Mind-Machine susijungimas

Tedas Bergeris yra minčių skaitytojas. Žiurkių protai, tai yra. Savo laboratorijoje Pietų Kalifornijos universitete neurobiologas uždeda nedidelį elektrodų masyvą ant žiurkės smegenų gabalėlio Petri lėkštelėje. Pasukdamas jungiklį, magistrantas Walidas Soussou pradeda elektros signalų srautą į audinį. Smegenų ląstelės reaguoja generuodamos savo elektrinius impulsus. Šį besisukantį nervinių signalų modelį paima elektrodai ir netoliese esančiame kompiuterio ekrane jis pasirodo kaip spalvų nuo ryškiai raudonos iki tamsiai mėlynos spalvos.

Kelias ateinančias valandas Bergeris ir jo komanda suplanuos vienos sudėtingiausių smegenų funkcijų – atminties – grandinę. Tai yra pagrindiniai tyrimai, tačiau jie tai daro turėdami didelį technologinį tikslą. Bergerio grupė siekia panaudoti informaciją, kad sukurtų pažangią smegenų ir mašinos sąsają – prietaisą, susiejantį smegenų biologines grandines su kompiuterio silicio grandinėmis, ir tai pakeis proto mąstymą.

Ši istorija buvo mūsų 2003 m. gegužės mėnesio numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Pastaraisiais metais mokslinių tyrimų grupės visoje šalyje implantavo elektrodus į gyvūnų ir net kelių žmonių smegenis ir naudojo tų elektrodų aptiktus signalus, kad judintų roboto rankas, svirtis ir žymeklius kompiuterių ekranuose. žr. Kiti smegenų mašinų tyrimai, lentelę, paskutinis puslapis ). Darbo tikslas buvo suteikti paralyžiuotiems pacientams galimybę valdyti protezuojamas galūnes ir paprastas bendravimo priemones. Tačiau Bergerio tikslas yra dar platesnis: sukurti kompiuterio lustą, kuris atkurtų pačių smegenų pažintinius gebėjimus, pagerintų pacientų, kenčiančių nuo tokių neurologinių sutrikimų, kaip Alzheimerio liga ir insultas, atmintį ir galbūt galiausiai sustiprintų sveiko proto gebėjimus. . Norėdami tai padaryti, mokslininkai turi suprasti neuroninius procesus, kurie gali būti sudėtingesni nei tie, kurie valdo, tarkime, protezuojančios rankos valdymą. Tai vienas ambicingiausių projektų visoje srityje, sako Christofas ​​Kochas, Caltech skaičiavimo ir neuroninių sistemų ekspertas.

Kad ir kaip būtų drąsu, Bergerio komanda nėra vienintelė grupė, žengianti naujus žingsnius tyrėjų kartais vadinamų nervų protezų srityje. Dvejų metų trukmės 24 milijonų dolerių vertės JAV gynybos pažangių tyrimų projektų agentūros programa, pradėta praėjusį rudenį, sparčiai plečia smegenų ir mašinos sąsajų tyrimų ribas. Šešiais DARPA programos finansuojamais projektais, įskaitant Bergerį Pietų Kalifornijos universitete, siekiama sukurti technologijas, kurios ne tik atkurtų, bet ir padidinti žmogiškųjų galimybių, sako Alanas Rudolphas, DARPA iniciatyvos programos vadovas. Jis sako, kad šis koordinuotas, gerai finansuojamas didelio mokslo požiūris į supratimą, kaip protai ir mašinos gali sąveikauti, gali turėti transformacinių pasekmių gynybai ir visuomenei.

Šios pastangos sukurs naujos kartos elektrodus, kompiuterių lustus ir programinę įrangą, kuri galų gale galėtų aprūpinti karius, pavyzdžiui, valdyti itin greitas dirbtines galūnes, pilotuoti nuotolines transporto priemones ir vadovauti mobiliesiems robotams pavojingoje aplinkoje, naudojant tik savo minčių galią. Dar įspūdingiau, kad tokie įrenginiai gali pagerinti sprendimų priėmimą, pagerinti atmintį ir pažinimo įgūdžius ir netgi leisti vieno žmogaus smegenims belaidžiu būdu bendrauti su kito žmogaus smegenimis.

