211service.com
JAV kariuomenė bando skaityti mintis
Nauja DARPA tyrimų programa kuria smegenų ir kompiuterio sąsajas, galinčias valdyti dronų spiečių, veikiančių minties greičiu. O jei pavyks?
2019 m. spalio 16 d
Kareivio ir smegenų sąsajų nuotrauka Enrico Nagel
Rugpjūčio mėn. trys Carnegie Mellon universiteto magistrantai buvo sugrūsti mažoje, be langų esančioje laboratorijoje rūsyje, naudojant žiuri pritvirtintą 3D spausdintuvo rėmą, kad elektra sujungtų pelės smegenų gabalėlį.
Smegenų fragmentas, nupjautas iš hipokampo, atrodė kaip plonai supjaustyto česnako gabalas. Jis gulėjo ant platformos netoli daikto centro. Siauriame vamzdelyje griežinėlis buvo išplautas druskos, gliukozės ir aminorūgščių tirpale. Tai išliko gyvas pagal madą: pjūvyje esantys neuronai ir toliau šaudė, o eksperimentuotojai galėjo rinkti duomenis. Elektrodų masyvas po pjūviu tiekė elektrinius užraktus, o į švirkštą panašus metalinis zondas matavo neuronų reakciją. Indą apšvietė ryškios LED lempos. Sąranka, naudojant laboratorijos narių šnekamą, buvo šiek tiek klaidinga.
Ši istorija buvo mūsų 2019 m. lapkričio mėn. numerio dalis
- Žr. likusią numerio dalį
- Prenumeruoti
Monitorius, esantis šalia įrenginio, rodė dirgiklį ir atsaką: po milisekundžių elektrodų sukrėtimus sekė neuronai. Vėliau mokslininkai tarp pjūvio ir elektrodų įdėjo medžiagą, turinčią tokias pačias elektrines ir optines savybes kaip ir žmogaus kaukolė, kad sužinotų, ar jie taip pat gali stimuliuoti pelės hipokampą per imituojamą kaukolę.
Jie tai darė, nes nori sugebėti aptikti ir manipuliuoti signalais žmogaus smegenyse neperpjauti kaukolės ir neliesti subtilaus smegenų audinio. Jų tikslas yra ilgainiui sukurti tikslias ir jautrias smegenų ir kompiuterio sąsajas, kurias būtų galima užsidėti ir nusiimti kaip šalmą ar galvos juostą – nereikia jokios operacijos.
Žmogaus kaukolės yra mažesnės nei centimetro storio: tikslus storis skiriasi kiekvienam žmogui ir vietai. Jie veikia kaip suliejimo filtras, kuris išsklaido bangų formas, nesvarbu, ar tai elektros srovės, šviesa ar garsas. Neuronai smegenyse gali būti vos kelių tūkstantųjų milimetro skersmens ir generuoti elektrinius impulsus, kurių silpnumas siekia dvidešimtąją volto dalį.
Studentų eksperimentu buvo siekiama surinkti pradinius duomenis, su kuriais jie galėtų palyginti rezultatus, gautus naudojant naują metodą, kurį Pulkit Grover, komandos pagrindinis tyrėjas, tikisi sukurti.
Nieko panašaus [dabar] neįmanoma ir tai tikrai sunku padaryti, sako Groveris. Jis kartu vadovauja vienai iš šešių komandų, dalyvaujančių naujos kartos nechirurginių neurotechnologijų programoje arba N³, a. 104 mln. USD pastangas šiais metais pradėjo Gynybos pažangių tyrimų projektų agentūra , arba DARPA. Nors Groverio komanda manipuliuoja elektros ir ultragarso signalais, kitos komandos naudoja optinius arba magnetinius metodus. Jei kuris nors iš šių metodų pasiseks, rezultatai bus transformuojantys.
