Regeringen søger High-Fidelity Brain-Computer Interface

Konrad Kording har set fremtiden for neurovidenskab, og han synes, det er deprimerende.

For et par år tilbage besluttede Kording, en dataforsker ved Northwestern University med interesse for neurovidenskab, at undersøge, hvor mange neuroner videnskabsmænd nogensinde havde registreret samtidigt i hjernen på et levende dyr. Optagelse af den elektriske støj fra neuroner er noget, vi bliver nødt til at gøre meget mere af, hvis vi vil forstå bevidsthed eller udvikle måder til at genoprette bevægelse til lammede individer.

Resultatet blev en 2011 Natur Neurovidenskab artikel, der beskriver Stevensons lov - så opkaldt efter kandidatstuderende og førsteforfatter Ian Stevenson. I lighed med Moores lov, der forudsiger en fordobling af computerkraft hvert andet år, dokumenterede Stevensons lov også eksponentiel vækst i antallet af neuroner, som forskere har været i stand til at optage fra på én gang. Men mens alle er glade og imponerede over Moores lov, siger Kording, at alle inden for neurovidenskab ønsker at se Stevensons lov dø.

Et mikroskopisk billede af calciumsensorer (grøn), neuronkerner (røde) og støtteceller kaldet astrocytter.

Årsagen er, at hver af os har omkring 80 milliarder neuroner i vores hjerner. Men hvad dataene viste er, at fra 1920'erne, da videnskabsmænd først lyttede til de elektriske spidser af en enkelt neuron, havde de kun fordoblet antallet hvert syvende år til omkring 500 på én gang. I dette tempo, siger Kording, vil vi alle være døde, før vi kan optage selv en del af en musehjerne. Det er ikke fedt.

I denne uge vil snesevis af neurovidenskabsmænd tage til Arlington, Virginia, for at diskutere, hvordan de kan gå om at bryde Stevensons lov. Lodtrækningen er et symposium, der præciserer kravene til et nyt Department of Defense-program kaldet Neural Engineering System Design, som vil uddele $60 millioner som en del af præsident Obamas BRAIN Initiative. Målet: at udvikle teknologier, der er i stand til at optage fra en million neuroner samtidigt på kun fire år.

Men det er kun en begyndelse. DARPA, agenturet, der administrerer programmet, ønsker også en enhed, der kan stimulere mindst 100.000 neuroner i hjernen. Det skal være trådløst, og al elektronik skal passe i en pakke, der ikke er meget større end en nikkel. Endelig forventes det, at forskere opfylder de sikkerhedskrav, der er nødvendige for at udføre undersøgelser på mennesker, noget der kræver en undtagelse fra U.S. Food and Drug Administration.

Michael Roukes, professor i fysik og bioteknik ved Caltech, kalder tidsrammen ekstremt aggressiv. Agenturets tendens til at sætte ambitiøse mål, der ikke altid bliver opfyldt, er kendt som DARPA-gal.

Men jeg forstår modellen, siger han. Lad os tage et måneskud, ikke?

Formålet med projektet overrasker ikke Roukes. Det erklærede mål med BRAIN Initiative (se Why Obama's Brain-Mapping Project Matters) er at udvikle måder at læse – og skrive til – de storstilede ensembler af hjerneceller, der udgør hjernens kredsløb og arbejder sammen for at lade os opfatte og reagere på verden. For at gøre det er det klart, at neurovidenskabens hardware har brug for en større opgradering.

Det vigtigste er at udvikle teknologien til at tage et komplet neuralt kredsløb - lad os sige hjernen fra et lille dyr eller et stykke cortex fra en mus eller et menneske, og optage fra hver neuron der, siger Rafael Yuste, en neuroforsker fra Columbia University. Yuste siger, at de fleste videnskabsmænd stadig bruger optagelser, hvor folk stikker i disse elektroder og registrerer aktivitet fra én neuron i et dyr eller én patient. Forestil dig, at du prøver at analysere et orkester [ved at lytte til], hvad et enkelt instrument spiller.

De nuværende optagelsesrekorder holdes af hold, der forsøger at udvikle hjerne-maskine-grænseflader til lammede mennesker, en teknologi, der også interesserer DARPA. Hold ved Brown University og University of Pittsburgh, blandt andet, har formået at bruge rækker af skarpe siliciumnåle til at optage fra mellem 200 til 300 neuroner på én gang inde i frivilliges hjerner. Det er nok til nogenlunde at læse, hvilke arm- og håndbevægelser en person tænker på, og bruge signalet til at bevæge en robotarm (se Tankeeksperimentet) eller styre en kørestol.

