211service.com
Wojsko USA próbuje czytać w myślach
Nowy program badawczy DARPA opracowuje interfejsy mózg-komputer, które mogą kontrolować roje dronów, działające z prędkością myśli. A jeśli to się uda?
16 października 2019 r.
Ilustracja przedstawiająca interfejs żołnierza i mózgu Enrico Nagel
W sierpniu trójka doktorantów z Carnegie Mellon University stłoczyła się razem w małym laboratorium w piwnicy bez okien, używając ramy drukarki 3D wyposażonej w ławę przysięgłych, aby zaatakować kawałek mózgu myszy prądem.
Fragment mózgu wycięty z hipokampa wyglądał jak kawałek cienko pokrojonego czosnku. Spoczywało na platformie w pobliżu środka ustrojstwa. Wąska rurka zanurzyła plasterek w roztworze soli, glukozy i aminokwasów. To utrzymało go przy życiu, w pewien sposób: neurony w skrawku nadal działały, umożliwiając eksperymentatorom zbieranie danych. Szereg elektrod pod plasterkiem dostarczał impulsy elektryczne, podczas gdy metalowa sonda przypominająca strzykawkę mierzyła reakcję neuronów. Jasne lampy LED oświetlały czaszę. Konfiguracja, używając żargonu członków laboratorium, była trochę dziwaczna.
Ta historia była częścią naszego wydania z listopada 2019 r.
- Zobacz resztę numeru
- Subskrybuj
Monitor obok urządzenia wyświetlał bodziec i reakcję: impulsy elektryczności z elektrod były śledzone milisekundy później, gdy neurony odpalały. Później badacze umieścili materiał o takich samych właściwościach elektrycznych i optycznych jak ludzka czaszka między plasterkiem a elektrodami, aby sprawdzić, czy mogą stymulować również hipokamp myszy przez symulowaną czaszkę.
Robili to, ponieważ chcą być w stanie wykrywać i manipulować sygnałami w ludzkim mózgu bez konieczności przecinania czaszki i dotykania delikatnej tkanki mózgowej. Ich celem jest ostateczne opracowanie dokładnych i czułych interfejsów mózg-komputer, które można zakładać i zdejmować jak hełm lub opaskę na głowę — bez konieczności przeprowadzania operacji.
Ludzkie czaszki mają mniej niż centymetr grubości: dokładna grubość różni się w zależności od osoby i miejsca. Działają jak filtr rozmywający, który rozprasza przebiegi, czy to prądy elektryczne, światło czy dźwięk. Neurony w mózgu mogą mieć średnicę zaledwie kilku tysięcznych milimetra i generować impulsy elektryczne tak słabe, jak jedna dwudziesta wolta.
Eksperyment uczniów miał na celu zebranie danych bazowych, z którymi mogliby porównać wyniki nowej techniki, którą Pulkit Grover, główny badacz zespołu, ma nadzieję opracować.
Nic takiego nie jest [teraz] możliwe i jest to naprawdę trudne do zrobienia, mówi Grover. Współkieruje jednym z sześciu zespołów biorących udział w Programie Neurotechnologii Niechirurgicznej Nowej Generacji, czyli N³, Wysiłek o wartości 104 mln USD rozpoczęty w tym roku przez Agencję Zaawansowanych Projektów Badawczych w dziedzinie Obrony lub DARPA. Podczas gdy zespół Grovera manipuluje sygnałami elektrycznymi i ultradźwiękowymi, inne zespoły używają technik optycznych lub magnetycznych. Jeśli którekolwiek z tych podejść odniesie sukces, wyniki będą transformujące.
