Mind-Machine Fusion

Ted Berger er tankelæser. Rotternes sind, altså. I sit laboratorium ved University of Southern California placerer neurobiologen en lille række elektroder på et stykke af en rottes hjerne i en petriskål. Med et tryk på en kontakt starter kandidatstuderende Walid Soussou strømmen af ​​elektriske signaler ind i vævet. Hjernecellerne reagerer ved at generere deres egne elektriske impulser. Dette hvirvlende mønster af neurale signaler opfanges af elektroderne og vises på en nærliggende computerskærm som en vask af farver, der spænder fra strålende rød til mørkeblå.

I de næste par timer vil Berger og hans team kortlægge kredsløbet bag en af ​​hjernens mest komplekse funktioner: hukommelsen. Det er grundforskning, men de gør det med et stort teknologisk mål for øje. Bergers gruppe sigter mod at bruge informationen til at bygge en avanceret hjerne-maskine-grænseflade - en enhed, der forbinder en hjernes biologiske kredsløb med siliciumkredsløbene på en computer - som vil ændre sindets tanker.

Denne historie var en del af vores maj 2003-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

I de senere år har forskergrupper rundt om i landet implanteret elektroder i hjernen på dyr - og endda nogle få mennesker - og har brugt signaler detekteret af disse elektroder til at flytte robotarme, håndtag og markører på computerskærme ( se Anden hjerne-maskineforskning, tabel, sidste side ). Målet med arbejdet har været at give lammede patienter mulighed for at kontrollere lemmerproteser og enkle kommunikationsredskaber. Men Bergers mål er endnu mere vidtrækkende: at bygge en computerchip, der vil genoprette selve hjernens kognitive evner, hjælpe hukommelsen hos patienter, der lider af sådanne neurologiske lidelser som Alzheimers sygdom og slagtilfælde og måske i sidste ende forbedre sunde sinds evner. . For at gøre det skal forskerne forstå neurale processer, der kan være mere komplicerede end dem, der styrer f.eks. kontrollen af ​​en protesearm. Det er et af de mest ambitiøse projekter på hele feltet, siger Christof Koch, ekspert i beregninger og neurale systemer hos Caltech.

Så modigt som det er, er Bergers team ikke den eneste gruppe, der bryder nye veje inden for det, forskere nogle gange kalder neurale proteser. Et toårigt program på 24 millioner dollars fra U.S. Defense Advanced Research Projects Agency, der blev lanceret sidste efterår, udvider hurtigt grænserne for forskning i hjerne-maskine-grænseflader. De seks projekter, der er finansieret af DARPAs program, herunder Berger's ved University of Southern California, har til formål at udvikle teknologier, der ikke kun vil genoprette, men også forøge menneskelige kapaciteter, siger Alan Rudolph, programleder for DARPA-initiativet. Denne koordinerede, velfinansierede store videnskabelige tilgang til at forstå, hvordan sind og maskiner kan interagere, siger han, kan have transformationsmæssige konsekvenser for forsvaret og samfundet.

Indsatsen vil give en ny generation af elektroder, computerchips og software, der i sidste ende kan udstyre soldater, for eksempel til at styre superhurtige kunstige lemmer, styre fjernkøretøjer og guide mobile robotter i farlige miljøer, kun ved at bruge deres tankers kraft. Endnu mere bemærkelsesværdigt kan sådanne enheder forbedre beslutningstagning, opgradere hukommelse og kognitive færdigheder og endda tillade en persons hjerne at kommunikere trådløst med en andens.

Selvom sådanne applikationer er lige så spekulative, som de er spektakulære, ser videnskabsmænd dem ikke længere som ren fantasi. Deres nye optimisme er til dels drevet af en række nyere fremskridt inden for neurovidenskab, grænsefladehardware og signalbehandling. Og pengetilstrømningen skader bestemt ikke. DARPA lægger meget større ressourcer i området, end det nogensinde er set før, siger William Heetderks, direktør for Neural Prosthesis Program ved National Institutes of Health. Og fordi forskere på dette felt ikke mangler innovative ideer, tilføjer han, vil den nye finansiering have en enorm effekt.

Fjernbetjening

Blandt de bølgende bakker i Durham, NC, forsøger Duke Universitys Miguel Nicolelis at lære gamle aber nye tricks. Men først skal deres hjerner lære at lytte.

I løbet af de sidste par år har Nicolelis og hans team vist, at hjernesignaler opfanget af elektroder implanteret i dyrenes hjerner kan give rudimentær kontrol af robotarme. Men der er et problem: dyrene ved ikke, at de kontrollerer noget. For at komme til det punkt, hvor dyr - og i sidste ende mennesker - kan påtage sig mere sofistikerede opgaver, siger Nicolelis, skal realtidskommunikation mellem sind og maskine blive en tovejsgade.