Nors tokios programos yra tiek spekuliatyvios, tiek įspūdingos, mokslininkai jų nebelaiko gryna fantazija. Jų naują optimizmą iš dalies skatina daugybė naujausių neurologijos, sąsajos aparatinės įrangos ir signalų apdorojimo pažangų. O pinigų antplūdis tikrai nekenkia. DARPA šiai sričiai skiria daug didesnius išteklius nei kada nors anksčiau, sako Williamas Heetderksas, Nacionalinių sveikatos institutų Neuronų protezavimo programos direktorius. O kadangi šios srities tyrėjams netrūksta novatoriškų idėjų, priduria jis, naujasis finansavimas turės didžiulį efektą.

Nuotolinio valdymo pultas

Tarp kalvotų Durhamo, NC, Duke universiteto Migelis Nicolelis bando išmokyti senas beždžiones naujų gudrybių. Tačiau pirmiausia jų smegenys turi išmokti klausytis.

Per pastaruosius kelerius metus Nicolelis ir jo komanda parodė, kad smegenų signalai, paimti į gyvūnų smegenis implantuotus elektrodus, gali užtikrinti elementarų roboto rankų valdymą. Tačiau yra kliūtis: gyvūnai nežino, kad jie ką nors kontroliuoja. Nicolelis sako, kad norint pasiekti tašką, kai gyvūnai ir galiausiai žmonės gali imtis sudėtingesnių užduočių, proto ir mašinos bendravimas realiuoju laiku turi tapti abipuse gatve.

Taigi Nicolelio laboratorijoje rezus beždžionė ne tik valdo roboto ranką smegenų signalais, kuriuos paima į galvą implantuoti elektrodai, bet ir gauna grįžtamąjį ryšį iš roboto – kol kas žymeklio pavidalu ekrane, kuriame rodoma roboto judesiai. Atskirose patalpose laikomos beždžionės ir roboto ranka yra sujungtos kabeliais, mikrokompiuteriu ir lygiagrečiu procesoriumi. Kitas žingsnis bus lytėjimo grįžtamojo ryšio įgyvendinimas. Kai beždžionė bando panaudoti roboto ranką, kad paimtų guminį alaus bokalą, roboto ranka siųs signalus, kad jėgos keitikliai būtų pastatyti ant gyvūno žasto; šie varikliai stipriai vibruos, kai roboto rankena įsitemps. Ir galiausiai, sako Nicolelis, sistema galėtų suteikti dar daugiau tiesioginio grįžtamojo ryšio, elektra stimuliuodama jutimo smegenų sritis. Jis sako, kad gudrybė yra suteikti teisingą grįžtamąjį ryšį, kad beždžionės smegenys įtrauktų robotą taip, tarsi jis būtų jos kūno dalis.

Nicolelis teigia, kad kai jie uždaro smegenų ir mašinų sąveikos kilpą, mokslininkai gali pradėti realiai galvoti apie sistemų, kurių fizinės galimybės pranoksta įprastų žmonių, kūrimą. Vienas iš pavyzdžių: apeinant nervus ir raumenis ir prijungus smegenis tiesiai prie roboto galūnės, jis sako, kad reakcijos laiką galima sutrumpinti šešis kartus. Jis prognozuoja, kad per ateinančius penkerius metus daugelis laboratorijų parodys tokį pagrindinių fizinių gebėjimų padidėjimą.

Kol Nicolelis stengiasi atkartoti ir išplėsti tokias kasdienes galimybes kaip sugriebimas ir kėlimas, Mičigano universiteto mokslininkai stumia smegenų ir mašinos sąsajas į naujas fizinio valdymo sritis. Biomedicinos inžinierius Darylas Kipke'as ir jo komanda moko žiurkes ir beždžiones, kaip vadovauti mobiliųjų robotų flotilės judesiams, naudojant tik savo protą. Kipke sako, kad atsiliepimai yra svarbūs, nes jie leidžia gyvūnams įgyti patirties sąveikaujant su visiškai svetimu įrenginiu – šiuo atveju pusės metro ilgio šešiakoju robotu, vardu RHex (tariama rex).

Kol kas judrus robotas turi būti arba užprogramuotas važiuoti tam tikra kryptimi, arba nuotoliniu būdu valdomas ranka valdoma belaidžiu ryšiu. Tačiau Mičigano mokslininkų teigimu, smegenų ir mašinos sąsajos gali leisti greičiau ir geriau koordinuoti valdymą. Tolimoje ateityje kareiviai ar gelbėtojai – galbūt keliose vietose – gali prijungti savo mintis prie centrinio kompiuterio, kad galėtų valdyti RHexes parką lauke. Vadovaudamiesi smegenų impulsais, robotai vykdytų paieškos ir gelbėjimo misijas karo zonose ir nelaimių zonose, siųsdami garso, vaizdo ir lytėjimo grįžtamąjį ryšį savo valdikliams. Tai yra namų bėgimas, sako Kipke.

