Kerajaan Mencari Antara Muka Otak-Komputer Kesetiaan Tinggi

Konrad Kording telah melihat masa depan sains saraf dan dia mendapati ia menyedihkan.



bilangan kad ajaib

Beberapa tahun yang lalu, Kording, seorang saintis data di Northwestern University yang berminat dalam neurosains, memutuskan untuk memeriksa berapa banyak neuron yang saintis pernah direkodkan secara serentak di dalam otak haiwan yang hidup. Merakam perbualan elektrik neuron adalah sesuatu yang perlu kita lakukan lebih banyak lagi jika kita ingin memahami kesedaran atau membangunkan cara untuk memulihkan pergerakan kepada individu yang lumpuh.

Hasilnya adalah 2011 Neurosains Alam artikel yang memperincikan undang-undang Stevenson— dinamakan demikian untuk pelajar siswazah dan pengarang pertama Ian Stevenson. Sama seperti undang-undang Moore, yang meramalkan penggandaan kuasa pengkomputeran setiap dua tahun, undang-undang Stevenson juga mendokumenkan pertumbuhan eksponen dalam bilangan neuron yang dapat direkodkan oleh saintis pada satu masa. Namun sementara semua orang gembira dan kagum dengan undang-undang Moore, Kording mengatakan bahawa semua orang dalam sains saraf mahu melihat undang-undang Stevenson mati.





Imej mikroskopik penderia kalsium (hijau), nukleus neuron (merah) dan sel sokongan yang dipanggil astrosit.

Sebabnya ialah setiap daripada kita mempunyai kira-kira 80 bilion neuron dalam otak kita. Namun apa yang ditunjukkan oleh data ialah dari tahun 1920-an, apabila saintis mula-mula mendengar pancang elektrik neuron tunggal, mereka telah menggandakan jumlah itu hanya setiap tujuh tahun, kepada kira-kira 500 sekaligus. Pada kadar ini, kata Kording, Kita semua akan mati sebelum kita boleh merakam walaupun sebahagian daripada otak tikus. Itu tidak bagus.

Minggu ini ramai ahli sains saraf akan menuju ke Arlington, Virginia, untuk membincangkan cara mereka mungkin melanggar undang-undang Stevenson. Cabutan itu ialah simposium yang menerangkan keperluan untuk program Jabatan Pertahanan baharu yang dipanggil Reka Bentuk Sistem Kejuruteraan Neural, yang akan menderma juta sebagai sebahagian daripada Inisiatif BRAIN Presiden Obama. Matlamat: untuk membangunkan teknologi yang mampu merekodkan daripada satu juta neuron serentak dalam masa empat tahun sahaja.



Tetapi itu hanya satu permulaan. DARPA, agensi yang mentadbir program itu, juga mahukan peranti yang boleh merangsang sekurang-kurangnya 100,000 neuron di dalam otak. Ia mestilah wayarles, dan mana-mana elektronik perlu dimuatkan dalam bungkusan yang tidak lebih besar daripada nikel. Akhir sekali, penyelidik dijangka memenuhi keperluan keselamatan yang diperlukan untuk menjalankan kajian tentang subjek manusia, sesuatu yang memerlukan pengecualian peranti penyiasatan daripada Pentadbiran Makanan dan Ubat-ubatan A.S.

Michael Roukes, seorang profesor fizik dan biokejuruteraan di Caltech, menyebut rangka masa itu amat agresif. Kecenderungan agensi untuk menetapkan matlamat bercita-cita tinggi yang tidak selalu dipenuhi dikenali sebagai gila DARPA.

Tetapi saya faham model itu, katanya. Mari kita ambil gambar bulan, bukan?

Objektif projek itu tidak mengejutkan Roukes. Matlamat BRAIN Initiative yang dinyatakan (lihat Mengapa Projek Pemetaan Otak Obama Penting ) adalah untuk membangunkan cara membaca—dan menulis kepada—kumpulan sel otak berskala besar yang terdiri daripada litar otak dan bekerjasama untuk membolehkan kita memahami dan bertindak balas terhadap dunia. Untuk berbuat demikian, jelas bahawa perkakasan neurosains memerlukan peningkatan yang besar.



berapa lama masa yang diperlukan untuk sampai ke bintang terdekat

Apa yang paling penting ialah membangunkan teknologi untuk mengambil litar saraf yang lengkap—katakan otak haiwan kecil atau sekeping korteks daripada tetikus atau manusia, dan rekod dari setiap neuron di sana, kata Rafael Yuste, ahli sains saraf Universiti Columbia. Yuste berkata kebanyakan saintis masih menggunakan rakaman di mana orang melekat pada elektrod ini dan merekodkan aktiviti daripada satu neuron dalam haiwan atau satu pesakit. Bayangkan anda cuba menganalisis orkestra [dengan mendengar] apa yang dimainkan oleh satu instrumen.

adakah klon manusia hidup

Rekod rakaman semasa dipegang oleh pasukan yang cuba membangunkan antara muka mesin otak untuk orang lumpuh, teknologi yang turut menarik minat DARPA. Pasukan di Universiti Brown dan Universiti Pittsburgh, antara tempat lain, telah berjaya menggunakan tatasusunan jarum silikon yang tajam untuk merekodkan antara 200 hingga 300 neuron sekaligus di dalam otak sukarelawan. Itu sudah cukup untuk membaca secara kasar gerakan lengan dan tangan yang difikirkan oleh seseorang, dan menggunakan isyarat untuk menggerakkan lengan robot (lihat Eksperimen Pemikiran ) atau mengemudi kerusi roda.