Så i Nicolelis' laboratorium styrer en rhesusabe ikke kun en robotarm gennem hjernesignaler opfanget af elektroder implanteret i dens hoved, den får også feedback fra robotten - indtil videre i form af en markør på en skærm, der viser robottens bevægelser. Opbevares i separate rum, aben og robotarmen er forbundet via kabler, en mikrocomputer og en parallel processor. Næste skridt vil være at implementere taktil feedback. Når aben forsøger at bruge robotarmen til at få fat i et ølkrus af gummi, vil robotarmen sende signaler for at tvinge transducere placeret på dyrets overarm; disse motorer vil vibrere kraftigt, når robottens greb strammes. Og til sidst, siger Nicolelis, kunne systemet give endnu mere direkte feedback ved at elektrisk stimulere sensoriske områder af hjernen. Tricket er at give den rigtige form for feedback, så abens hjerne vil inkorporere robotten, som om den var en del af dens egen krop, siger han.

Når først de lukker løkken af ​​hjerne-maskine-interaktion, siger Nicolelis, kan forskere begynde at tænke realistisk om at designe systemer, hvis fysiske evner overgår normale menneskers. Et eksempel: ved at omgå nerver og muskler og forbinde hjernen direkte med et robotlem, siger han, kan det være muligt at reducere reaktionstiderne med en faktor på seks. Han forudser, at mange laboratorier vil demonstrere en sådan forøgelse af grundlæggende fysiske evner i løbet af de næste fem år.

Mens Nicolelis arbejder på at replikere og udvide sådanne dagligdags evner som at gribe og løfte, skubber forskere ved University of Michigan hjerne-maskine-grænseflader ind i nye områder af fysisk kontrol. Den biomedicinske ingeniør Daryl Kipke og hans team lærer rotter og aber, hvordan man guider bevægelserne af en flåde af mobile robotter, kun ved at bruge deres sind. Feedback er vigtigt, siger Kipke, fordi det giver dyrene mulighed for at få erfaring med at interagere med en enhed, der er fuldstændig fremmed - i dette tilfælde en halv meter lang, seksbenet robotvæske ved navn RHex (udtales rex).

Indtil videre skal den agile robot enten være programmeret til at køre i en bestemt retning eller fjernstyret af en håndstyret trådløs forbindelse. Men hjerne-maskine-grænseflader, siger Michigan-forskerne, kunne give mulighed for hurtigere og bedre koordineret kontrol. I en fjern fremtid kan soldater eller redningspersonale - muligvis flere steder - tilslutte deres sind til en central computer for at kontrollere en flåde af RHexes i felten. Guidet af hjerneimpulser ville robotterne udføre eftersøgnings- og redningsmissioner i krigszoner og katastrofeområder, mens de sendte lyd, visuel og taktil feedback til deres controllere. Det er hjemmeløbet, siger Kipke.

Selvom det sandsynligvis stadig er årtier væk at nå dette mål, arbejder Kipkes team hen imod det ved at udtrække signaler fra neuroner i de områder af hjernen, der er involveret i planlægning og udførelse af bevægelser. Med al støjen fra omgivende celler er det som at prøve at lytte til specifikke samtaler på et baseballstadion. Inden for et år vil forskerne kirurgisk implantere arrays af siliciumelektroder - hver ikke bredere end et hårstrå - i et dyrs hjerne og forbinde hvert array til et fleksibelt laveffektkredsløb, der ligner et plaster på én kvadratcentimeter på dyrets hud. Kredsløbet vil fremskynde den overordnede behandling af signalerne og tillade dem at blive sendt trådløst til en central computer. Der vil brugerdefineret software omsætte signalerne til bevægelser af en computermarkør, som dyret vil se. Det næste trin, siger Kipke, vil være at forbinde markøren med RHexs trådløse kontrolsystem, så robotten gør det samme, når markøren bevæger sig til venstre.

Til sommer planlægger Michigan-holdet sammen med fysiolog Dan Moran ved Washington University at få en abe i St. Louis til at navigere RHex gennem en forhindringsbane i Ann Arbor, MI. Styresignalerne vil passere frem og tilbage via internettet, og aben vil overvåge en grafisk repræsentation af robottens position og bevægelser på en skærm. Det overordnede mål for det aktuelle projekt er at teste, om sådanne grænseflader kan engagere hjernen, der gør brug af både neurale kommandoer og feedback for at styre stadigt mere fjerntliggende og komplekse enheder. Inden for fem år ved vi, om vi kan gøre det her, siger Kipke.