Nors iki šio tikslo tikriausiai dar reikia dešimtmečių, Kipke komanda stengiasi jo siekti, gaudama signalus iš neuronų smegenų srityse, kurios dalyvauja planuojant ir vykdant judesius. Su visu triukšmu, sklindančiu iš aplinkinių kamerų, tai tarsi bandymas klausytis konkrečių pokalbių beisbolo stadione. Per metus tyrėjai į gyvūno smegenis chirurginiu būdu implantuos silicio elektrodų matricas, kurių kiekviena yra ne platesnė už plauką, ir kiekvieną masyvą prijungs prie lanksčios mažos galios grandinės, kuri atrodo kaip vieno kvadratinio centimetro juostos pagalba. gyvūno oda. Grandinė pagreitins bendrą signalų apdorojimą ir leis juos belaidžiu būdu siųsti į centrinį kompiuterį. Ten pritaikyta programinė įranga pavers signalus į kompiuterio žymeklio judesius, kuriuos gyvūnas stebės. Kitas žingsnis, sako Kipke, bus žymeklio prijungimas prie RHex belaidžio valdymo sistemos, kad kai kursorius judės į kairę, robotas darytų tą patį.

Iki vasaros Mičigano komanda kartu su fiziologu Danu Moranu iš Vašingtono universiteto planuoja, kad beždžionė Sent Luise nukeliautų RHex per kliūčių ruožą Ann Arbor mieste, MI. Valdymo signalai bus perduodami pirmyn ir atgal internetu, o beždžionė stebės grafinį roboto padėties ir judesių vaizdą ekrane. Pagrindinis dabartinio projekto tikslas yra patikrinti, ar tokios sąsajos gali panaudoti smegenis naudojant tiek neuronines komandas, tiek grįžtamąjį ryšį, kad būtų galima valdyti vis labiau nutolusius ir sudėtingesnius įrenginius. Per penkerius metus sužinosime, ar galime tai padaryti, sako Kipke.

Suvokimo pakėlimas

Nors Nicolelis ir Kipke stiprina smegenų gebėjimą valdyti išorinius įrenginius, kiti DARPA iniciatyvos dalyviai siekia manipuliuoti vidiniu smegenų darbu, ypač tais, kurie siunčia, priima ir apdoroja vaizdus ir garsus. Pasitelkdami į regėjimo ir klausos sritis, mokslininkai bando, ar tokia informacija gali būti perduodama tarp smegenų ir kompiuterių, siekiant pagerinti suvokimą ir bendravimą. Jei projektai bus sėkmingi, jie galėtų sukurti nuostabias naujas sąsajas, kurios pagerintų žmonių gebėjimą atpažinti veidus, objektus ir kalbą bei priimti sprendimus. Jie netgi gali įgalinti belaidį ryšį tarp smegenų į smegenis, sako DARPA Rudolphas.

Prieš pradėdami kurti tokias sistemas, mokslininkai turi išmokti skaityti informaciją iš smegenų, taip pat įrašyti informaciją, sako Tomaso Poggio, dirbtinio intelekto ekspertas iš MIT. Poggio ir MIT neurofiziologas Jamesas DiCarlo, abu pagrindiniai DARPA programos tyrėjai, dirba su regėjimo suvokimu ir objektų atpažinimu rezus beždžionėse. Tyrėjai kompiuterio ekrane pristatys tokius objektus kaip abstrakčios formos, automobiliai ir gyvūnai. Vienas iš galimų eksperimentų yra pagrįstas ankstesniu bendradarbiavimu su MIT neurologu Earlu Milleriu: mokslininkai galėjo išmokyti beždžionę nuspręsti, ar kompiuterio sukurtas gyvūnas ekrane atrodo labiau kaip katė ar šuo ( žr. Minčių skaitymas, šoninė juosta ). Programinė įranga sulietų liniją ir sukurtų, pavyzdžiui, vaizdą, kuriame 60 procentų yra katė ir 40 procentų šuo. Kol beždžionė priima sprendimą, tyrėjai naudotų implantuotus elektrodus regėjimo žievės neuronų signalams registruoti: kai kurios iš šių ląstelių užsidega, kai beždžionė žiūri į katę, kitos, kai mato šunį.

