211service.com
Det amerikanske militær forsøger at læse tanker
Et nyt DARPA-forskningsprogram udvikler hjerne-computer-grænseflader, der kan kontrollere sværme af droner, der opererer med tankens hastighed. Hvad hvis det lykkes?
16. oktober 2019
Fotoillustration af soldat- og hjernegrænseflader Enrico Nagel
I august blev tre kandidatstuderende ved Carnegie Mellon University stuvet sammen i et lille, vinduesløst kælderlaboratorium ved at bruge en juryrigtet 3D-printerramme til at zappe en skive musehjerne med elektricitet.
Hjernefragmentet, skåret fra hippocampus, lignede et stykke tyndt skåret hvidløg. Den hvilede på en platform nær midten af indretningen. Et smalt rør badede skiven i en opløsning af salt, glukose og aminosyrer. Dette holdt det i live på en måde: neuroner i skiven fortsatte med at skyde, hvilket gjorde det muligt for forsøgslederne at indsamle data. Et array af elektroder under skiven leverede de elektriske zaps, mens en sprøjte-lignende metalsonde målte, hvordan neuronerne reagerede. Lyse LED-lamper oplyste fadet. Opsætningen, for at bruge laboratoriemedlemmernes lingo, var noget hacky.
Denne historie var en del af vores november 2019-udgave
- Se resten af problemet
- Abonner
En monitor ved siden af riggen viste stimulus og respons: stød af elektricitet fra elektroderne blev fulgt, millisekunder senere, af neuroner, der affyrede. Senere ville forskerne placere et materiale med de samme elektriske og optiske egenskaber som et menneskeskalle mellem skiven og elektroderne for at se, om de også kunne stimulere musens hippocampus gennem det simulerede kranium.
De gjorde dette, fordi de ønsker at være i stand til at detektere og manipulere signaler i menneskelige hjerner uden at skulle skære igennem kraniet og røre ved sart hjernevæv. Deres mål er på sigt at udvikle nøjagtige og følsomme hjerne-computer-grænseflader, der kan tages på og af som en hjelm eller pandebånd - ingen kirurgi nødvendig.
Menneskekranier er mindre end en centimeter tykke: den nøjagtige tykkelse varierer fra person til person og sted til sted. De fungerer som et sløringsfilter, der spreder bølgeformer, det være sig elektriske strømme, lys eller lyd. Neuroner i hjernen kan være så små som et par tusindedele af en millimeter i diameter og generere elektriske impulser så svage som en tyvendedel af en volt.
De studerendes eksperiment var beregnet til at indsamle en baseline af data, som de kunne sammenligne resultater fra en ny teknik, som Pulkit Grover, holdets hovedefterforsker, håber at udvikle.
Intet som dette er [nu] muligt, og det er virkelig svært at gøre, siger Grover. Han leder et af seks teams, der deltager i Next-generation Nonsurgical Neurotechnology Program, eller N³, en 104 millioner dollars indsats lanceret i år af Defense Advanced Research Projects Agency eller DARPA. Mens Grovers team manipulerer elektriske og ultralydssignaler, bruger andre hold optiske eller magnetiske teknikker. Hvis nogen af disse tilgange lykkes, vil resultaterne være transformative.
Kirurgi er dyr, og operation for at skabe en ny slags superkriger er etisk kompliceret. En tankelæser, der ikke kræver operation, ville åbne en verden af muligheder. Hjerne-computer-grænseflader, eller BCI'er, er blevet brugt til at hjælpe mennesker med quadriplegi med at genvinde begrænset kontrol over deres kroppe og til at gøre det muligt for veteraner, der mistede lemmer i Irak og Afghanistan, at kontrollere kunstige. N³ er det amerikanske militærs første seriøse forsøg på at udvikle BCI'er med et mere krigerisk formål. At arbejde med droner og sværme af droner, der opererer med tankens hastighed snarere end gennem mekaniske enheder - den slags ting er, hvad disse enheder virkelig er til, siger Al Emondi, direktøren for N³.
UCLA-datamatiker Jacques J. Vidal brugte først udtrykket hjerne-computer-interface i begyndelsen af 1970'erne; det er en af de sætninger, som kunstig intelligens, hvis definition udvikler sig, efterhånden som de kapaciteter, den beskriver, udvikler sig. Elektroencefalografi (EEG), som registrerer elektrisk aktivitet i hjernen ved hjælp af elektroder placeret på kraniet, kan betragtes som den første grænseflade mellem hjerner og computere. I slutningen af 1990'erne havde forskere ved Case Western Reserve University brugt EEG til at fortolke en quadriplegisk persons hjernebølger, hvilket gjorde det muligt for ham at flytte en computermarkør ved hjælp af en ledning, der strækker sig fra elektroderne på hans hovedbund.
