Siła mózgu

W małym laboratorium na Brown University w Providence, RI, makak rezus siedzi na krześle naprzeciwko ekranu komputera, trzymając za rączkę urządzenia, które wygląda bardzo podobnie do steru żaglówki. W tej chwili małpa używa tego urządzenia jak joysticka komputerowego do sterowania prostą grą wideo: na ekranie pojawia się kolorowa kropka, a zwierzę porusza kursorem, aby ją spotkać. Jednak gdy zwierzę dobrze sobie poradzi, naukowcy w sąsiednim pokoju przełączą przełącznik i to sygnały prosto z mózgu małpy, a nie ruchy joysticka, będą kierować kursorem.

Ten niesamowity wyczyn jest możliwy, ponieważ naukowcy, kierowani przez neurobiologa Browna Johna Donoghue, wszczepili maleńki zestaw elektrod do mózgu małpy. Elektrody przechwytują sygnały z poszczególnych neuronów w mózgu, a specjalnie opracowany algorytm komputerowy tłumaczy te sygnały na trajektorie i prędkości dla kursora komputera. Ambicje naukowców wykraczają jednak daleko poza małpy grające w gry wideo. Mają nadzieję, że ich system interfejsu mózg-maszyna da pacjentom sparaliżowanym przez urazy rdzenia kręgowego lub choroby neurodegeneracyjne nowe zdolności do interakcji z otaczającym ich światem, wykorzystując jedynie siłę ich myśli.

Ta historia była częścią naszego wydania z kwietnia 2002 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Donoghue i jego zespół uruchomili Cyberkinetykę w czerwcu 2001 roku, aby zrealizować tę wizję. Firma jest jedną z pierwszych, które powstały w wyniku badań interfejsów mózg-maszyna, które do tej pory były kierowane głównie do kilku laboratoriów akademickich na całym świecie ( zobacz interfejsy mózg-maszyna , DZIECI styczeń/luty 2001 ). I chociaż wiele pozostaje do zrobienia, system taki jak Cyberkinetyka, który łączy się bezpośrednio z mózgiem, teoretycznie może dać sparaliżowanym pacjentom środki do kontrolowania komputerów, robotów pomocniczych – a być może nawet ich własnych mięśni. Cyberkinetyka zamierza rozpocząć testowanie tej teorii na ludziach do końca tego roku.

W badaniach na małpach, które utorują drogę testom na ludziach, firma, w skład której wchodzą współzałożyciele Nicholas Hatsopoulos z University of Chicago, Brown MD / doktorant Mijail Serruya i Gerhard Friehs, neurochirurg z Providence's Rhode Island Hospital, koncentruje się na obszar mózgu, który wydaje polecenia ramieniu małpy. Friehs zaczyna od wszczepienia w ten obszar czteromilimetrowej matrycy składającej się ze 100 elektrod, która znajduje się w najbardziej zewnętrznej warstwie mózgu, mniej więcej w połowie drogi między uchem a czubkiem czaszki. Po operacji mała wiązka przewodów wije się z tablicy przez otwór w czaszce zwierzęcia; te przewody są podłączone do komputera, dostarczając sygnały elektryczne generowane przez neurony wystrzeliwane w pobliżu każdej elektrody do maszyny.

Hatsopoulos siedzi przy komputerze, podczas gdy podłączona małpa ćwiczy grę wideo w sąsiednim pokoju. Aktywność mózgu wychwytywana przez matrycę miga na ekranie jako mieszanina hiperkinetycznych wykresów podobnych do EKG; słyszalne przez głośniki komputera, sygnały mózgowe trzaskają, trzaskają i trzaskają jak ryżowe ciasteczka w mleku. Hatsopoulos podkręca głośność. Nigdy nie znudzi mi się słuchanie tego, mówi. To naprawdę przypomina czytanie w umyśle, podsłuchiwanie komórek w mózgu, gdy małpa o czymś myśli. Oprogramowanie do rozpoznawania wzorców wyławia impulsy sygnału – każdy reprezentujący pojedyncze odpalenie pojedynczego neuronu – z szumu tła mózgu i koreluje je z pozycją ramienia małpy. Niesamowitą rzeczą, mówi Donoghue, jest to, że bardzo szybko można wyczuć aktywność neuronów i wydobyć trajektorię ręki. Rzeczywiście, używając zaledwie trzech minut danych z ćwiczenia gry wideo, komputer może zbudować model zdolny do ekstrapolacji ruchów ramion małpy na podstawie samego sygnału mózgowego. Po dopracowaniu modelu komputer może wykorzystać sygnał z mózgu do kierowania kursorem lub ramieniem robota w czasie rzeczywistym.