Chirurgija yra brangi, o operacija, skirta sukurti naujo tipo superkarį, yra etiškai sudėtinga. Minčių skaitymo prietaisas, kuriam nereikia operacijos, atvertų galimybių pasaulį. Smegenų ir kompiuterių sąsajos arba BCI buvo naudojamos siekiant padėti žmonėms, sergantiems kvadriplegija, atgauti ribotą savo kūno kontrolę, o veteranams, praradusiems galūnes Irake ir Afganistane, valdyti dirbtines. N³ yra pirmasis rimtas JAV kariuomenės bandymas sukurti karingesnio tikslo BCI. Darbas su bepiločiais orlaiviais ir bepiločių orlaivių spiečiais, veikiant minties greičiu, o ne naudojant mechaninius įrenginius – tokie dalykai iš tikrųjų yra skirti, sako Al Emondi, N³ direktorius.
UCLA kompiuterių mokslininkas Jacquesas J. Vidalis pirmą kartą pavartojo terminą smegenų ir kompiuterio sąsaja aštuntojo dešimtmečio pradžioje; tai viena iš tų frazių, pavyzdžiui, dirbtinis intelektas, kurio apibrėžimas vystosi tobulėjant jame aprašytoms galimybėms. Elektroencefalografija (EEG), kuri registruoja elektrinį aktyvumą smegenyse naudojant elektrodus, esančius ant kaukolės, gali būti laikoma pirmąja sąsaja tarp smegenų ir kompiuterių. Dešimtojo dešimtmečio pabaigoje Case Western Reserve universiteto mokslininkai naudojo EEG, kad interpretuotų keturkampio žmogaus smegenų bangas, o tai leido jam perkelti kompiuterio žymeklį laidu, besitęsiančiu nuo galvos odos elektrodų.
Nuo to laiko pažengė tiek invaziniai, tiek neinvaziniai skaitymo iš smegenų metodai. Taip pat yra prietaisų, kurie stimuliuoja smegenis elektros signalais, kad būtų galima gydyti tokias ligas kaip epilepsija. Ko gero, galingiausias iki šiol sukurtas mechanizmas vadinamas Jutos masyvu. Tai atrodo kaip mažas spyglių guolis, iš viso maždaug pusė rausvo nago dydžio, kuris gali prasiskverbti į tam tikrą smegenų dalį.
Vieną 2010 m. dieną, atostogaudamas Šiaurės Karolinos Outer Banks, Ianas Burkhartas nėrė į vandenyną ir trenkėsi galva į smėlio juostą. Jis sutraiškė nugaros smegenis ir prarado funkciją nuo šeštojo gimdos kaklelio nervo žemyn. Jis vis tiek galėjo judinti rankas per petį ir alkūnę, bet ne rankas ar kojas. Fizinė terapija nelabai padėjo. Jis paklausė savo gydytojų Ohajo valstijos universiteto Wexner medicinos centre, ar jie galėtų ką nors daugiau padaryti. Paaiškėjo, kad Wexneris tikėjosi kartu su ne pelno tyrimų bendrove „Battelle“ atlikti tyrimą, kad išsiaiškintų, ar jie galėtų panaudoti Jutos masyvą paralyžiuoto žmogaus galūnėms reanimuoti.
Kai EEG rodo bendrą daugybės neuronų aktyvumą, Jutos matricos gali įrašyti impulsus iš nedidelio jų skaičiaus arba net iš vieno. 2014 metais gydytojai į Burkharto galvą implantavo Jutos masyvą. Masyvas matavo elektrinį lauką 96 jo motorinės žievės vietose 30 000 kartų per sekundę. Burkhartas daugiau nei metus ateidavo į laboratoriją kelis kartus per savaitę, o Battelle tyrėjai mokė savo signalų apdorojimo algoritmus, kad užfiksuotų jo ketinimus, sunkiai ir sistemingai mąstant apie tai, kaip pajudins ranką, jei galėtų.
Storas kabelis, prijungtas prie pjedestalo, išeinančio iš Burkharto kaukolės, išsiuntė Jutos masyvo išmatuotus impulsus į kompiuterį. Kompiuteris juos iššifravo ir perdavė signalus į elektrodų rankovę, kuri beveik dengė dešinįjį dilbį. Rankovė suaktyvino jo raumenis, kad galėtų atlikti judesius, kuriuos jis numatė, pavyzdžiui, sugriebti, pakelti ir ištuštinti butelį arba išimti kreditinę kortelę iš piniginės.