Chirurgia jest kosztowna, a operacja mająca na celu stworzenie nowego rodzaju super-wojownika jest etycznie skomplikowana. Urządzenie do czytania w myślach, które nie wymaga operacji, otworzyłoby świat możliwości. Interfejsy mózg-komputer (BCI) są wykorzystywane do pomocy osobom z tetraplegią w odzyskaniu ograniczonej kontroli nad własnymi ciałami oraz do umożliwienia weteranom, którzy utracili kończyny w Iraku i Afganistanie, kontrolowanie sztucznych. N³ to pierwsza poważna próba amerykańskiego wojska opracowania BCI w bardziej wojowniczym celu. Praca z dronami i rojami dronów, działająca z prędkością myśli, a nie za pomocą urządzeń mechanicznych – do tego typu rzeczy naprawdę służą te urządzenia – mówi Al Emondi, dyrektor N³.
Informatyk z UCLA, Jacques J. Vidal, po raz pierwszy użył terminu interfejs mózg-komputer na początku lat siedemdziesiątych; to jedna z tych fraz, jak sztuczna inteligencja, której definicja ewoluuje wraz z rozwojem opisywanych przez nią zdolności. Za pierwszy interfejs między mózgiem a komputerem można uznać elektroencefalografię (EEG), która rejestruje aktywność elektryczną mózgu za pomocą elektrod umieszczonych na czaszce. Pod koniec lat 90. naukowcy z Case Western Reserve University wykorzystali EEG do zinterpretowania fal mózgowych osoby z tetraplegią, umożliwiając mu poruszanie kursorem komputera za pomocą drutu wystającego z elektrod na skórze głowy.
Od tego czasu rozwinęły się zarówno inwazyjne, jak i nieinwazyjne techniki czytania z mózgu. Tak samo mają urządzenia, które stymulują mózg za pomocą sygnałów elektrycznych, aby leczyć stany takie jak padaczka. Prawdopodobnie najpotężniejszy mechanizm opracowany do tej pory nazywa się tablicą Utah. Wygląda jak małe łoże kolców, w sumie około połowy wielkości małego paznokcia, które mogą przebić się przez daną część mózgu.
Pewnego dnia w 2010 roku, podczas wakacji w Outer Banks w Północnej Karolinie, Ian Burkhart zanurkował do oceanu i uderzył głową o mieliznę. Zmiażdżył rdzeń kręgowy i stracił funkcję od szóstego nerwu szyjnego w dół. Wciąż mógł poruszać rękami na barkach i łokciach, ale nie rękami ani nogami. Fizjoterapia niewiele pomogła. Zapytał swoich lekarzy z Wexner Medical Center na Ohio State University, czy mogą zrobić coś więcej. Okazało się, że Wexner miał nadzieję przeprowadzić badanie razem z Battelle, firmą badawczą non-profit, aby sprawdzić, czy mogliby użyć macierzy Utah do reanimacji kończyn sparaliżowanej osoby.
Tam, gdzie EEG pokazuje zagregowaną aktywność niezliczonych neuronów, macierze Utah mogą rejestrować impulsy z niewielkiej ich liczby, a nawet z jednego. W 2014 roku lekarze wszczepili Burkhartowi macierz z Utah. Macierz mierzyła pole elektryczne w 96 miejscach w korze motorycznej, 30 000 razy na sekundę. Burkhart przychodził do laboratorium kilka razy w tygodniu przez ponad rok, a badacze Battelle szkolili swoje algorytmy przetwarzania sygnału, aby uchwycić jego intencje, gdy myślał, mozolnie i systematycznie, o tym, jak mógłby poruszyć ręką, gdyby mógł.
Gruby kabel, podłączony do postumentu wychodzącego z czaszki Burkharta, wysyłał impulsy mierzone przez układ Utah do komputera. Komputer odkodował je, a następnie przesłał sygnały do rękawa elektrod, który prawie pokrywał jego prawe przedramię. Rękaw aktywował jego mięśnie do wykonywania zamierzonych ruchów, takich jak chwytanie, podnoszenie i opróżnianie butelki lub wyjmowanie karty kredytowej z portfela.
To uczyniło Burkharta jedną z pierwszych osób, które odzyskały kontrolę nad własnymi mięśniami dzięki takiemu neuronowemu obejściu. Battelle — kolejny zespół w programie N³ — pracuje teraz z nim, aby sprawdzić, czy mogą osiągnąć te same wyniki bez implantu czaszki.
