211service.com
Tankeeksperimentet
I en bemærkelsesværdig undersøgelse brugte en lammet kvinde sit sind til at kontrollere en robotarm. Hvis bare der var en realistisk måde at få denne teknologi ud af laboratoriet og ind i det virkelige liv. 17. juni 2014
Jeg var omkring 15 minutter forsinket til mit første telefonopkald med Jan Scheuermann. Da jeg prøvede at undskylde, at hun lod hende vente, stoppede hun mig. Jeg sad ikke bare og ventede på dig, du ved, sagde hun, før hun fangede sig selv. Nå, faktisk jeg var sidder rundt omkring.
Scheuermann, der er 54, har været lammet i 14 år. Hun havde boet i Californien og drevet en deltidsvirksomhed, hvor hun arrangerede mysterie-teatermiddage, hvor gæster spillede roller, som hun gjorde op for dem. Helt rask, gift, med to børn, siger hun. En aften, under en middag, hun havde arrangeret, føltes det, som om hendes ben slæbte bag hende. Jeg fik det til at være en kold snedækket nat, men der var et par trin i huset, og dreng, jeg havde virkelig problemer, siger hun.
Denne historie var en del af vores juli 2014-udgave
- Se resten af problemet
- Abonner
Der fulgte smertefulde måneder med lægebesøg og fejldiagnoser. En neurolog sagde, at hun havde multipel sklerose. På det tidspunkt brugte hun en elektrisk kørestol og falmede hurtigt. Hun troede, hun var ved at dø, så hun flyttede hjem til Pittsburgh, hvor hendes familie kunne tage sig af hendes børn. Til sidst blev hun diagnosticeret med en sjælden sygdom kaldet spinocerebellar degeneration. Hun kan mærke sin krop, men nerverne, der bærer signaler fra hendes hjerne, virker ikke længere. Hendes hjerne siger Flyt, men hendes lemmer kan ikke høre.
For to et halvt år siden skruede lægerne to porte ind i Scheuermanns kranium (hun kalder dem Lewis og Clark). Portene giver forskere mulighed for at indsætte kabler, der forbinder med to tommelfinger-størrelse implantater i hendes hjernes motoriske cortex. To eller tre gange om ugen slutter hun sig til et team af forskere ved University of Pittsburgh og bliver sat i en robotarm, som hun styrer med sindet. Hun bruger den til at flytte blokke, stable kegler, give high fives og posere for fjollede billeder, og gør ting som at lade som om hun slår en forsker eller to ud. Hun kalder armen Hector.
Scheuermann, der siger, at hun i sine drømme ikke er handicappet, gennemgik en hjerneoperation i 2012 efter at have set en video af en anden lam patient, der styrer en robotarm med sine tanker. Hun søgte straks om at komme med på studiet. Under operationen brugte lægerne en luftpistol til at affyre de to små senge af siliciumnåle, kaldet Utah Electrode Array, ind i hendes motoriske cortex, den slanke hjernestrimmel, der løber over toppen af hovedet til kæberne og kontrollerer frivillige bevægelser . Hun vågnede fra operationen med en dunkende hovedpine og det værste tilfælde af købers anger. Hun kunne ikke tro, hun havde fået foretaget en frivillig hjerneoperation. Jeg troede, Venligst, Gud, lad ikke dette være for ingenting. Min største frygt var, at det ikke ville virke, siger hun. Men inden for få dage styrede hun robotarmen, og med uventet succes: Jeg flyttede noget i mit miljø for første gang i årevis. Det var gisp-fremkaldende og spændende. Forskerne kunne heller ikke tørre smilet af deres ansigter i ugevis.

Jan Scheuermann stabler kegler med en tankestyret robotarm, mens forskningsassistent Brian Wodlinger ser hendes arbejde.
Scheuermann er en af omkring 15 til 20 lammede patienter, som har tilsluttet sig langtidsstudier af implantater, der kan formidle information fra hjernen til en computer. Hun er det første emne i Pittsburgh. Ni andre, inklusive personer i de fremskredne stadier af ALS, har gennemgået lignende tests i en nært beslægtet undersøgelse, kaldet BrainGate. Yderligere fire fastlåste patienter, ude af stand til at bevæge sig eller tale, har genvundet en vis evne til at kommunikere takket være en anden type elektrode udviklet af et Georgia-firma kaldet Neural Signals.
