Rząd poszukuje interfejsu komputer-mózg o wysokiej wierności

Konrad Kording widział przyszłość neuronauki i uważa ją za przygnębiającą.

Kilka lat temu Kording, naukowiec zajmujący się danymi z Northwestern University zainteresowany neuronauką, postanowił zbadać, ile neuronów naukowcy kiedykolwiek zarejestrowali jednocześnie w mózgu żywego zwierzęcia. Rejestrowanie elektrycznej paplaniny neuronów jest czymś, co będziemy musieli zrobić znacznie więcej, jeśli chcemy zrozumieć świadomość lub opracować sposoby przywracania ruchu sparaliżowanym osobom.

Rezultatem był rok 2011 Neuronauka przyrody artykuł szczegółowo opisujący prawo Stevensona – nazwane tak na cześć doktoranta i pierwszego autora Iana Stevensona. Podobnie jak w przypadku prawa Moore'a, które przewiduje podwojenie mocy obliczeniowej co dwa lata, prawo Stevensona również udokumentowało wykładniczy wzrost liczby neuronów, które naukowcy byli w stanie zarejestrować w jednym czasie. Jednak chociaż wszyscy są szczęśliwi i pod wrażeniem prawa Moore'a, Kording mówi, że wszyscy w neuronauce chcą, aby prawo Stevensona umarło.

Obraz mikroskopowy czujników wapnia (zielony), jąder neuronów (czerwony) i komórek podporowych zwanych astrocytami.

Powodem jest to, że każdy z nas ma w mózgu około 80 miliardów neuronów. Jednak dane pokazały, że od lat 20. XX wieku, kiedy naukowcy po raz pierwszy podsłuchiwali impulsy elektryczne pojedynczego neuronu, podwajali tę liczbę tylko co siedem lat, do około 500 naraz. W tym tempie, mówi Kording, wszyscy umrzemy, zanim będziemy mogli nagrać choćby część mózgu myszy. To nie fajne.

W tym tygodniu wielu neurobiologów uda się do Arlington w Wirginii, aby omówić, w jaki sposób mogą złamać prawo Stevensona. Losowanie to sympozjum określające wymagania dla nowego programu Departamentu Obrony o nazwie Projektowanie systemów inżynierii neuronowej, który ma przeznaczyć 60 milionów dolarów w ramach inicjatywy BRAIN prezydenta Obamy. Cel: opracowanie technologii umożliwiających rejestrację z miliona neuronów jednocześnie w ciągu zaledwie czterech lat.

Ale to dopiero początek. Agencja administrująca programem DARPA również chce urządzenia, które może stymulować co najmniej 100 000 neuronów w mózgu. Musi być bezprzewodowa, a wszelka elektronika musi zmieścić się w opakowaniu niewiele większym od pięciocentówki. Wreszcie, oczekuje się, że badacze spełnią wymogi bezpieczeństwa niezbędne do prowadzenia badań na ludziach, co wymaga zwolnienia urządzenia badawczego z amerykańskiej Agencji ds. Żywności i Leków.

Michael Roukes, profesor fizyki i bioinżynierii w Caltech, nazywa ramy czasowe niezwykle agresywnymi. Tendencja agencji do wyznaczania ambitnych celów, które nie zawsze są osiągane, znana jest jako szaleństwo DARPA.

Ale rozumiem model, mówi. Zróbmy zdjęcie księżyca, prawda?

Cel projektu nie dziwi Roukes. Deklarowanym celem Inicjatywy BRAIN (patrz: Dlaczego projekt mapowania mózgu Obamy ma znaczenie) jest opracowanie sposobów czytania — i pisania — wielkoskalowych zespołów komórek mózgowych, które składają się na obwody mózgu i współpracują ze sobą, abyśmy mogli postrzegać i reagować na świat. Aby to zrobić, jasne jest, że sprzęt neuronauki wymaga poważnej modernizacji.

„Najważniejsze jest opracowanie technologii pozwalającej na pobranie kompletnego obwodu nerwowego — powiedzmy mózgu małego zwierzęcia lub fragmentu kory myszy lub człowieka — i zapis z każdego znajdującego się tam neuronu — mówi Rafael Yuste, neurobiolog z Columbia University. Yuste mówi, że większość naukowców nadal używa nagrań, w których ludzie przyklejają się do tych elektrod i rejestrują aktywność jednego neuronu u zwierzęcia lub jednego pacjenta. Wyobraź sobie, że próbujesz analizować orkiestrę [słuchając] tego, co gra pojedynczy instrument.

Aktualne zapisy nagrań są prowadzone przez zespoły próbujące opracować interfejsy mózg-maszyna dla sparaliżowanych ludzi, technologię, która również interesuje DARPA. Zespołom z Brown University i University of Pittsburgh, między innymi, udało się wykorzystać szereg ostrych krzemowych igieł do rejestrowania od 200 do 300 neuronów jednocześnie w mózgach ochotników. To wystarczy, aby z grubsza odczytać ruchy ręki i ręki, o których myśli dana osoba, i użyć sygnału do poruszania ramieniem robota (patrz Eksperyment z myślami) lub do kierowania wózkiem inwalidzkim.