Oppumpning af Perception

Mens Nicolelis og Kipke øger hjernens evne til at kontrollere eksterne enheder, sigter andre i DARPA-initiativet på at manipulere hjernens indre funktioner, specifikt dem, der sender, modtager og behandler syn og lyde. Ved at trykke ind i sindets visuelle og auditive regioner tester forskere, om sådan information kan overføres mellem hjerner og computere for at forbedre opfattelsen og kommunikationen. Hvis de lykkes, kan projekterne føre til forbløffende nye grænseflader, der forbedrer menneskers evne til at genkende ansigter, objekter og tale og til at træffe beslutninger. De kan endda aktivere hjerne-til-hjerne trådløs kommunikation, siger DARPAs Rudolph.

Før de kan udtænke sådanne systemer, skal forskerne lære at læse informationer op fra hjernen samt skrive informationer ind, siger Tomaso Poggio, ekspert i kunstig intelligens ved MIT. Poggio og MIT neurofysiolog James DiCarlo, begge hovedforskere i DARPA-programmet, arbejder med visuel perception og objektgenkendelse hos rhesusaber. Forskerne vil præsentere objekter som abstrakte former, biler og dyr på en computerskærm. Et muligt eksperiment er baseret på tidligere samarbejder med MIT neuroforsker Earl Miller: forskerne kunne træne en abe til at afgøre, om et computergenereret dyr på en skærm ligner mere en kat eller en hund ( se Mind Readout, sidebjælke ). Software ville sløre linjen og skabe for eksempel et billede, der er 60 procent kat og 40 procent hund. Mens aben træffer sin beslutning, ville forskerne bruge implanterede elektroder til at optage signaler fra neuroner i den visuelle cortex: nogle af disse celler fyrer, når aben ser en kat, andre når den ser en hund.

Silicium erkendelse

Tilbage på University of Southern California skubber Bergers team den fjerneste grænse for hjerne-maskine-grænseflader. Når de har kortlagt signalmønstrene i flere områder af hjernen, planlægger forskerne at manipulere den måde, hjernen behandler information på og kommunikerer med sig selv - kort sagt, hvordan hjernen tænker . Dette arbejde kan en dag føre til neurale proteser, der genopretter og endda forbedrer kognitive processer som hukommelse. Forestil dig at gå til lægen for at gendanne minder for længst falmede eller købe hardware, der skærper din evne til at huske folks navne.

Bergers team tager et lille skridt i retning af denne vision ved at udvikle en computerchip, der efterligner signalbehandlingen af ​​hippocampus, et spiralformet område af hjernen, der er medvirkende til at lære og danne minder. Heldigvis er informationsstrømmen i hippocampus hos rotter ligetil, siger Berger, og kredsløbet ligner, men mere kompliceret, i den menneskelige hippocampus.

Det, der gør tingene udfordrende, er, at - i det mindste i Bergers syn - er hukommelsen i hjernen repræsenteret i neuronernes dynamiske affyringsmønstre, ikke i et fast arrangement af bits som det i en computers hukommelse. Hvis nogen del af hjernen ligner RAM, har vi ikke fundet det endnu, siger Berger. Og neuroner er i sagens natur vanskelige. For at få en til at fyre, er timing alt: det kan tage en kombination af impulser fra omgivende neuroner eller gentagne input fra en budbringer, der er anbragt i tid.

For at fange denne dynamik har Bergers team udviklet matematiske modeller af de pågældende individuelle neuroner og er begyndt at implementere modellerne i hardware. Hvis neuron A sender et bestemt mønster af impulser til neuron B, siger biomedicinsk ingeniør ved University of Southern California, Vasilis Marmarelis, fortæller modellen dig, hvilket mønster neuron B vil sende til neuron C. Det er ikke sexet, siger han, men det er det første skridt på en meget lang rejse. Derfra vil forskerne sætte tusindvis af neuronmodeller på en siliciumchip med lav effekt.

Senere i år, siger Berger, vil proof-of-principle-eksperimentet gå sådan her: I et stykke af en rottes hippocampus vil forskerne demonstrere, at elektriske signaler fra region A behandles af region B og sendes videre til region C. De vil derefter fjerne neuroner fra region B og vise, at output fra region C er forstyrret. Endelig vil de omdirigere signalerne gennem en prototype-chip i stedet for region B-for at se, om det fuldender kredsløbet og producerer det samme overordnede mønster af signaler som den sunde skive.

Billede udlånt af John MacNeil

Hvis dette lykkes, vil næste skridt være at teste chippen i et dyr. Inden for tre år planlægger Bergers gruppe at overdrage sin grænseflade til et team ledet af fysiolog Sam Deadwyler ved Wake Forest University. Deadwyler træner aber til at huske clipart-billeder, der er flashet på en skærm, og til at vælge billederne fra en efterfølgende lineup. Samtidig optager han signaler fra hippocampus, der gør det muligt for ham at identificere, hvilke neuroner der er vigtige for opgaven – og endda forudsige, om aben vil vælge rigtigt. Når Bergers grænseflade er klar, siger Deadwyler, vil forskerne midlertidigt inaktivere hippocampus, så primaten ikke længere kan udføre opgaven; så vil de tilslutte chippen til det berørte område for at se, om grænsefladen kan genoprette abens ydeevne.