En tredjedel af disse patienter er blevet opereret siden 2011, hvor U.S. Food and Drug Administration sagde, at det ville løsne reglerne for at teste virkelig banebrydende teknologier såsom hjerne-maskine-grænseflader. Flere menneskelige eksperimenter er på vej. En hos Caltech ønsker at give en patient autonom kontrol over Googles Android-tablet-operativsystem. Et team ved Ohio State University, i samarbejde med R&D-organisationen Battelle, satte et implantat i en patient i april med den hensigt at bruge patientens hjernesignaler til at kontrollere stimulatorer knyttet til hans arm. Battelle beskriver ideen som at genoplive et lammet lem under frivillig kontrol af deltagerens tanker.
Disse nervøse første-af-en-slags undersøgelser bygger på det faktum, at registrering af den elektriske aktivitet af et par dusin celler i hjernen kan give et ret præcist billede af, hvor nogen har til hensigt at flytte et lem. Vi er teknologisk begrænset til at tage prøver af et par hundrede neuroner, fra milliarder i din hjerne, så det er faktisk fantastisk, at de overhovedet kan få et signal ud, siger Kip Ludwig, direktør for neuralingeniøruddannelsen ved National Institute of Neurological Disorders and Stroke .
Teknologien, der blev brugt i Pittsburgh, blev udviklet i fysiologiske laboratorier til at studere dyr, og den er tydeligvis stadig eksperimentel. De medfølgende ledninger fører fra Scheuermanns kranium til et omfangsrigt stativ af signalprocessorer, forstærkere og computere. Den ni pund tunge robotarm, betalt af militæret, har en fingernem hånd og fingre, der kan lave naturtro bevægelser, men den er kræsen, knækker ofte og er noget farlig. Når tingene ikke fungerer, jager kandidatstuderende blandt virvar af ledninger efter løse forbindelser.
John Donoghue, neuroforskeren ved Brown University, der leder det længerevarende BrainGate-studie, sammenligner nutidens hjerne-maskine-grænseflader med de første pacemakere. Disse tidlige modeller indeholdt også vogne med elektronik, med ledninger slået gennem huden ind i hjertet. Nogle blev håndsvinget. Når man ikke ved, hvad der foregår, holder man så meget som muligt på ydersiden og så lidt som muligt på indersiden, siger Donoghue. I dag er pacemakere dog selvstændige, drevet af et langtidsholdbart batteri og installeret på en læges kontor. Donoghue siger, at hjerne-maskine-grænseflader er i begyndelsen af en lignende bane.
For at hjernekontrollerede computere kan blive et medicinsk produkt, skal der være et økonomisk rationale, og risiciene skal opvejes af belønningen. Indtil videre er Scheuermanns sag kommet tættest på at vise, at disse betingelser kan opfyldes. I 2013 rapporterede Pittsburgh-teamet om sit arbejde med Scheuermann i det medicinske tidsskrift Lancet . Efter to uger, rapporterede de, kunne hun bevæge robotarmen i tre dimensioner. Inden for et par måneder kunne hun lave syv bevægelser, herunder at rotere Hectors hånd og flytte tommelfingeren. På et tidspunkt blev hun filmet, da hun gav sig selv en bid af en chokoladebar, et mål hun havde sat sig.
Forskerne forsøgte at vise, at de var tæt på noget praktisk – at hjælpe med såkaldte dagligdagsopgaver, som de fleste tager for givet, som at børste tænder. Under undersøgelsen blev Scheuermanns evner undersøgt ved hjælp af Action Research Arm Test, det samme sæt af træklodser, kugler og kopper, som læger bruger til at evaluere håndfærdighed hos personer med nylige skader. Hun scorede 17 ud af 57, eller omtrent lige så godt som en person med et alvorligt slagtilfælde. Uden Hector ville Scheuermann have scoret nul. De konstaterede resultater 60 minutter .
Først var det succes, succes, succes, men Scheuermann siger, at ingen fortalte hende, at implantatet måske stoppede med at virke. Gradvist optager den fra færre neuroner. Hendes kontrol over robotarmen er ved at blive svækket.