Oznacza to wymyślanie nie tylko nowych urządzeń, ale także lepszych technik przetwarzania sygnału, aby zrozumieć słabsze, zagmatwane sygnały, które można odebrać spoza czaszki. Właśnie dlatego zespołem Carnegie Mellon N³ kieruje Grover — z wykształcenia inżynier elektryk, a nie neurobiolog.
Jestem do tego bardzo zmotywowany – bardziej niż ktokolwiek inny w pokoju.
Wkrótce po przybyciu Grovera do Carnegie Mellon przyjaciel z University of Pittsburgh Medical School zaprosił go do udziału w spotkaniach klinicznych dla pacjentów z padaczką. Zaczął podejrzewać, że z EEG można wywnioskować o wiele więcej informacji o mózgu, niż ktokolwiek przyznawał – i odwrotnie, ta sprytna manipulacja sygnałami zewnętrznymi może mieć skutki głęboko w mózgu. Kilka lat później zespół kierowany przez Edwarda Boydena z Centrum Inżynierii Neurobiologicznej MIT opublikował niezwykły artykuł, który wykraczał daleko poza ogólną intuicję Grovera.
Grupa Boydena skierowała na zewnątrz czaszki dwa sygnały elektryczne o wysokich, ale nieco innych częstotliwościach. Nie wpłynęły one na neurony znajdujące się blisko powierzchni mózgu, ale na te znajdujące się głębiej w mózgu. W zjawisku znanym jako konstruktywna interferencja, połączyli się, aby wytworzyć sygnał o niższej częstotliwości, który pobudził neurony do zapłonu.
Grover i jego grupa pracują obecnie nad rozszerzeniem wyników Boydena o setki elektrod umieszczonych na powierzchni czaszki, zarówno w celu precyzyjnego namierzania małych obszarów we wnętrzu mózgu, jak i sterowania sygnałem tak, aby mógł przełączać się z jednego obszaru mózgu na inny, podczas gdy elektrody pozostają na swoim miejscu. Grover mówi, że to pomysł, którego prawdopodobnie nie mieli neuronaukowcy.
Tymczasem w Laboratorium Fizyki Stosowanej Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa (APL) inny zespół N³ stosuje zupełnie inne podejście: światło bliskie podczerwieni.
Obecnie wiadomo, że tkanka nerwowa pęcznieje i kurczy się, gdy neurony wysyłają sygnały elektryczne. Te sygnały są rejestrowane przez naukowców za pomocą EEG, tablicy Utah lub innych technik. Dave Blodgett z APL twierdzi, że obrzęk i skurcz tkanki są równie dobrym sygnałem aktywności nerwowej, i chce zbudować system optyczny, który może mierzyć te zmiany.
Techniki z przeszłości nie były w stanie uchwycić tak drobnych fizycznych ruchów. Ale Blodgett i jego zespół pokazali już, że widzą aktywność neuronową myszy, gdy pstryka ona wąsem. Dziesięć milisekund po drganiu wąsów Blodgett rejestruje odpowiednie impulsy neuronów za pomocą swojej optycznej techniki pomiarowej. (Na sekundę jest 1000 milisekund i 1000 mikrosekund w milisekundzie.) W odsłoniętej tkance nerwowej jego zespół zarejestrował aktywność neuronową w ciągu 10 mikrosekund — tak samo szybko, jak macierz Utah lub inne metody elektryczne.
Kolejnym wyzwaniem jest zrobienie tego wszystkiego przez czaszkę. To może wydawać się niemożliwe: w końcu czaszki nie są przezroczyste dla światła widzialnego. Ale światło bliskiej podczerwieni może przenikać przez kości. Zespół Blodgetta wystrzeliwuje lasery na podczerwień o małej mocy przez czaszkę, a następnie mierzy rozpraszanie światła z tych laserów. Ma nadzieję, że to pozwoli im wywnioskować, jaka aktywność neuronowa ma miejsce. Podejście to jest mniej sprawdzone niż użycie sygnałów elektrycznych, ale są to dokładnie rodzaje ryzyka, które mają podejmować programy DARPA.
