストしてもらいました。2つの選択をするのに30分かかっていたような人たちです。脳性まひの女性にヘッドセットを取り付けると、彼女はわずか2分で自分の名前を入力し再生ボタンを押しました。本当にあっけないくらいで、みんな感激のあまり泣いていました」とフォースランド氏は語る。

ゴールディー氏はいくらか学習が必要だと指摘する。「自分でヘッドセットを付けてみて気づいたことがあります。このシステムは、確かにパターンを認識して実行してくれますが、一方で、こちらにパターンを教えてくることもあります。つまり、システムをトレーニングすると同時に、システムからもトレーニングされるというフィードバックループが形成されます」。

このシステムのメリットを痛感している人がいる。身体障がい者を擁護する活動をしているDJ兼講演者のChris Benedict（クリス・ベネディクト）氏だ。ベネディクト氏自身脳性まひを患っているため、身体の動きは制限され、自由に話すこともできない。それでも彼は、さまざまな仕事で（デジタル）レコードを回すことをやめない。またヘッドセットを付けた経験をメールで説明し続けている（上の動画で彼がヘッドセットを付けてデモしているところを見ることができる）。

画像クレジット：Cognixion

「このヘッドセットをいつも付ける必要があるとは思わないけれど、コミュニケーション支援ツールとしては本当に便利です」と彼はいう。「特にすぐに答える必要があるときや、DJをやっているとよくありますが、さわがしい場所にいるときには重宝します。Bluetoothスピーカー付きのヘッドセットを付けていると、その場で声が一番大きい人になることがあります」（彼はいつもスピーカーを持ち歩いている。「いつ音楽が必要になるかわからないから」というのがその理由だ）。

このヘッドセットによってもたらされる利点は、既存の支援テクノロジーに欠けているもの（および多くの人が当たり前と思っていること）がわかるようになることだ。

「コミュニケーションに使うことはもちろんですが、バイザーのおかげで話している相手と視線を合わせることができるんです。自分と相手の間にある画面を凝視する必要がない。これで本当に相手とのつながりを感じることができます」と彼は説明してくれた。

「ヘッドセットですから、さまざまな場所の出入りについて心配する必要もありません。椅子にかさばる装置が付いているわけでもないので、ドアを出入りするときに壊してしまう心配もない。重量のバランスも考えられていて、頭が前後に傾いたり、重さで首が曲がったりすることもありません」と彼は続ける。「最初のセットアップ時にはキャリブレーションを行う必要があります。システムが私の可動域を計測して、キーボードや画面のさまざまな選択項目を私に合わせて設定してくれます。これは重要です。可動域は毎日同じではないですから」。

Alexaは、手頃な価格と広範な互換デバイスのため、さまざまな障がいを抱える人たちには本当に便利なシステムだ。AlexaはCognixionのインターフェイスの一部にもなっている。ベネディクト氏はこの点を評価しており、スマートホームやその他の目的に合わせて自分でシステムをカスタマイズしている。「他のシステムでは、こうしたカスタマイズはできません。オプション機能として用意されていたとしも、本当に複雑です」と彼はいう。

ベネディクト氏のデモを見ればわかるように、Cognixionのようなデバイスが大きな意味を持つ人たちがいる。こうしたデバイスが、必然的に多様になる支援テクノロジーエコシステムの一部として受け入れられるよう願ってやまない。

フォースランド氏によると、Cognixionは、ユーザー、ゴールディー氏のような医療アドバイザー、その他の専門家（言語療法士など）のコミュニティと密接に連携して、Oneヘッドセットをできる限り良い製品にしようとしている。しかし、問題は、このクラスの多くのデバイスと同様、価格と物流の両面で、どのようにして実際にユーザーの手に届けるかだ。