Siden tv-kameraerne gik væk, er nogle af manglerne ved teknologien dog blevet tydelige. Først blev Scheuermann ved med at demonstrere nye evner. Det var succes, succes, succes, siger hun. Men det er blevet sværere at kontrollere Hector. Årsagen er, at implantaterne med tiden holder op med at optage. Hjernen er et fjendtligt miljø for elektronik, og små bevægelser af arrayet kan også opbygge arvæv. Effekten er velkendt af forskere og er blevet observeret hundredvis af gange hos dyr. En efter en kan færre neuroner påvises.
Scheuermann siger, at ingen fortalte hende. Holdet sagde, at de forventede tab af neuronsignaler på et tidspunkt. Det var jeg ikke, så jeg blev overrasket, siger hun. Hun styrer nu rutinemæssigt robotten i kun tre til fem dimensioner, og hun har gradvist mistet evnen til at åbne og lukke dens tommelfinger og fingre. Var dette overhovedet som hendes oplevelse af at blive lammet? Jeg stillede hende spørgsmålet et par dage senere via e-mail. Hun svarede i en besked skrevet af en hjælper, der bliver hos hende de fleste dage: Jeg var skuffet over, at jeg nok aldrig ville gøre det bedre, end jeg allerede havde gjort, men accepterede det uden vrede eller bitterhed.
genoplivning
Forskeren, der planlagde Pittsburgh-eksperimentet, er Andrew Schwartz, en mager Minnesotan, hvis laboratorium optager et solbelyst gulv domineret af tre grå metaltårne af udstyr, der bruges til at overvåge aber i tilstødende suiter. Set på tv med lukket kredsløb trodser scenerne inde fra forsøgsrummene troen. På den ene skærm roterer et metalhjul gentagne gange og ændrer positionen af et lys orange håndtag. Efter hver omdrejning rækker en stor robothånd op fra kanten af skærmen for at få fat i håndtaget. Midt i spindemaskineriet er det let at savne det grå og lyserøde ansigt på næseaben, der styrer alt dette fra et kabel i hovedet.

Utah Electrode Array, der blev opfundet i 1990'erne, har 96 siliciumnåle, der registrerer de elektriske impulser fra neuroner inde i hjernen.
Teknologien har sine rødder i 1920'erne, med opdagelsen af, at neuroner formidler information via elektriske pigge, der kan optages med en tynd metaltråd eller elektrode. I 1969 havde en forsker ved navn Eberhard Fetz forbundet en enkelt neuron i en abes hjerne til en skive, som dyret kunne se. Aben, opdagede han, lærte at få neuronen til at fyre hurtigere for at flytte skiven og få en belønning af en pellet med banansmag. Selvom Fetz ikke var klar over det på det tidspunkt, havde han skabt den første hjerne-maskine-grænseflade.
Schwartz var med til at udvide denne opdagelse for 30 år siden, da fysiologer begyndte at optage fra mange neuroner i levende dyr. De fandt ud af, at selvom hele den motoriske cortex bryder ud i en flamme af elektriske signaler, når et dyr bevæger sig, vil en enkelt neuron have en tendens til at skyde hurtigst i forbindelse med visse bevægelser - for eksempel at bevæge din arm til venstre eller op eller bøje albuen - men mindre ellers hurtigt. Optag fra nok neuroner, og du kan få en nogenlunde idé om, hvilken bevægelse en person laver, eller blot har til hensigt. Det er ligesom en politisk meningsmåling, og jo flere neuroner man spørger, jo bedre bliver resultatet, siger han.
De 192 elektroder på Scheuermanns to implantater har registreret mere end 270 neuroner ad gangen, hvilket er det mest, der nogensinde er målt samtidigt fra et menneskes hjerne. Schwartz siger, at det er grunden til, at hendes kontrol over robotten har været så god.
De neuronale signaler fortolkes af software kaldet en dekoder. I årenes løb byggede videnskabsmænd bedre og bedre dekodere, og de prøvede mere ambitiøse kontrolordninger. I 1999 trænede neuroforskeren Miguel Nicolelis fra Duke University en rotte til at svinge en udkrager med sindet for at opnå en belønning. Tre år senere fik Donoghue en abe til at flytte en markør i to dimensioner hen over en computerskærm, og i 2004 havde hans BrainGate-team udført den første langsigtede menneskelige test af Utah-arrayet, hvilket viste, at selv en person, hvis lemmer var blevet lammet for år kunne styre en markør mentalt. I 2008 havde Schwartz en abe, der greb og fodrede sig selv med en skumfidus med en robothånd.