W Battelle Gaurav Sharma opracowuje nowy rodzaj nanocząstek, które mogą przekraczać barierę krew-mózg. To, co DARPA nazywa techniką minimalnie inwazyjną. Nanocząstka ma magnetycznie czuły rdzeń wewnątrz powłoki wykonanej z materiału, który generuje elektryczność pod wpływem nacisku. Jeśli te nanocząsteczki zostaną poddane działaniu pola magnetycznego, rdzeń wewnętrzny wywiera nacisk na powłokę, która następnie generuje niewielki prąd. Sharma mówi, że pole magnetyczne jest znacznie lepsze niż światło, jeśli chodzi o widzenie przez czaszkę. Różne cewki magnetyczne pozwalają naukowcom celować w określone części mózgu, a proces można odwrócić — prądy elektryczne można przekształcić w pola magnetyczne, aby można było odczytać sygnały.
Zobaczymy, które z tych podejść, jeśli w ogóle, odniesie sukces. Inne zespoły N³ używają różnych kombinacji fal świetlnych, elektrycznych, magnetycznych i ultradźwiękowych, aby uzyskać sygnały do mózgu i z mózgu. Nauka jest niewątpliwie ekscytująca. Ale to podekscytowanie może przesłonić, jak źle wyposażony Pentagon i korporacje takie jak Facebook, które również opracowują BCI, mają zająć się szeregiem etycznych, prawnych i społecznych pytań, które rodzi nieinwazyjny BCI. W jaki sposób roje dronów sterowane bezpośrednio przez ludzki mózg mogą zmienić charakter działań wojennych? Emondi, szef N³, mówi, że interfejsy neuronowe będą wykorzystywane tak, jak będą potrzebne. Ale konieczność wojskowa jest plastycznym kryterium.
W sierpniu odwiedziłem laboratorium w Battelle, gdzie Burkhart spędził poprzednie kilka godzin, zastanawiając się nad nowym rękawem, wyposażonym w 150 elektrod, które stymulują mięśnie jego ramion. On i naukowcy mieli nadzieję, że uda im się uruchomić rękaw bez konieczności polegania na macierzy Utah do odbierania sygnałów mózgowych.
Ian Burkhart (po lewej) został sparaliżowany przez wypadek i pracuje z naukowcami z Battelle nad opracowaniem lepszych interfejsów mózg-komputer.
Burkhart w 2014 r. miał wszczepioną do jego kory ruchowej tablicę Utah, pokazaną po prawej stronie. Grupa Battelle próbuje teraz opracować sposób na odczytywanie sygnałów mózgowych bez implantu chirurgicznego.
Jeśli twój rdzeń kręgowy został złamany, myślenie o poruszeniu ręką jest ciężką pracą. Burkhart był zmęczony. Występ jest stopniowany: jak intensywnie o czymś myślę, przekłada się na to, ile ruchu, powiedział mi. Podczas gdy przed [wypadkiem] nie myślisz „Otwórz rękę” – reszta z nas po prostu podnosi butelkę. Ale jestem do tego bardzo zmotywowany – bardziej niż ktokolwiek inny w pokoju, powiedział. Burkhart ułatwił dostrzeżenie potencjału tej technologii.
Powiedział mi, że odkąd zaczął pracować z macierzą Utah, stał się silniejszy i sprawniejszy nawet wtedy, gdy jej nie używa – do tego stopnia, że teraz żyje sam i potrzebuje pomocy tylko kilka godzin dziennie. Mówię więcej rękami. Mogę trzymać telefon, mówi. Jeśli dopracuje się do czegoś, z czego mogę korzystać na co dzień, nosiłbym go tak długo, jak mogę.
Paul Tullis jest pisarzem mieszkającym w Amsterdamie.