Anda memang melihat lengan robot digerakkan hari ini, kata Jonathan Wolpaw, pakar antara muka otak-komputer di Pusat Wadsworth Jabatan Kesihatan New York. Tetapi mereka bukan apa-apa yang hampir bersedia untuk dibawa keluar dari makmal. Tiada BCI yang kini anda mahu gunakan untuk mengawal kerusi roda di tepi tebing atau memandu dalam lalu lintas yang sesak.

Satu sebab ahli sains saraf pasti bahawa kumpulan neuron yang lebih besar memegang jawapan ialah purata neuron melonjak, paling banyak, beberapa kali sesaat. Namun pergerakan bergantung pada pelarasan yang berlaku pada skala masa yang sekurang-kurangnya 10 kali lebih pantas. Ini bermakna mana-mana neuron tunggal tidak mungkin mengandungi maklumat yang diperlukan untuk mengekodkan selok-belok gerakan tarian atau bermain piano. Pergerakan diedarkan ke atas berjuta-juta neuron merentasi pelbagai kawasan otak, kata Kording. Kami memerlukan sekurang-kurangnya 1,000 kali lebih banyak neuron untuk peranti prostetik yang hebat, pada anggaran saya.

Satu strategi untuk ke sana ialah mengecilkan saiz elektrod supaya bioengineers boleh menjejalkan lebih banyak elektrod ke dalam otak pada satu masa. Pendekatan itu sedang diambil di Universiti Duke, kata Mikhail A. Lebedev, seorang saintis penyelidikan kanan dalam kumpulan yang kini menuntut beberapa rekod rakaman saraf dalam monyet, membaca kira-kira 500 neuron pada satu masa, yang diuruskannya dengan memasukkan berkas elektrod nipis secara bersungguh-sungguh. ke dalam otak monyet.

Orang lain berpendapat pendekatan yang sama sekali baru diperlukan. Di Universiti California, Berkeley, penyelidik sedang meneroka habuk saraf yang terdiri daripada sensor terapung bebas mikroskopik yang boleh disebarkan di sekitar otak. Teknik optik juga menjanjikan. Pada tahun 2013, Misha Ahrens, ahli sains saraf di kampus Janelia Farms Institut Perubatan Howard Hughes, menunjukkan dia boleh merakam daripada 100,000 neuron-hampir keseluruhan otak ikan zebra-dengan mengubah suai genetiknya untuk bersinar selepas menembak. Ahrens berkata menonton begitu banyak neuron sekaligus sudah menjana beberapa kejutan. Anda boleh mencari kawasan yang berkaitan dengan tingkah laku yang anda tidak akan melihat sebaliknya, katanya.

Pencapaian Ahrens tidak dikira ke arah matlamat DARPA, atau ke arah memecahkan undang-undang Stevenson, kerana kaedahnya tidak menangkap pancang elektrik neuron tepat apabila ia berlaku. Ini kerana molekul yang bercahaya dimulakan oleh perubahan dalam kepekatan kalsium yang berlaku di dalam sel hanya selepas ia terbakar. Roukes, saintis Caltech, berkata para penyelidik sudah berusaha untuk membangunkan molekul pendarfluor yang bertindak balas secara langsung kepada perubahan voltan.

kos untuk menamatkan perubahan iklim

Masalah yang berbeza ialah tidak seperti ikan zebra, yang pada dasarnya lut sinar, otak manusia mempunyai konsistensi susu yang sukar dilihat. Untuk menanganinya, Roukes berkata, mungkin untuk meluncurkan shank silikon ultra-sempit ke seluruh otak. Ini akan mengandungi perkakasan yang diperlukan untuk memancarkan cahaya dan mengesannya dari sel berdekatan, mengatasi masalah kelegapan otak. Jika cukup tiang ini digunakan, seluruh otak boleh diterangi, Roukes mengira.

Walaupun teknik optik menjanjikan, FDA mungkin keberatan untuk membiarkan saintis mengubah suai otak sukarelawan secara genetik supaya mereka bersinar. Roukes mengatakan bahawa sebagai hasilnya, dia dan rakan usaha samanya merancang untuk membentangkan DARPA dengan cadangan yang lebih konvensional yang masih bergantung pada lebih banyak elektrod konvensional.

DARPA mempunyai sebab untuk mendesak sebarang skim rakaman dicuba pada manusia. Agensi itu berharap matlamat itu akan menarik minat daripada syarikat peranti perubatan serta pengeluar semikonduktor dan instrumen optik. Tanpa penglibatan industri, terdapat sedikit peluang untuk menjadikan antara muka mesin otak bertambah baik sepantas komputer.

Dengan cuba mendorong ini kepada manusia, mereka mungkin boleh mendapatkan beberapa elemen teknologi yang belum digunakan dalam eksperimen haiwan kerana tidak ada pemacu ekonomi yang banyak untuknya, kata Adam Marblestone, ahli sains saraf di MIT . Dia berharap untuk melihat beberapa kejuruteraan yang benar-benar serius yang telah hilang daripada eksperimen akademik.

bersembunyi