Nogle lammede mennesker begynder at se på elektronik som deres bedste chance for helbredelse. Jeg tager det! Klip min døde arm af og giv mig en robot, som jeg kan FØLE med tak! skrev en.
Scheuermann har hurtigt været i stand til at prøve mange nye opgaver. Hun er blevet bedt om at styre to robotarme på én gang og løfte en kasse (jeg klarede det kun en eller to gange, siger hun). Nogle resultater er mærkelige: Scheuermann er i stand til at lukke Hectors fingre omkring en plastikkegle, men ofte kun hvis hun lukker øjnene først. Afspejles tilstedeværelsen af keglen på en eller anden måde i neuronernes affyringsmønstre? Schwartz har brugt måneder på at finde ud af det. Bag sådanne usikkerhedspunkter kan ligge store opdagelser om, hvordan hjernen forbereder og udfører handlinger.
Scheuermann fik engang sin medhjælper til at klæde hende i klæbende rottehår og en sløret hale for at hilse på forskere. Det var en mørk humoristisk måde at erkende, at disse eksperimenter afhænger af menneskelige frivillige. De er ikke nær så svære at træne som de her fyre, siger Schwartz og rykker med tommelfingeren til rækken af abeværelser.
Disse frivillige er fanget; nogle af dem håber desperat, at videnskaben kan give en flugt. Realistisk set er det usandsynligt i deres levetid. Den første BrainGate-frivillige var en 25-årig ved navn Matt Nagle, som havde åndet gennem en ventilator, siden hans rygmarv blev overskåret under et knivslagsmål. Han var i stand til at flytte en markør på en skærm i 2004. Men Nagle ville også begå selvmord og forsøgte at få andre til at hjælpe ham med det, iflg. Manden med den bioniske hjerne , en bog skrevet af hans læge. Han døde af en infektion i 2007. På online chatboards, hvor lammede mennesker udveksler håbefulde nyheder om mulige helbredelser, såsom stamceller, afviser nogle hjerne-maskine-grænseflader som skøre. Andre begynder at tro, at det er deres bedste chance. Jeg tager det! Klip min døde arm af og giv mig en robot, som jeg kan FØLE med tak! skrev en.
Schwartz siger, at han håber at generere fysiske fornemmelser fra robotarmen i år, hvis han kan finde en anden quadriplegisk frivillig. Ligesom Scheuermann vil den næste patient modtage to arrays i den motoriske cortex for at styre robotarmen. Men Schwartz siger, at kirurger vil placere yderligere to implantater i den frivilliges sensoriske cortex; disse vil modtage signaler fra tryksensorer, der er fastgjort til robotfingerspidserne. Undersøgelser fra Nicolelis' Duke-laboratorium viste for nylig, at dyr sanser og reagerer på sådanne elektriske input. Vi ved ikke, om emnet vil føle det som berøring, siger Schwartz. Det er meget groft og forenklet og et utvivlsomt forkert sæt antagelser, men du kan ikke spørge aben, hvad han lige følte. Vi tror, det vil være et nyt videnskabeligt fund. Hvis patienten kan sige, hvordan det føles, vil det være en nyhed.
Et andet nøglemål, som deles af Schwartz og BrainGate-forskerne, er at forbinde en frivilligs motoriske cortex til elektroder placeret i hans eller hendes lemmer, hvilket ville få musklerne til at trække sig sammen - for eksempel for at åbne og lukke en hånd. I april annoncerede Ohio-kirurgerne, der arbejder med Battelle, at de ville være de første til at prøve det. De satte et hjerneimplantat i en mand med en rygmarvsskade. Og så snart patienten kommer sig, siger Battelle, vil de igangsætte tests for at genoplive hans fingre, håndled og hånd. Vi vil gerne hjælpe nogen med at få kontrol over deres eget lem, siger Chad Bouton, ingeniøren med ansvar for projektet, som tidligere har samarbejdet med BrainGate-gruppen. Kan nogen tage en fjernbetjening til fjernsynet og skifte kanal? Selvom Battelle ikke har vundet godkendelse fra regulatorer til at prøve det, siger Bouton, at det åbenlyse næste skridt er at prøve et tovejssignal til og fra et lammet lem, der kombinerer kontrol og fornemmelse.