Cognixionは、ヘッドセットの代価を保険の対象にするようにFDAの認可を求めている（ちなみに、このヘッドセットは画面とプロセッサが組み込まれているデバイスとしてはそれほど高価ではない）。しかし、しばらくの間は、神経学と心理学の研究を行っている病院や企業のラボ（つまり、従来の面倒なEEGセットアップが使われている場所）と連携して作業を進めていくつもりだという。

Cognixionはこれまでも資金を調達しているが、追加資金の調達を目指している（ハードウェアの開発と医療目的の研究には膨大な資金が必要だ）。また、多くの助成金の交付も受けている。

Cognixion Oneヘッドセットが広く利用されるようになるまでにはまだ数年かかるかもしれないが（FDAが認可を急ぐことは決してない）、そのおかげでデバイスを改良し、新しい機能を追加する時間的猶予が得られることにもなる。例えば、スイッチやジョイスティックなどの他の多くの支援デバイスと違って、このデバイスの制約は大部分がソフトウェアに関するものだ。つまり、アルゴリズムとUIが進化すれば、デバイスは大幅に改善されることになる。多くの人が、Neuralink（ニューラリンク）などの企業によって今の時代に合った近代的な脳コンピューターインターフェイスが開発されるのを待ちわびている状態だが、Cognixionは、脳コンピューターインターフェイスから得られるものが普通よりはるかに多い特定のグループの人たち向けに、そうしたインターフェイスをすでに実現したことになる。

同社のウェブサイトに登録すると、Cognixion Oneヘッドセットに関する最新の情報を入手できる。

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画像クレジット：Cognixion

【原文】

Of the many frustrations of having a severe motor impairment, the difficulty of communicating must surely be among the worst. The tech world has not offered much succor to those affected by things like locked-in syndrome, ALS and severe strokes, but startup Cognixion aims to with a novel form of brain monitoring that, combined with a modern interface, could make speaking and interaction far simpler and faster.

The company’s Cognixion One headset tracks brain activity closely in such a way that the wearer can direct a cursor — reflected on a visor like a heads-up display — in multiple directions, or select from various menus and options. No physical movement is needed, and with the help of modern voice interfaces like Alexa, the user can not only communicate efficiently but freely access all kinds of information and content most people take for granted.

But it’s not a miracle machine, and it isn’t a silver bullet. Here’s how it got started.

Overhauling decades-old brain tech

Everyone with a motor impairment has different needs and capabilities, and there are a variety of assistive technologies that cater to many of these needs. But many of these techs and interfaces are years or decades old — medical equipment that hasn’t been updated for an era of smartphones and high-speed mobile connections.

Some of the most dated interfaces, unfortunately, are those used by people with the most serious limitations: those whose movements are limited to their heads, faces, eyes — or even a single eyelid, like Jean-Dominique Bauby, the famous author of “The Diving Bell and the Butterfly.”

One of the tools in the toolbox is the electroencephalogram, or EEG, which involves detecting activity in the brain via patches on the scalp that record electrical signals. But while they’re useful in medicine and research in many ways, EEGs are noisy and imprecise — more for finding which areas of the brain are active than, say, which sub-region of the sensory cortex or the like. And of course you have to wear a shower cap wired with electrodes (often greasy with conductive gel) — it’s not the kind of thing anyone wants to do for more than an hour, let alone all day every day.

Yet even among those with the most profound physical disabilities, cognition is often unimpaired — as indeed EEG studies have helped demonstrate. It made Andreas Forsland, co-founder and CEO of Cognixion, curious about further possibilities for the venerable technology: “Could a brain-computer interface using EEG be a viable communication system?”

He first used EEG for assistive purposes in a research study some five years ago. They were looking into alternative methods of letting a person control an on-screen cursor, among them an accelerometer for detecting head movements, and tried integrating EEG readings as another signal. But it was far from a breakthrough.