Til sidst planlægger Berger og Deadwyler at afgøre, om chippen kan øge hukommelsen: de vil implantere chippen i et dyr, hvis hippocampus er intakt. Med chippen kan aben muligvis huske et billede i længere tid eller være i stand til at vælge det ud af en større række af distraktioner. I fremtiden, siger Deadwyler, vil det måske være muligt at forbinde en persons hjerne til hardware, der får minderne til at holde længere, eller som gør det muligt for en at holde styr på stadigt stigende mængder af information, som når du suser gennem en travl lufthavn og skal huske et telefonnummer i et par sekunder. Men forvent ikke at se dette snart. Vi er langt fra at blive bedre på papir og blyant, siger NIH's Heetderks.

For det første står Bergers gruppe over for skepsis fra nogle videnskabsmænd, som ikke går ind for den grundlæggende forudsætning, at hukommelsen udelukkende består af dynamiske mønstre af neuronaktivitet. Og den står over for mange af de praktiske udfordringer, som andre forskerhold i neurale proteser kæmper med. Indtil videre ved ingen præcis, hvilke neuroner - eller hvor mange - der skal aflyttes for at opnå nyttige enheder. Afhængigt af applikationen skal forskerne muligvis få adgang til tusindvis af hjerneceller på én gang. Og der er beregningsmæssige forhindringer, de skal overvinde, før grænsefladerne kan behandle massivt parallelle strømme af neurale data i realtid.

Men den største tekniske udfordring ligger måske i fysisk at forbinde stiv hardware til sarte hjerneceller og opretholde disse forbindelser i måneder eller endda år ad gangen, siger John Chapin, en fysiolog ved State University of New York Downstate Medical Center, som hjalp med at pionere metoder til adgang til hjernesignaler i midten af ​​1990'erne. Fordi neuroner konstant skifter deres positioner og ændrer deres forbindelser, skal grænsefladen være fleksibel, biokompatibel og tilpasselig til ændringer i de signaler, den modtager. Med dette i tankerne presser DARPAs Rudolph på for at fremme en standardiseret elektrodeplatform på tværs af initiativet, så hvert hold ikke genopfinder hjulet. Men det er lettere sagt end gjort. Forskere vil hellere bruge hinandens tandbørster end hinandens elektroder, siger Caltechs Koch.

Selvom grænsefladeteknologierne virker, kan de stå over for en lang vej til accept. Lammede patienter, der er ængstelige for at få forbedrede fysiske evner, kan være villige til at acceptere risiciene ved operation og leve med hardware implanteret i deres hjerner, men de fleste raske mennesker ville sandsynligvis afvise forslaget. Faktisk, siger Rudolph, forestiller vi os virkelig ikke at implantere raske mennesker med denne slags enheder. Nøglen til at kunne genoprette eller øge menneskelige evner, siger han, vil være at få adgang til hjernens signaler på en diskret måde - ideelt set uden ledninger, elektroder eller operationer.

Før DARPA - eller nogen anden for den sags skyld - vil investere i den næste generation af hjerne-signal-detektionsteknologi, skal forskerne afgøre, om neurale proteser vil være praktiske i deres nye anvendelser. Hvis det lykkes, siger Rudolph, vil vi have seedet det vigtige arbejde for at demonstrere, at dette kan lade sig gøre, og hvis der kan findes et ikke-invasivt værktøj til at udtrække den samme slags information, kan man forestille sig forbedring af menneskelig ydeevne. Og selvom denne vision stadig er år væk, er vores sind måske allerede på vej mod en ny måde at tænke på.

Anden hjerne-maskine forskning
FORSKER	INSTITUTION	PROJEKT
Richard Andersen	Caltech	Elektrodesystemer til registrering af hjerneimpulser
Niels Birbaumer	Universitetet i Tbingen (Tyskland)	Ikke-invasive hjernesignaldetektorer
John Donoghue	Brown Universitet og Cyberkinetik (Providence, RI)	Neurale proteser, der giver lammede patienter kontrol over computere
Philip Kennedy	Neurale signaler (Atlanta, GA)	Første menneskelige test af hjerneimplantater til genoprettelse af kommunikation hos fuldstændig lammede patienter
Andrew Schwartz	University of Pittsburgh	Neurale proteser, der styrer robotarme
Harvey Wiggins	Plexon (Dallas, TX)	Hardware og software til optagelse og analyse af hjernesignaler

skjule