Hjernekraft

I et lille laboratorium på Brown University i Providence, RI, sidder en rhesus-makak i en stol med front mod en computerskærm og griber om håndtaget på en enhed, der ligner en sejlbåds rorpind. I øjeblikket bruger aben denne enhed, som om den var et computerjoystick til at styre et simpelt videospil: en farvet prik vises på skærmen, og dyret flytter markøren for at møde den. Når dyret dog er dygtig til opgaven, vil forskerne i det tilstødende rum dreje en kontakt, og det vil være signaler direkte fra abens hjerne, ikke joystickets bevægelser, der driver markøren.

Denne uhyggelige bedrift er mulig, fordi forskerne, ledet af Browns neuroforsker John Donoghue, har implanteret en lille række elektroder i abens hjerne. Elektroderne opsnapper signaler fra individuelle neuroner i hjernen, og en specialudviklet computeralgoritme omsætter disse signaler til baner og hastigheder for computermarkøren. Forskernes ambitioner rækker dog langt ud over aber, der spiller videospil. Deres håb er, at deres hjerne-maskine-interface-system vil give patienter, der er lammet af rygmarvsskader eller neurodegenerative sygdomme, nye evner til at interagere med verden omkring dem - ved ikke at bruge mere end deres tankers kraft.

Denne historie var en del af vores april-udgave fra 2002

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Donoghue og hans team lancerede Cyberkinetics i juni 2001 for at forfølge denne vision. Virksomheden er en af ​​de første, der er opstået fra forskning i hjerne-maskine-grænseflader, som hidtil hovedsageligt er blevet henvist til en håndfuld akademiske laboratorier rundt om i verden ( se Brain-Machine Interfaces, BØRN januar/februar 2001 ). Og selvom der stadig mangler en del udvikling, kan et system som Cyberkinetics, der tapper direkte ind i hjernen, teoretisk give lammede patienter midlerne til at styre computere, robothjælpemidler - og måske endda deres egne muskler. Cyberkinetics sigter mod at begynde at teste den teori på mennesker inden udgangen af ​​dette år.

I abestudierne, der vil bane vejen for de menneskelige tests, fokuserer virksomheden - som omfatter medstifterne Nicholas Hatsopoulos fra University of Chicago, Brown MD/PhD-studerende Mijail Serruya og Gerhard Friehs, en neurokirurg ved Providence's Rhode Island Hospital - på det område af hjernen, der afgiver kommandoer til abens arm. Friehs starter med at implantere en fire millimeter kvadratisk række af 100 elektroder i denne region, som er placeret i hjernens yderste lag, cirka halvvejs mellem øret og toppen af ​​kraniet. Efter operationen slanger et lille bundt ledninger fra arrayet gennem et hul i dyrets kranium; disse ledninger er sluttet til en computer, der føder de elektriske signaler, der genereres af neuroner, der skyder nær hver elektrode ind i maskinen.

Hatsopoulos sidder ved computeren, mens den tilsluttede abe øver sig i et videospil i det næste rum. Hjerneaktiviteten opfanget af arrayet blinker hen over skærmen som et virvar af hyperkinetiske EKG-lignende grafer; gengivet hørbare af computerens højttalere, hjernesignaler snapper, knitrer og popper som Rice Krispies i mælk. Hatsopoulos skruer op for lyden. Det bliver jeg aldrig træt af at høre på, siger han. Det er virkelig som at læse sindet, aflytte celler i hjernen, mens aben tænker på noget. Mønstergenkendelsessoftware fisker signalspidserne - hver repræsenterer en enkelt affyring af en enkelt neuron - fra hjernens baggrundsstøj og korrelerer dem med positionen af ​​abens arm. Det fantastiske, siger Donoghue, er, at du meget hurtigt kan få en fornemmelse af neuronernes aktivitet og udtrække håndens bane. Faktisk, ved at bruge kun tre minutters data fra videospilsøvelsen, kan computeren bygge en model, der er i stand til at ekstrapolere abens armbevægelser fra hjernesignalet alene. Når først modellen er finjusteret, kan computeren bruge hjernesignalet til at drive enten en markør eller en robotarm i realtid.