Interface problemer
Hjerne-maskine-grænseflader kan virke, som om de udvikler sig hurtigt. Hvis du spole frem fra den første video af den abe til nogen, der flytter en robot i syv dimensioner, samler ting op, lægger dem ned, er det ret dramatisk, siger Lee Miller, neurofysiolog ved Northwestern University. Men hvad der bogstaveligt talt ikke har ændret sig, er rækken. Det er Stanley Steamer af hjerneimplantater. Selvom du demonstrerer kontrol, vil det forsvinde om to til tre år. Vi har brug for en grænseflade, der holder 20 år, før dette kan blive et produkt.
Utah-arrayet blev udviklet i begyndelsen af 1990'erne som en måde at optage fra cortex, oprindeligt hos katte, med minimale traumer i hjernen. Det menes, at arvæv opbygges omkring de nålelignende optagespidser, hver 1,5 millimeter lange. Hvis det grænsefladeproblem er løst, siger Miller, kan han ikke se nogen grund til, at der ikke kunne være 100.000 mennesker med hjerneimplantater til at styre kørestole, computermarkører eller deres egne lemmer. Schwartz tilføjer, at hvis det også er muligt at måle fra nok neuroner på én gang, kunne nogen endda spille klaver med en tankestyret robotarm.

Den modulære proteselem blev designet af Johns Hopkins University's Applied Physics Laboratory og finansieret af DARPA.
Forskere forfølger flere ideer til at forbedre hjernens grænseflade. Der er bestræbelser på at udvikle ultratynde elektroder, versioner, der er mere kompatible med kroppen, eller ark af fleksibel elektronik, der kan vikle sig rundt om toppen af hjernen. I San Francisco studerer læger, om sådanne overfladeelektroder, selvom de er mindre præcise, kan bruges i en dekoder til tale, hvilket potentielt giver en person som Stephen Hawking mulighed for at tale via en hjerne-computer-grænseflade. I et ambitiøst projekt, der blev lanceret sidste år ved University of California, Berkeley, forsøger forskere at udvikle det, de kalder neuralt støv. Målet er at sprede mikron-størrelse piezoelektriske sensorer i hele hjernen og bruge reflekterede lydbølger til at fange elektriske udladninger fra nærliggende neuroner.
Jose Carmena, en Berkeley-forsker, der ligesom Schwartz arbejder med aber for at teste grænserne for tankekontrol, mødes nu ugentligt med en gruppe på et dusin videnskabsmænd for at skitsere planer for bedre måder at optage fra neuroner på. Men uanset hvad de finder på, skulle det testes på dyr i årevis, før det kunne prøves på en person. Jeg tror ikke, at Utah-arrayet kommer til at blive hjernens pacemaker, siger han. Men måske er det, vi ender med at bruge, ikke så anderledes. Du kan ikke se den nyeste computer i rummissioner. Du har brug for den mest robuste teknologi. Det er den samme slags her.
Tal spil
For at lykkes skal ethvert nyt medicinsk udstyr være sikkert, nyttigt og økonomisk levedygtigt. Lige nu opfylder hjerne-maskine-grænseflader ikke disse krav. Et problem er risikoen ved hjernekirurgi og risikoen for infektion. Hos Brown siger Donoghue, at BrainGate-teamet næsten er færdig med at udvikle en trådløs sender, på størrelse med en cigarettænder, der ville gå ind under en persons hud og reducere infektionsrisikoen ved at slippe af med piedestaler og ledninger, der danner hjerne-maskine-grænseflader så uhåndterligt. Donoghue siger, at med et trådløst system kan implantater snart være en realistisk medicinsk mulighed.
Men det rejser et andet vanskeligt problem: hvad vil patienter kontrollere? Den arm, Scheuermann styrer, er stadig en enormt dyr prototype, og den går ofte i stykker. Hun er bekymret for, at ikke alle havde råd til en. I stedet mener Leigh Hochberg, en neurolog ved Massachusetts General Hospital, som driver BrainGate-undersøgelsen med Donoghue, at de første brugere sandsynligvis vil være indelukkede patienter, som hverken kan bevæge sig eller tale. Hochberg ville betragte det som et gennembrud at give sådanne patienter pålidelig tankekontrol over en computermus. Det ville lade dem skrive ord eller skifte kanal på et fjernsyn.