Silicio pažinimas

Atgal į Pietų Kalifornijos universitetą, Bergerio komanda siekia tolimiausios smegenų ir mašinos sąsajų ribos. Nustačius kelių smegenų regionų signalų modelius, mokslininkai planuoja manipuliuoti būdais, kuriais smegenys apdoroja informaciją ir bendrauja su savimi – trumpai tariant, kaip smegenys. mano . Šis darbas vieną dieną gali paskatinti neuroninius protezus, kurie atkuria ir netgi pagerina tokius pažinimo procesus kaip atmintis. Įsivaizduokite, kad einate pas gydytoją, kad atgautumėte seniai išblukusių prisiminimų, arba perkate aparatūrą, kuri pagerina jūsų gebėjimą atsiminti žmonių vardus.

Bergerio komanda žengia mažą žingsnį link šios vizijos, sukurdama kompiuterio lustą, imituojantį hipokampo, spiralės formos smegenų regiono, kuris yra labai svarbus mokantis ir formuojant prisiminimus, signalų apdorojimą. Laimei, informacijos srautas žiurkių hipokampe yra paprastas, sako Bergeris, o grandinė atrodo panašiai, nors ir sudėtingesnė, žmogaus hipokampe.

Iššūkį daro tai, kad bent jau Bergerio požiūriu, atmintis smegenyse vaizduojama dinamiškais neuronų uždegimo modeliais, o ne fiksuotais bitų išdėstymais, kaip kompiuterio atmintyje. Jei kuri nors smegenų dalis atrodo kaip RAM, mes jos dar neradome, sako Bergeris. Ir neuronai iš prigimties yra sudėtingi. Norint jį užsidegti, laikas yra viskas: gali prireikti impulsų iš aplinkinių neuronų arba pakartotinių įvesties iš vieno pasiuntinio, išdėstyto tam tikru laiku.

Siekdama užfiksuoti šią dinamiką, Bergerio komanda sukūrė matematinius atitinkamų neuronų modelius ir pradėjo juos diegti aparatinėje įrangoje. Jei neuronas A siunčia tam tikrą impulsų modelį neuronui B, sako Pietų Kalifornijos universiteto biomedicinos inžinierius Vasilis Marmarelis, modelis pasakys, kokį modelį neuronas B siųs neuronui C. Jis sako, kad tai nėra seksualu, bet tai pirmasis. labai ilgos kelionės žingsnis. Iš ten mokslininkai į mažos galios silicio lustą įdės tūkstančius neuronų modelių.

Vėliau šiais metais, sako Bergeris, principo įrodymo eksperimentas vyks taip: žiurkės hipokampo pjūvyje mokslininkai parodys, kad regiono A elektrinius signalus apdoroja regionas B ir siunčia į C regioną. tada pašalins neuronus iš B srities ir parodys, kad regiono C išvestis yra sutrikusi. Galiausiai, jie nukreips signalus per prototipinį lustą vietoje B regiono, kad sužinotų, ar tai užbaigia grandinę ir sukuria tokį patį bendrą signalų modelį kaip ir sveika pjūvis.

Vaizdas suteiktas John MacNeil

Jei tai pavyks, kitas žingsnis bus mikroschemos bandymas gyvūne. Per trejus metus Bergerio grupė planuoja perduoti savo sąsają komandai, kuriai vadovauja fiziologas Sam Deadwyleris iš Wake Forest universiteto. Deadwyleris treniruoja beždžiones, kad prisimintų iškarpas, rodomas ekrane, ir atrinktų vaizdus iš tolesnės grupės. Tuo pačiu metu jis įrašo signalus iš hipokampo, kurie leidžia nustatyti, kurie neuronai yra svarbūs atliekant užduotį, ir netgi numatyti, ar beždžionė pasirinks teisingai. Kai Bergerio sąsaja bus paruošta, sako Deadwyleris, mokslininkai laikinai inaktyvuos hipokampą, kad primatas nebegalės atlikti užduoties; tada jie prijungs lustą į paveiktą sritį, kad pamatytų, ar sąsaja gali atkurti beždžionės našumą.

Galiausiai Bergeris ir Deadwyleris planuoja nustatyti, ar lustas gali padidinti atmintį: jie implantuos lustą gyvūnui, kurio hipokampas yra nepažeistas. Naudodama lustą, beždžionė gali prisiminti paveikslėlį ilgesnį laiką arba sugebėti jį išskirti iš didesnio blaškymosi veiksnių. Ateityje, sako Deadwyleris, gali būti įmanoma prijungti žmogaus smegenis prie aparatinės įrangos, kuri leidžia ilgiau išsaugoti prisiminimus arba leidžia sekti vis didėjantį informacijos kiekį, pavyzdžiui, kai bėgate per judrią oro uostą ir reikia kelias sekundes prisiminkite telefono numerį. Tačiau nesitikėkite to pamatyti artimiausiu metu. Mums dar toli iki tobulėjimo naudojant popierių ir pieštuką, sako NIH Heetderks.