Widzimy dzisiaj, jak poruszają się roboty, mówi Jonathan Wolpaw, ekspert ds. interfejsów mózg-komputer w Wadsworth Center nowojorskiego Departamentu Zdrowia. Ale nie są niczym, co jest prawie gotowe do wyniesienia z laboratorium. Nie ma BCI, którego chciałbyś teraz używać do kontrolowania wózka inwalidzkiego na krawędzi klifu lub do jazdy w dużym natężeniu ruchu.

Jednym z powodów, dla których neurobiolodzy są pewni, że większe zespoły neuronów posiadają odpowiedzi, jest to, że przeciętny neuron wystrzeliwuje co najwyżej kilka razy na sekundę. Jednak ruch opiera się na korektach zachodzących w skali czasu, która jest co najmniej 10 razy szybsza. Oznacza to, że żaden pojedynczy neuron nie może zawierać informacji potrzebnych do zakodowania zawiłości ruchu tanecznego lub gry na pianinie. Kording mówi, że ruch jest rozłożony na wiele milionów neuronów w wielu obszarach mózgu. Według moich szacunków potrzebujemy co najmniej 1000 razy więcej neuronów do niesamowitego urządzenia protetycznego.

Jedną ze strategii, jak się tam dostać, jest zmniejszenie rozmiaru elektrod, aby bioinżynierowie mogli wepchnąć ich więcej do mózgu za jednym razem. Takie podejście jest przyjmowane na Uniwersytecie Duke, mówi Michaił A. Lebiediew, starszy naukowiec w grupie, która obecnie twierdzi, że kilka zapisów neuronalnych u małp odczytuje około 500 neuronów na raz, co udało się przez drobiazgowe wkładanie wiązek cienkich elektrod w mózg małpy.

Inni uważają, że potrzebne są zupełnie nowe podejścia. Na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley naukowcy badają pył neuronowy składający się z mikroskopijnych, swobodnie unoszących się czujników, które mogą rozprzestrzeniać się po mózgu. Obiecujące są również techniki optyczne. W 2013 r. Misha Ahrens, neurobiolog z kampusu Janelia Farms w Howard Hughes Medical Institute, wykazał, że może rejestrować ze 100 000 neuronów – praktycznie całego mózgu danio pręgowanego – poprzez genetyczną modyfikację ich świecenia po odpaleniu. Ahrens mówi, że obserwowanie tak wielu neuronów naraz już generuje pewne niespodzianki. Możesz znaleźć obszary, które są związane z zachowaniem, w których byś nie wyglądał inaczej, mówi.

Osiągnięcia Ahrensa nie liczą się do celu DARPA ani do złamania prawa Stevensona, ponieważ jego metoda nie wyłapuje impulsów elektrycznych neuronów dokładnie wtedy, gdy one występują. Dzieje się tak, ponieważ świecące cząsteczki są wyzwalane przez zmiany stężenia wapnia, które zachodzą wewnątrz komórki dopiero po jej odpaleniu. Roukes, naukowiec z Caltech, mówi, że naukowcy już pracują nad stworzeniem molekuł fluorescencyjnych, które reagują bezpośrednio na zmiany napięcia.

Innym problemem jest to, że w przeciwieństwie do danio pręgowanego, który jest w zasadzie przezroczysty, ludzki mózg ma mleczną konsystencję, którą trudno przejrzeć. Aby sobie z tym poradzić, mówi Roukes, możliwe jest przesuwanie ultrawąskich trzonków krzemowych po mózgu. Zawierałyby one sprzęt niezbędny zarówno do emitowania światła, jak i wykrywania go z pobliskich komórek, aby obejść problem zmętnienia mózgu. Gdyby użyto wystarczającej liczby tych filarów, cały mózg mógłby zostać oświetlony, oblicza Roukes.

Chociaż techniki optyczne są obiecujące, FDA może niechętnie pozwolić naukowcom genetycznie modyfikować mózgi ochotników, aby świeciły. Roukes mówi, że w rezultacie on i jego współpracownicy planują przedstawić DARPA bardziej konwencjonalną propozycję, która nadal opiera się na bardziej konwencjonalnych elektrodach.

DARPA ma powody, by nalegać na wypróbowanie jakiegokolwiek schematu rejestrowania na ludziach. Agencja ma nadzieję, że cel ten wzbudzi zainteresowanie firm produkujących wyroby medyczne, a także producentów półprzewodników i przyrządów optycznych. Bez zaangażowania branży istnieje niewielka szansa, że ​​interfejsy mózg-maszyna ulepszą się tak szybko, jak komputery.

Próbując wepchnąć to ludziom, mogą być w stanie uzyskać pewne elementy technologiczne, które nie były wykorzystywane w eksperymentach na zwierzętach, ponieważ nie było to tak dużego czynnika ekonomicznego, mówi Adam Marblestone, neurobiolog z MIT . Ma nadzieję, że zobaczy naprawdę poważną inżynierię, której brakuje w eksperymentach akademickich.

ukryć