Du ser robotarme blive flyttet i dag, siger Jonathan Wolpaw, en ekspert i hjerne-computer-grænseflader ved Wadsworth Center i New York Department of Health. Men de er ikke noget, der er i nærheden af ​​klar til at blive taget ud af laboratoriet. Der er ingen BCI, som du nu ønsker at bruge til at styre en kørestol på kanten af ​​en klippe eller til at køre i tæt trafik.

En af grundene til, at neuroforskere er sikre på, at større ensembler af neuroner har svar, er, at den gennemsnitlige neuron spidser højst et par gange i sekundet. Alligevel er bevægelse afhængig af justeringer, der sker på en tidsskala, der er mindst 10 gange hurtigere. Det betyder, at en enkelt neuron umuligt kan indeholde den information, der er nødvendig for at indkode forviklingerne ved et dansetræk eller at spille klaver. Bevægelse er fordelt over mange millioner neuroner på tværs af flere hjerneområder, siger Kording. Vi har brug for mindst 1.000 gange flere neuroner til en fantastisk protese, efter min vurdering.

En strategi for, hvordan man kommer dertil, er at formindske størrelsen af ​​elektroder, så bioingeniører kan proppe flere af dem ind i hjernen på én gang. Den tilgang bliver taget på Duke University, siger Mikhail A. Lebedev, en seniorforsker i en gruppe, der i øjeblikket hævder adskillige neurale optagelser i aber, læser omkring 500 neuroner ad gangen, som den klarede ved omhyggeligt at indsætte bundter af tynde elektroder ind i en abes hjerne.

Andre mener, at der er brug for helt nye tilgange. Ved University of California, Berkeley, udforsker forskere neuralt støv, der består af mikroskopiske fritsvævende sensorer, der kan spredes rundt i hjernen. Optiske teknikker lover også. I 2013 viste Misha Ahrens, en neurovidenskabsmand ved Howard Hughes Medical Institutes Janelia Farms campus, at han kunne optage fra 100.000 neuroner - stort set hele hjernen på en zebrafisk - ved at genetisk modificere dem til at gløde efter affyring. Ahrens siger, at det at se så mange neuroner på én gang allerede genererer nogle overraskelser. Du kan finde områder, der er relevante for adfærd, hvor du ellers ikke ville se ud, siger han.

Ahrens præstation tæller ikke i forhold til DARPAs mål eller mod at knække Stevensons lov, fordi hans metode ikke fanger neuronernes elektriske spidser præcis, når de opstår. Det skyldes, at de glødende molekyler udløses af ændringer i calciumkoncentrationer, der først opstår inde i en celle, efter at den affyres. Roukes, Caltech-forskeren, siger, at forskere allerede arbejder på at udvikle fluorescerende molekyler, der reagerer direkte på spændingsændringer.

Et andet problem er, at i modsætning til en zebrafisk, som grundlæggende er gennemskinnelig, har den menneskelige hjerne en mælkeagtig konsistens, som er svær at gennemskue. For at håndtere det, siger Roukes, kan det være muligt at glide ultrasmalle siliciumskafter gennem hjernen. Disse ville indeholde den nødvendige hardware til både at udsende lys og detektere det fra nærliggende celler, og omgå problemet med hjernens uigennemsigtighed. Hvis nok af disse søjler blev brugt, kunne hele hjernen blive belyst, beregner Roukes.

Selvom optiske teknikker er lovende, kan FDA være tilbageholdende med at lade videnskabsmænd genmodificere frivilliges hjerner, så de gløder. Roukes siger, at som et resultat heraf planlægger han og hans samarbejdspartnere at præsentere DARPA for et mere konventionelt forslag, der stadig er afhængigt af mere konventionelle elektroder.

DARPA har grunde til at insistere på, at ethvert optagelsesskema skal prøves på mennesker. Agenturet håber, at målet vil tiltrække interesse fra virksomheder inden for medicinsk udstyr samt producenter af halvledere og optiske instrumenter. Uden industriens involvering er der ringe chance for at få hjerne-maskine-grænseflader til at forbedre sig så hurtigt, som computere har gjort.

Ved at forsøge at presse dette ind i mennesker kan de muligvis få nogle teknologiske elementer, som ikke er blevet brugt i dyreforsøg, fordi der ikke har været så meget økonomisk drivkraft for det, siger Adam Marblestone, neuroforsker ved MIT. . Han håber at se noget virkelig seriøst ingeniørarbejde, der har manglet fra akademiske eksperimenter.

skjule