Både invasive og ikke-invasive teknikker til at læse fra hjernen har udviklet sig siden da. Det samme har enheder, der stimulerer hjernen med elektriske signaler til at behandle tilstande som epilepsi. Den mest kraftfulde mekanisme, der er udviklet til dato, kaldes en Utah-array. Det ligner en lille seng af pigge, omkring halvdelen af størrelsen af en pinkie-negl i alt, der kan trænge ind i en given del af hjernen.
En dag i 2010, mens Ian Burkhart var på ferie i North Carolinas Outer Banks, dykkede Ian Burkhart ned i havet og slog sit hoved på en sandbanke. Han knuste sin rygmarv og mistede funktion fra den sjette cervikale nerve og ned. Han kunne stadig bevæge sine arme ved skulderen og albuen, men ikke sine hænder eller ben. Fysioterapi hjalp ikke meget. Han spurgte sine læger ved Ohio State Universitys Wexner Medical Center, om der var noget mere, de kunne gøre. Det viste sig, at Wexner håbede på at gennemføre en undersøgelse sammen med Battelle, et nonprofit-forskningsfirma, for at se, om de kunne bruge et Utah-array til at genoplive lemmerne på en lammet person.
Hvor EEG viser den samlede aktivitet af utallige neuroner, kan Utah-arrays registrere impulserne fra et lille antal af dem, eller endda fra en enkelt. I 2014 implanterede læger et Utah-array i Burkharts hoved. Arrayet målte det elektriske felt 96 steder inde i hans motoriske cortex, 30.000 gange i sekundet. Burkhart kom ind i laboratoriet flere gange om ugen i mere end et år, og Battelle-forskere trænede deres signalbehandlingsalgoritmer til at fange hans intentioner, da han møjsommeligt og systematisk tænkte på, hvordan han ville bevæge sin hånd, hvis han kunne.
Et tykt kabel, forbundet til en piedestal, der kommer ud af Burkharts kranium, sendte impulserne målt af Utah-arrayet til en computer. Computeren afkodede dem og sendte derefter signaler til et hylster af elektroder, der næsten dækkede hans højre underarm. Ærmet aktiverede hans muskler til at udføre de bevægelser, han havde til hensigt, såsom at tage fat, løfte og tømme en flaske eller fjerne et kreditkort fra hans pung.
Det gjorde Burkhart til en af de første mennesker, der genvandt kontrollen over sine egne muskler gennem sådan en neural bypass. Battelle – et andet af holdene i N³-programmet – arbejder nu sammen med ham for at se, om de kan opnå de samme resultater uden et kranieimplantat.
Det betyder, at man ikke kun kommer med nye enheder, men også med bedre signalbehandlingsteknikker for at give mening om de svagere, forvirrede signaler, der kan opfanges uden for kraniet. Det er grunden til, at Carnegie Mellon N³-teamet ledes af Grover - en elektrisk ingeniør af uddannelse, ikke en neurovidenskabsmand.
Jeg er super motiveret for det - mere end nogen anden i rummet.
Kort efter Grover ankom til Carnegie Mellon, inviterede en ven ved University of Pittsburgh Medical School ham til at deltage i kliniske møder for epilepsipatienter. Han begyndte at mistænke, at meget mere information om hjernen kunne udledes af EEG, end nogen gav den æren for - og omvendt, at smart manipulation af eksterne signaler kunne have effekter dybt inde i hjernen. Et par år senere udgav et hold ledet af Edward Boyden ved MIT's Center for Neurobiological Engineering et bemærkelsesværdigt papir, der gik langt ud over Grovers generelle intuition.
Boydens gruppe havde påført to elektriske signaler med høje, men lidt forskellige frekvenser, på ydersiden af kraniet. Disse påvirkede ikke neuroner tæt på hjernens overflade, men de dybere inde i hjernen. I et fænomen kendt som konstruktiv interferens, kombinerede de for at producere et lavere frekvenssignal, der stimulerede neuronerne til at skyde.
Grover og hans gruppe arbejder nu på at udvide Boydens resultater med hundredvis af elektroder placeret på overfladen af kraniet, både for præcist at målrette små områder i det indre af hjernen og for at styre signalet, så det kan skifte fra en hjerneregion til en anden, mens elektroderne bliver på plads. Det er en idé, siger Grover, som neuroforskere næppe ville have haft.
I mellemtiden, på Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (APL), bruger et andet N³-hold en helt anden tilgang: nær-infrarødt lys.
Den nuværende forståelse er, at neuralt væv svulmer og trækker sig sammen, når neuroner affyrer elektriske signaler. Disse signaler er, hvad videnskabsmænd registrerer med EEG, en Utah-array eller andre teknikker. APLs Dave Blodgett hævder, at hævelsen og sammentrækningen af vævet er lige så godt et signal om neural aktivitet, og han ønsker at bygge et optisk system, der kan måle disse ændringer.