A modern lab with an EEG cap wired to a receiver and laptop — this is an example of how EEG is commonly used. Image Credits: BSIP/Universal Images Group via Getty Images

He ran down the difficulties: “With a read-only system, the way EEG is used today is no good; other headsets have slow sample rates and they’re not accurate enough for a real-time interface. The best BCIs are in a lab, connected to wet electrodes — it’s messy, it’s really a non-starter. So how do we replicate that with dry, passive electrodes? We’re trying to solve some very hard engineering problems here.”

The limitations, Forsland and his colleagues found, were not so much with the EEG itself as with the way it was carried out. This type of brain monitoring is meant for diagnosis and study, not real-time feedback. It would be like taking a tractor to a drag race. Not only do EEGs often work with a slow, thorough check of multiple regions of the brain that may last several seconds, but the signal it produces is analyzed by dated statistical methods. So Cognixion started by questioning both practices.

Improving the speed of the scan is more complicated than overclocking the sensors or something. Activity in the brain must be inferred by collecting a certain amount of data. But that data is collected passively, so Forsland tried bringing an active element into it: a rhythmic electric stimulation that is in a way reflected by the brain region, but changed slightly depending on its state — almost like echolocation.

The Cognixion One headset with its dry EEG terminals visible. Image Credits: Cognixion

They detect these signals with a custom set of six EEG channels in the visual cortex area (up and around the back of your head), and use a machine learning model to interpret the incoming data. Running a convolutional neural network locally on an iPhone — something that wasn’t really possible a couple years ago — the system can not only tease out a signal in short order but make accurate predictions, making for faster and smoother interactions.

The result is sub-second latency with 95-100% accuracy in a wireless headset powered by a mobile phone. “The speed, accuracy and reliability are getting to commercial levels — we can match the best in class of the current paradigm of EEGs,” said Forsland.

Dr. William Goldie, a clinical neurologist who has used and studied EEGs and other brain monitoring techniques for decades (and who has been voluntarily helping Cognixion develop and test the headset), offered a positive evaluation of the technology.

“There’s absolutely evidence that brainwave activity responds to thinking patterns in predictable ways,” he noted. This type of stimulation and response was studied years ago. “It was fascinating, but back then it was sort of in the mystery magic world. Now it’s resurfacing with these special techniques and the computerization we have these days. To me it’s an area that’s opening up in a manner that I think clinically could be dramatically effective.”

BCI, meet UI

The first thing Forsland told me was “We’re a UI company.” And indeed even such a step forward in neural interfaces as he later described means little if it can’t be applied to the problem at hand: helping people with severe motor impairment to express themselves quickly and easily.

Sad to say, it’s not hard to imagine improving on the “competition,” things like puff-and-blow tubes and switches that let users laboriously move a cursor right, right a little more, up, up a little more, then click: a letter! Gaze detection is of course a big improvement over this, but it’s not always an option (eyes don’t always work as well as one would like) and the best eye-tracking solutions (like a Tobii Dynavox tablet) aren’t portable.

Why shouldn’t these interfaces be as modern and fluid as any other? The team set about making a UI with this and the capabilities of their next-generation EEG in mind.

Image Credits: Cognixion

Their solution takes bits from the old paradigm and combines them with modern virtual assistants and a radial design that prioritizes quick responses and common needs. It all runs in an app on an iPhone, the display of which is reflected in a visor, acting as a HUD and outward-facing display.

In easy reach of, not to say a single thought but at least a moment’s concentration or a tilt of the head, are everyday questions and responses — yes, no, thank you, etc. Then there are slots to put prepared speech into — names, menu orders and so on. And then there’s a keyboard with word- and sentence-level prediction that allows common words to be popped in without spelling them out.

“We’ve tested the system with people who rely on switches, who might take 30 minutes to make 2 selections. We put the headset on a person with cerebral palsy, and she typed our her name and hit play in 2 minutes,” Forsland said. “It was ridiculous, everyone was crying.”

Goldie noted that there’s something of a learning curve. “When I put it on, I found that it would recognize patterns and follow through on them, but it also sort of taught patterns to me. You’re training the system, and it’s training you — it’s a feedback loop.”