Alligevel kan selv fastlåste patienter ofte bevæge deres øjne. Det betyder, at de har enklere måder at kommunikere på, som at bruge en eyetracker. En undersøgelse af 61 ALS-patienter fra University of Michigan viste, at omkring 40 procent af dem ville overveje at gennemgå en operation for et hjerneimplantat, men kun hvis det ville lade dem kommunikere mere end 15 ord i minuttet (en femtedel af de mennesker, der reagerede på undersøgelsen var allerede ude af stand til at tale). BrainGate har endnu ikke rapporteret så høje hastigheder.
Uden et klart defineret produkt at skyde efter, er ingen stor virksomhed hoppet ind for at skabe en neuroprotetik til quadriplegics. En startup gik konkurs efter at have indsamlet mere end 30 millioner dollars.
Alle dele af teknologien er på et eller andet niveau blevet løst, siger Andy Gotshalk, CEO for Blackrock Microsystems, som fremstiller Utah-arrayet og har erhvervet noget af BrainGate-teknologien. Men hvis du spørger mig, hvad produktet er - er det en armprotese eller er det en kørestol, du styrer? - så ved jeg det ikke. Der er et produkt på højt niveau i tankerne, som skal gøre livet for quadriplegics meget lettere. Men præcis, hvad det ville være, er ikke blevet defineret. Det er bare ikke konkret. Forskerne får nogle publikationer på højt niveau, men jeg er nødt til at tænke på forretningsplanen, og det er et problem.
Uden et klart produkt at skyde efter er ingen stor virksomhed nogensinde hoppet i. Og risiciene for en virksomhed er særligt høje, fordi der er relativt få patienter med komplet quadriplegi - omkring 40.000 i USA - og endnu færre med fremskreden ALS. Et firma, som Donoghue oprettede, Cyberkinetics, gik konkurs efter at have rejst mere end 30 millioner dollars. Forskere klarer sig i stedet for små bevillinger, der er ubetydelige sammenlignet med en typisk kommerciel indsats for at udvikle et nyt medicinsk udstyr, som kan koste 100 millioner dollars. Der er ikke en eneste virksomhed derude, der er villig til at sætte pengene ind for at skabe en neuroprotetik til quadriplegics, og markedet er ikke stort nok til, at en venturekapitalist kan komme ind, siger Gotshalk. Tallene stemmer ikke.
Andre mener, at teknologien bag hjerne-maskine-grænseflader kan have uventede applikationer, langt væk fra at kontrollere robotarme. Mange forskere, herunder Carmena og holdet på Battelle, forsøger at afgøre, om grænsefladerne kan hjælpe med at rehabilitere patienter med slagtilfælde. Fordi de danner et stort marked, ville det være en game changer, siger Carmena. Nogle af optagelsesteknologierne kan være nyttige til at forstå psykiatriske sygdomme som depression eller tvangslidelser.
I Scheuermanns tilfælde har hendes hjerne-maskine-grænseflade i det mindste vist sig at være kraftfuld medicin. Da hun først ankom til Pittsburgh, siger hendes læger, at hendes affekt var flad, og hun smilede ikke. Men at være en del af eksperimentet gav hende energi. Jeg elskede det. Jeg havde kolleger for første gang i 20 år, og jeg følte mig trængt, siger hun. Hun var færdig med at diktere en mysterieroman, Skarp som en agurk , at hun var startet, før hun blev syg, og udgav det på nettet. Nu arbejder hun på en anden. Scheuermann fortalte mig, at hun gerne ville have en robotarm derhjemme. Hun ville være i stand til at åbne døren, rulle ind på sin græsplæne og tale med naboer. Måske ville hun åbne køleskabet og snuppe en sandwich, som hendes hjælper havde lavet til hende.
Vores opkald var ved at afslutte. Øjeblikket var akavet. Jeg kunne lægge røret på, men hun kunne ikke. Hendes mand var taget ud og handle. Hector var tilbage i laboratoriet. Hun var alene og kunne ikke bevæge sig. Det er i orden, sagde Scheuermann. Jeg lader bare telefonen glide ned på gulvet. Farvel.