Fortidens teknikker kunne ikke fange så små fysiske bevægelser. Men Blodgett og hans team har allerede vist, at de kan se den neurale aktivitet af en mus, når den svirper med et knurhår. Ti millisekunder efter et knurhår, registrerer Blodgett de tilsvarende neuroner, der affyrer ved hjælp af sin optiske måleteknik. (Der er 1.000 millisekunder i et sekund og 1.000 mikrosekunder på et millisekund.) I eksponeret neuralt væv har hans team registreret neural aktivitet inden for 10 mikrosekunder – lige så hurtigt som en Utah-array eller andre elektriske metoder.
Den næste udfordring er at gøre alt det gennem kraniet. Dette lyder måske umuligt: Kranier er trods alt ikke gennemsigtige for synligt lys. Men nær-infrarødt lys kan rejse gennem knogler. Blodgetts team affyrer lavenergi infrarøde lasere gennem kraniet og måler derefter, hvordan lyset fra disse lasere spredes. Han håber, at dette vil lade dem udlede, hvilken neurale aktivitet der finder sted. Fremgangsmåden er mindre velafprøvet end at bruge elektriske signaler, men det er præcis de typer risici, som DARPA-programmer er designet til at tage.
Tilbage hos Battelle er Gaurav Sharma ved at udvikle en ny type nanopartikel, der kan krydse blod-hjerne-barrieren. Det er, hvad DARPA kalder en minimalt invasiv teknik. Nanopartiklerne har en magnetisk følsom kerne inde i en skal lavet af et materiale, der genererer elektricitet, når der påføres tryk. Hvis disse nanopartikler udsættes for et magnetfelt, belaster den indre kerne skallen, som så genererer en lille strøm. Et magnetfelt er meget bedre end lys til at se gennem kraniet, siger Sharma. Forskellige magnetspoler gør det muligt for forskerne at målrette bestemte dele af hjernen, og processen kan vendes - elektriske strømme kan omdannes til magnetiske felter, så signalerne kan aflæses.
Det er stadig uvist, hvilken, om nogen, af disse tilgange vil lykkes. Andre N³-hold bruger forskellige kombinationer af lys, elektriske, magnetiske og ultralydsbølger til at få signaler ind og ud af hjernen. Videnskaben er uden tvivl spændende. Men den spænding kan sløre, hvor dårligt rustet Pentagon og virksomheder som Facebook, der også udvikler BCI'er, er til at tage fat på de etiske, juridiske og sociale spørgsmål, som en ikke-invasiv BCI giver anledning til. Hvordan kan sværme af droner styret direkte af en menneskelig hjerne ændre karakteren af krigsførelse? Emondi, lederen af N³, siger, at neurale grænseflader vil blive brugt, uanset hvor de er nødvendige. Men militær nødvendighed er et formbart kriterium.
I august besøgte jeg et laboratorium i Battelle, hvor Burkhart havde brugt de foregående flere timer på at tænke på et nyt ærme, udstyret med 150 elektroder, der stimulerer hans armmuskler. Han og forskere håbede, at de kunne få ærmet til at fungere uden at skulle stole på Utah-arrayet for at opfange hjernesignaler.
Ian Burkhart, til venstre, blev lammet af en ulykke og arbejder sammen med forskere på Battelle for at udvikle bedre hjerne-computer-grænseflader.
Burkhart fik implanteret et Utah-array, vist til højre, i sin motoriske cortex i 2014. Battelle-gruppen forsøger nu at udvikle en måde at aflæse hans hjernesignaler uden et kirurgisk implantat.
Hvis din rygmarv er blevet brækket, er det hårdt arbejde at tænke på at flytte din arm. Burkhart var træt. Der er en gradueret præstation: Hvor hårdt tænker jeg på noget, omsættes til, hvor meget bevægelse, fortalte han mig. Mens du før [ulykken] ikke tænker, 'åbn din hånd' - vi andre tager bare flasken op. Men jeg er super motiveret for det - mere end nogen anden i rummet, sagde han. Burkhart gjorde det nemt at se teknologiens potentiale.
Han fortalte mig, at siden han begyndte at arbejde med Utah-arrayet, er han blevet stærkere og mere behændig, selv når han ikke bruger det - så meget, at han nu bor alene og kun har brug for hjælp et par timer om dagen. Jeg taler mere med mine hænder. Jeg kan godt holde på min telefon, siger han. Hvis det bliver udarbejdet til noget, som jeg kan bruge hver dag, ville jeg bære det så længe, jeg kan.
Paul Tullis er en forfatter, der bor i Amsterdam.