“I can be the loudest person in the room”

One person who has found it extremely useful is Chris Benedict, a DJ, public speaker and disability advocate who himself has Dyskinetic Cerebral Palsy. It limits his movements and ability to speak, but doesn’t stop him from spinning (digital) records at various engagements, however, or from explaining his experience with the headset over email. (And you can see him demonstrating it in person in the video above.)

Image Credits: Cognixion

“Even though it’s not a tool that I’d need all the time it’s definitely helpful in aiding my communication,” he told me. “Especially when I need to respond quickly or am somewhere that is noisy, which happens often when you are a DJ. If I wear it with a Bluetooth speaker I can be the loudest person in the room.” (He always has a speaker on hand, since “you never know when you might need some music.”)

The benefits offered by the headset give some idea of what is lacking from existing assistive technology (and what many people take for granted).

“I can use it to communicate, but at the same time I can make eye contact with the person I’m talking to, because of the visor. I don’t have to stare at a screen between me and someone else. This really helps me connect with people,” Benedict explained.

“Because it’s a headset I don’t have to worry about getting in and out of places, there is no extra bulk added to my chair that I have to worry about getting damaged in a doorway. The headset is balanced too, so it doesn’t make my head lean back or forward or weigh my neck down,” he continued. “When I set it up to use the first time it had me calibrate, and it measured my personal range of motion so the keyboard and choices fit on the screen specifically for me. It can also be recalibrated at any time, which is important because not every day is my range of motion the same.”

Alexa, which has been extremely helpful to people with a variety of disabilities due to its low cost and wide range of compatible devices, is also part of the Cognixion interface, something Benedict appreciates, having himself adopted the system for smart home and other purposes. “With other systems this isn’t something you can do, or if it is an option, it’s really complicated,” he said.

Next steps

As Benedict demonstrates, there are people for whom a device like Cognixion’s makes a lot of sense, and the hope is it will be embraced as part of the necessarily diverse ecosystem of assistive technology.

Forsland said that the company is working closely with the community, from users to clinical advisors like Goldie and other specialists, like speech therapists, to make the One headset as good as it can be. But the hurdle, as with so many devices in this class, is how to actually put it on people’s heads — financially and logistically speaking.

Cognixion is applying for FDA clearance to get the cost of the headset — which, being powered by a phone, is not as high as it would be with an integrated screen and processor — covered by insurance. But in the meantime the company is working with clinical and corporate labs that are doing neurological and psychological research. Places where you might find an ordinary, cumbersome EEG setup, in other words.

The company has raised funding and is looking for more (hardware development and medical pursuits don’t come cheap), and has also collected a number of grants.

The Cognixion One headset may still be some years away from wider use (the FDA is never in a hurry), but that allows the company time to refine the device and include new advances. Unlike many other assistive devices, for example a switch or joystick, this one is largely software-limited, meaning better algorithms and UI work will significantly improve it. While many wait for companies like Neuralink to create a brain-computer interface for the modern era, Cognixion has already done so for a group of people who have much more to gain from it.

You can learn more about the Cognixion One headset and sign up to receive the latest at its site here.

（文：Devin Coldewey、翻訳：Dragonfly）

脳 - Wikipedia

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ヒトの脳 | 解剖と機能 - Visible Body

脳は、身体の内部機能に指令を発します。 脳は、知覚インパルスと情報を統合して、知覚、思考および記憶を形成します。

脳とは - コトバンク

日本大百科全書(ニッポニカ) - 脳の用語解説 - 動物の神経系において、神経細胞が集合して神経作用の支配的中心となった部分をいう。無脊椎(むせきつい)動物では一般に頭神経節あるいは脳神経節が脳にあたる。脊椎動物では、脊髄の前方に続く部分で、脳髄膜に包まれ、さらに固い頭蓋(とうが...

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