Viena vertus, Bergerio grupė susiduria su kai kurių mokslininkų skepticizmu, kurie nepripažįsta pagrindinės prielaidos, kad atmintį sudaro tik dinamiški neuronų veiklos modeliai. Ir ji susiduria su daugeliu praktinių iššūkių, su kuriais susiduria kitos nervų protezų tyrimų grupės. Kol kas niekas tiksliai nežino, kuriuos neuronus (ar kiek jų) reikia palieti, kad būtų sukurti naudingi prietaisai. Priklausomai nuo programos, mokslininkams gali tekti vienu metu pasiekti tūkstančius smegenų ląstelių. Ir yra skaičiavimo kliūčių, kurias jie turi įveikti, kad sąsajos galėtų apdoroti didžiulius lygiagrečius neuroninių duomenų srautus realiuoju laiku.

Tačiau bene didžiausias techninis iššūkis yra fiziškai sujungti standžią aparatūrą su subtiliomis smegenų ląstelėmis ir palaikyti tuos ryšius mėnesius ar net metus iš eilės, sako Johnas Chapinas, Niujorko valstijos universiteto Dauno valstijos medicinos centro fiziologas, padėjęs sukurti pradininkus 9-ojo dešimtmečio viduryje pasiekti smegenų signalus. Kadangi neuronai nuolat keičia savo pozicijas ir jungtis, sąsaja turi būti lanksti, biologiškai suderinama ir prisitaikanti prie gaunamų signalų pokyčių. Atsižvelgdamas į tai, DARPA Rudolph stengiasi visoje iniciatyvoje reklamuoti standartizuotą elektrodų platformą, kad kiekviena komanda neišradinėtų dviračio iš naujo. Bet tai lengviau pasakyti nei padaryti. Mokslininkai mieliau naudotų vienas kito dantų šepetėlius, o ne vienas kito elektrodus, sako Caltech Kochas.

Net jei sąsajos technologijos veikia, jos gali susidurti ilgą kelią iki priėmimo. Paralyžiuoti pacientai, norintys įgyti geresnių fizinių gebėjimų, gali būti pasirengę priimti operacijos riziką ir gyventi su į smegenis implantuota aparatūra, tačiau dauguma sveikų žmonių tikriausiai atsisakytų tokio pasiūlymo. Tiesą sakant, sako Rudolphas, mes tikrai neįsivaizduojame tokių prietaisų implantavimo sveikiems žmonėms. Pasak jo, raktas į galimybę atkurti ar padidinti žmogaus galimybes bus gauti smegenų signalus nepastebimai – idealiu atveju, be laidų, elektrodų ar operacijų.

Prieš tai, kai DARPA ar bet kas kitas investuos į tą naujos kartos smegenų signalų aptikimo technologiją, mokslininkai turi nustatyti, ar neuroniniai protezai bus praktiški jų naujose srityse. Jei pasiseks, sako Rudolph, mes atliksime svarbų darbą, kad parodytume, jog tai gali būti padaryta, ir jei bus rastas neinvazinis įrankis, leidžiantis išgauti tos pačios rūšies informaciją, galima įsivaizduoti žmogaus veiklos gerinimą. Ir nors ši vizija dar liko metų, mūsų protai jau gali būti pakeliui į naują mąstymo būdą.

Kiti smegenų mašinų tyrimai
TYRĖJAS	INSTITUCIJA	PROJEKTAS
Ričardas Andersenas	Caltech	Elektrodų sistemos smegenų impulsams įrašyti
Nielsas Birbaumeris	Tbingeno universitetas (Vokietija)	Neinvaziniai smegenų signalų detektoriai
Johnas Donoghue'as	Browno universitetas ir kiberkinetika (Providence, RI)	Neuroniniai protezai, kurie suteikia paralyžiuotiems pacientams galimybę valdyti kompiuterius
Filipas Kenedis	Neuroniniai signalai (Atlanta, GA)	Pirmieji žmogaus smegenų implantų bandymai, skirti atkurti visiškai paralyžiuotų pacientų ryšį
Andrius Švarcas	Pitsburgo universitetas	Neuroniniai protezai, valdantys roboto rankas
Harvey Wigginsas	Plexon (Dalasas, Teksasas)	Aparatinė ir programinė įranga smegenų signalams įrašyti ir analizuoti

paslėpti