Dėl to Burkhartas tapo vienu iš pirmųjų žmonių, atgavusių savo raumenų kontrolę per tokį nervinį apėjimą. Battelle – kita iš N³ programos komandų – dabar dirba su juo, kad išsiaiškintų, ar gali pasiekti tų pačių rezultatų be kaukolės implanto.
Tai reiškia, kad reikia sukurti ne tik naujus įrenginius, bet ir geresnius signalų apdorojimo būdus, kad būtų galima suprasti silpnesnius, miglotus signalus, kurie gali būti paimti iš kaukolės ribų. Štai kodėl Carnegie Mellon N³ komandai vadovauja Groveris – elektros inžinierius pagal išsilavinimą, o ne neurologas.
Esu tam labai motyvuotas – labiau nei bet kas kitas kambaryje.
Netrukus po to, kai Groveris atvyko į Carnegie Mellon, draugas iš Pitsburgo universiteto medicinos mokyklos pakvietė jį dalyvauti klinikiniuose susitikimuose, skirtuose epilepsija sergantiems pacientams. Jis pradėjo įtarti, kad iš EEG galima gauti daug daugiau informacijos apie smegenis, nei kas nors jas įvertino, ir, atvirkščiai, sumanus manipuliavimas išoriniais signalais gali turėti poveikį giliai smegenyse. Po kelerių metų MIT Neurobiologinės inžinerijos centro Edwardo Boydeno vadovaujama komanda paskelbė puikų dokumentą, kuris gerokai viršijo bendrą Groverio intuiciją.
Boydeno grupė kaukolės išorėje pritaikė du aukšto, bet šiek tiek skirtingo dažnio elektrinius signalus. Tai paveikė ne arti smegenų paviršiaus esančius neuronus, o gilesnius jos viduje. Reiškinyje, vadinamame konstruktyviais trukdžiais, jie susijungė, kad sukurtų žemesnio dažnio signalą, kuris paskatino neuronus sudeginti.
Groveris ir jo grupė dabar siekia išplėsti Boydeno rezultatus su šimtais elektrodų, uždėtų ant kaukolės paviršiaus, kad būtų tiksliai nukreipti į mažas smegenų sritis ir nukreiptų signalą taip, kad jis galėtų persijungti iš vienos smegenų srities į kitą, kol elektrodai lieka vietoje. Groveris sako, kad tokia idėja vargu ar būtų turėjusi neurologų.
Tuo tarpu Johns Hopkins universiteto taikomosios fizikos laboratorijoje (APL) kita N³ komanda taiko visiškai kitokį metodą: beveik infraraudonųjų spindulių šviesą.
Šiuo metu suprantama, kad nervinis audinys išsipučia ir susitraukia, kai neuronai skleidžia elektrinius signalus. Šiuos signalus mokslininkai registruoja naudodami EEG, Jutos masyvą ar kitus metodus. Dave'as Blodgettas iš APL teigia, kad audinių patinimas ir susitraukimas yra geras nervinės veiklos signalas, ir jis nori sukurti optinę sistemą, kuri galėtų išmatuoti tuos pokyčius.
Praeities metodai negalėjo užfiksuoti tokių mažų fizinių judesių. Tačiau Blodgettas ir jo komanda jau įrodė, kad gali matyti pelės nervinį aktyvumą, kai ji brūkšteli ūsais. Praėjus dešimčiai milisekundžių po ūso brūkštelėjimo, Blodgettas įrašo atitinkamus neuronus, sušaudytus naudodamas savo optinio matavimo metodą. (Per sekundę yra 1000 milisekundžių, o per milisekundę – 1000 mikrosekundžių.) Atidengtame nerviniame audinyje jo komanda užfiksavo nervinį aktyvumą per 10 mikrosekundžių – lygiai taip pat greitai, kaip Jutos matrica ar kiti elektriniai metodai.
Kitas iššūkis – visa tai padaryti per kaukolę. Tai gali atrodyti neįmanoma: juk kaukolės nėra skaidrios matomai šviesai. Tačiau artima infraraudonoji šviesa gali sklisti per kaulus. Blodgetto komanda paleidžia mažo galingumo infraraudonųjų spindulių lazerius per kaukolę ir matuoja, kaip tų lazerių šviesa yra išsklaidyta. Jis tikisi, kad tai leis jiems suprasti, kokia nervinė veikla vyksta. Šis metodas yra mažiau įrodytas nei naudojant elektrinius signalus, tačiau būtent tokiai rizikai DARPA programos sukurtos.