Sådanne lovende resultater er en del af det, der inspirerede forskerne til at lancere Cyberkinetics og skubbe mod kliniske forsøg. Vi ved allerede så meget; lad os nu tage det i brug, siger Serruya. Deltagerne i Cyberkinetics første menneskelige test vil være indespærrede patienter, som på grund af skade, slagtilfælde eller neurologisk sygdom er fuldstændig lammet, ude af stand til at kommunikere undtagen via subtile øjenbevægelser. I disse indledende forsøg vil virksomheden implantere elektrodearrayet, fremstillet af Salt Lake City, UT-baserede Bionic Technologies, men signalbehandlingshardwaren og strømforsyningen vil forblive uden for kroppen. Hvis de første menneskelige test holder løftet om abe-eksperimenterne, planlægger virksomheden at videreudvikle teknologien for at skabe en fuldstændig implanterbar enhed.

Til dato har kun én virksomhed udført menneskelige test af et hjerneregistreringsimplantat med det formål at hjælpe med at genoprette funktion hos lammede patienter: Atlanta, GA-baserede neurale signaler. I stedet for et elektrodesystem implanterer virksomheden to neurotrofiske elektroder-glasrør, der indeholder bittesmå ledninger og et stof, der tilskynder hjerneceller til at vokse ind i enhederne. Neurolog og Neural Signals-grundlægger Philip Kennedy siger, at undersøgelserne, der blev påbegyndt i 1997, går langsommere, end han oprindeligt havde håbet, men at virksomheden skulle have nogle klare resultater inden årets udgang. Cyberkinetik-forskere mener dog, at implantering af 100 elektroder i stedet for kun to vil gøre deres system mere robust og vil give det mulighed for at indsamle mere information fra hjernen.

Mens det seneste arbejde med hjerne-maskine-grænseflader er opmuntrende, er der stadig nogle væsentlige forhindringer, siger William Heetderks, leder af National Institutes of Health's Neural Prosthesis Program, som hjælper med at finansiere hjerne-maskine-grænsefladeforskning. Den måske største udfordring, siger Heetderks, er at opbygge en grænseflade mellem optageenheden (et stift stykke hardware) og hjernen (en squishy masse, der flyder i cerebrospinalvæske), som vil bevare sin præcise position i årtier på trods af små bevægelser i hjernen . Mens både Kennedys og Donoghues enheder repræsenterer fremskridt på den front-Kennedy's ved at tilskynde celler til at vokse ind i enheden og stabilisere forbindelsen, gør Donoghue ved at gribe om hjernen meget, som golfknupper griber våd jord - Heetderks mener, at en kombination af tilgange i sidste ende kan være nødvendig . På dette tidspunkt, siger Heetderks, kan menneskelige undersøgelser stadig være en smule for tidlige. Men det er åbenbart kun én mening.

Greg Licholai, direktør for ventures og forretningsudvikling for den neurologiske afdeling af Minneapolis, MN-baserede Medtronic, tilbyder et andet syn. Dette er virkelig et gennembrud med hensyn til at nærme sig neurologiske lidelser, siger Licholai om Donoghues indsats. Jeg tror ikke, der vil være et problem med at rekruttere patienter, og systemet er blevet gennemprøvet i en dyremodel. Det eneste potentielle stop er, hvor lang tid det tager dem at udarbejde dokumenterne og få FDA-godkendelse af disse tidlige forsøg.

Cyberkinetics' forretningschef og eneste medarbejder, Brown-studerende Mikhail Shapiro, hjælper virksomheden med at lede efter ledelsesteamet og finansiering, som det skal bruge for at få styr på papirerne og de menneskelige tests i gang. Shapiro og virksomhedens grundlæggere indser alle, at de vil stå over for både forretningsmæssige og teknologiske udfordringer, men de er også overbeviste om, at, som Hatsopoulos udtrykker det, This is real. Det her vil virkelig hjælpe folk.

skjule