Tak obiecujące wyniki są częścią tego, co zainspirowało naukowców do uruchomienia Cyberkinetyki i dążenia do prób klinicznych. Tak wiele już wiemy; teraz użyjmy go, mówi Serruya. Uczestnicy pierwszych testów Cyberkinetyki na ludziach będą zamkniętymi pacjentami, którzy z powodu urazu, udaru lub choroby neurologicznej są całkowicie sparaliżowani, niezdolni nawet do komunikowania się z wyjątkiem subtelnych ruchów oczu. Podczas tych wstępnych prób firma wszczepi matrycę elektrod, wyprodukowaną przez firmę Bionic Technologies z Salt Lake City, ale sprzęt do przetwarzania sygnału i zasilacz pozostaną poza ciałem. Jeśli te pierwsze testy na ludziach potwierdzą obietnicę eksperymentów na małpach, firma planuje dalszy rozwój technologii, aby stworzyć całkowicie wszczepialne urządzenie.

Do tej pory tylko jedna firma przeprowadziła testy implantu rejestrującego mózg na ludziach w celu przywrócenia funkcji u sparaliżowanych pacjentów: Atlanta, GA-based Neural Signals. Zamiast matrycy elektrod firma wszczepia dwie elektrody neurotroficzne – szklane rurki zawierające maleńkie druciki i substancję, która pobudza komórki mózgowe do wrastania w urządzenia. Założyciel neurologa i neuronowych sygnałów, Philip Kennedy, mówi, że badania, rozpoczęte w 1997 roku, idą wolniej, niż początkowo oczekiwał, ale firma powinna osiągnąć jasne wyniki do końca roku. Badacze cyberkinetyki są jednak przekonani, że wszczepienie 100 elektrod zamiast tylko dwóch wzmocni ich system i pozwoli zebrać więcej informacji z mózgu.

Chociaż ostatnie prace nad interfejsami mózg-maszyna są zachęcające, nadal istnieją pewne istotne przeszkody, mówi William Heetderks, szef Programu Protez Neuronowych National Institutes of Health, który pomaga finansować badania nad interfejsami mózg-maszyna. Być może największym wyzwaniem, mówi Heetderks, jest zbudowanie interfejsu między urządzeniem rejestrującym (sztywnym elementem sprzętowym) a mózgiem (gąbczastą masą unoszącą się w płynie mózgowo-rdzeniowym), który utrzyma swoją dokładną pozycję przez dziesięciolecia, pomimo niewielkich ruchów mózgu . Podczas gdy urządzenia Kennedy'ego i Donoghue reprezentują postęp na tym froncie - Kennedy'ego poprzez zachęcanie komórek do wzrostu w urządzeniu i ustabilizowania połączenia, Donoghue chwyta mózg tak, jak korki golfowe trzymają mokrą ziemię - Heetderks uważa, że ​​pewna kombinacja podejść może być ostatecznie konieczna . W tym momencie, mówi Heetderks, badania na ludziach mogą być jeszcze trochę przedwczesne. Ale oczywiście to tylko jedna opinia.

Greg Licholai, dyrektor ds. przedsięwzięć i rozwoju biznesu w dziale neurologicznym firmy Medtronic z siedzibą w Minneapolis, ma inny pogląd. To naprawdę przełom w podejściu do zaburzeń neurologicznych, mówi Licholai o wysiłkach Donoghue. Nie sądzę, że będzie problem z rekrutacją pacjentów, a system został dobrze sprawdzony na modelu zwierzęcym. Jedyną potencjalną przeszkodą jest to, jak długo zajmuje im sporządzenie dokumentów i uzyskanie zgody FDA na te na wczesnym etapie badania.

Menedżer biznesowy Cyberkinetyki i jedyny pracownik, licencjat z Brown, Mikhail Shapiro, pomaga firmie szukać zespołu zarządzającego i finansuje, którego będzie potrzebować, aby uporządkować papierkową robotę i przeprowadzić testy na ludziach. Shapiro i założyciele firmy zdają sobie sprawę, że staną przed wyzwaniami zarówno biznesowymi, jak i technologicznymi, ale są też przekonani, że, jak mówi Hatsopoulos, to jest prawdziwe. To naprawdę pomoże ludziom.

ukryć