Grįžęs į Battelle, Gaurav Sharma kuria naujo tipo nanodaleles, kurios gali pereiti kraujo ir smegenų barjerą. Tai DARPA vadina minimaliai invazine technika. Nanodalelė turi magnetiškai jautrią šerdį apvalkalo viduje, pagamintame iš medžiagos, kuri, veikiant slėgiui, generuoja elektrą. Jei šios nanodalelės yra veikiamos magnetinio lauko, vidinė šerdis apkrauna apvalkalą, kuris sukuria nedidelę srovę. Magnetinis laukas yra daug geriau nei šviesa, kad būtų galima pamatyti kaukolę, sako Sharma. Įvairios magnetinės ritės leidžia mokslininkams nukreipti į konkrečias smegenų dalis, o procesas gali būti apverstas – elektros srovės gali būti konvertuojamos į magnetinius laukus, kad būtų galima nuskaityti signalus.
Belieka pamatyti, kuris iš šių metodų pasiseks, jei toks. Kitos N³ komandos naudoja įvairius šviesos, elektros, magnetinių ir ultragarso bangų derinius, kad gautų signalus į smegenis ir iš jų. Mokslas neabejotinai yra įdomus. Tačiau tas jaudulys gali užgožti, kaip Pentagonas ir tokios korporacijos kaip „Facebook“, kurios taip pat kuria BCI, yra netinkamai pasirengę spręsti daugybę etinių, teisinių ir socialinių klausimų, kuriuos sukelia neinvazinis BCI. Kaip bepiločių orlaivių spiečius, tiesiogiai valdomas žmogaus smegenų, gali pakeisti karo pobūdį? Emondi, N³ vadovas, teigia, kad neuroninės sąsajos bus naudojamos bet kokiomis sąlygomis. Tačiau karinis būtinumas yra lankstus kriterijus.
Rugpjūčio mėn. aplankiau laboratoriją Battelle, kur Burkhartas prieš kelias valandas galvojo apie naują rankovę, aprūpintą 150 elektrodų, stimuliuojančių jo rankų raumenis. Jis ir tyrėjai tikėjosi, kad jiems pavyks įjungti rankovę nepasikliaunant Jutos masyvu, kad gautų smegenų signalus.
Ianas Burkhartas, esantis kairėje, buvo paralyžiuotas dėl nelaimingo atsitikimo ir dirba su Battelle tyrėjais, kad sukurtų geresnes smegenų ir kompiuterio sąsajas.
Burkhartas 2014 m. į jo motorinę žievę implantavo Jutos masyvą, parodytą dešinėje. Battelle grupė dabar bando sukurti būdą, kaip nuskaityti jo smegenų signalus be chirurginio implanto.
Jei lūžo nugaros smegenys, galvoti apie rankos judinimą yra sunkus darbas. Burkhartas buvo pavargęs. Yra įvertintas spektaklis: kaip sunkiai galvoju apie ką nors, paverčia kiek judesio, sakė jis. Tuo tarpu prieš [nelaimingą atsitikimą] negalvoji: „Atmerkite ranką“ – mes, likusieji, tiesiog paimame butelį. Bet aš esu tam labai motyvuotas – labiau nei bet kas kitas kambaryje, sakė jis. Burkhartas leido lengvai pamatyti technologijos potencialą.
Jis man pasakė, kad nuo tada, kai pradėjo dirbti su Jutos masyvu, jis tapo stipresnis ir vikresnis net tada, kai jo nenaudoja – tiek, kad dabar gyvena vienas, o pagalbos reikia tik kelias valandas per dieną. Daugiau kalbu rankomis. Galiu laikyti telefoną, sako jis. Jei pavyksta kažką, ką galėčiau naudoti kiekvieną dieną, nešiočiau jį tol, kol galėčiau.
Paulis Tullis yra rašytojas, gyvenantis Amsterdame.