211service.com
Den amerikanska militären försöker läsa tankar
Ett nytt DARPA-forskningsprogram utvecklar hjärn-datorgränssnitt som kan kontrollera svärmar av drönare, som arbetar med tankehastighet. Tänk om det lyckas?
16 oktober 2019
Fotoillustration av gränssnitt för soldat och hjärna Enrico Nagel
I augusti trängdes tre doktorander vid Carnegie Mellon University ihop i ett litet, fönsterlöst källarlabb, med hjälp av en juryriggad 3D-skrivarram för att zappa en bit av mushjärnan med elektricitet.
Hjärnfragmentet, klippt från hippocampus, såg ut som en bit tunt skivad vitlök. Den vilade på en plattform nära mitten av föremålet. Ett smalt rör badade skivan i en lösning av salt, glukos och aminosyror. Detta höll den vid liv, på ett sätt: neuroner i skivan fortsatte att skjuta, vilket gjorde det möjligt för experimentörerna att samla in data. En uppsättning elektroder under skivan levererade de elektriska slingorna, medan en sprutliknande metallsond mätte hur nervcellerna reagerade. Ljusa LED-lampor lyste upp skålen. Upplägget, att använda labbmedlemmarnas språkspråk, var lite hackigt.
Den här historien var en del av vårt novembernummer 2019
- Se resten av frågan
- Prenumerera
En monitor bredvid riggen visade stimulans och svar: stötar av elektricitet från elektroderna följdes, millisekunder senare, av nervceller som avfyrades. Senare skulle forskarna placera ett material med samma elektriska och optiska egenskaper som en mänsklig skalle mellan skivan och elektroderna, för att se om de kunde stimulera musens hippocampus också genom den simulerade skallen.
De gjorde detta för att de vill kunna upptäcka och manipulera signaler i mänskliga hjärnor utan att behöva skära igenom skallen och röra vid känslig hjärnvävnad. Deras mål är att så småningom utveckla exakta och känsliga hjärn-dator-gränssnitt som kan tas på och av som en hjälm eller pannband – ingen operation krävs.
Människoskallar är mindre än en centimeter tjocka: den exakta tjockleken varierar från person till person och plats till plats. De fungerar som ett suddiga filter som sprider vågformer, oavsett om det är elektriska strömmar, ljus eller ljud. Neuroner i hjärnan kan vara så små som några tusendelar av en millimeter i diameter och generera elektriska impulser så svaga som en tjugondels volt.
Elevernas experiment var avsett att samla in en baslinje med data som de kunde jämföra resultat från en ny teknik som Pulkit Grover, teamets huvudutredare, hoppas kunna utveckla.
Inget sådant här är [nu] möjligt, och det är verkligen svårt att göra, säger Grover. Han leder ett av sex team som deltar i nästa generations Nonsurgical Neurotechnology Program, eller N³, en $104 miljoner insats lanserades i år av Defense Advanced Research Projects Agency , eller DARPA. Medan Grovers team manipulerar elektriska signaler och ultraljudssignaler, använder andra team optiska eller magnetiska tekniker. Om någon av dessa tillvägagångssätt lyckas kommer resultaten att bli transformerande.
Kirurgi är dyrt, och operation för att skapa en ny sorts superkrigare är etiskt komplicerat. En tankeläsare som inte kräver någon operation skulle öppna upp en värld av möjligheter. Hjärn-datorgränssnitt, eller BCI:er, har använts för att hjälpa personer med quadriplegi att återta begränsad kontroll över sina kroppar, och för att göra det möjligt för veteraner som tappat lemmar i Irak och Afghanistan att kontrollera konstgjorda. N³ är den amerikanska militärens första seriösa försök att utveckla BCI med ett mer krigförande syfte. Att arbeta med drönare och svärmar av drönare, arbeta med tankens hastighet snarare än genom mekaniska enheter – den typen av saker är vad dessa enheter egentligen är till för, säger Al Emondi, chef för N³.
UCLA datavetare Jacques J. Vidal använde först termen hjärna-datorgränssnitt i början av 1970-talet; det är en av dessa fraser, som artificiell intelligens, vars definition utvecklas i takt med att kapaciteten den beskriver utvecklas. Elektroencefalografi (EEG), som registrerar elektrisk aktivitet i hjärnan med hjälp av elektroder placerade på skallen, kan betraktas som det första gränssnittet mellan hjärnor och datorer. I slutet av 1990-talet hade forskare vid Case Western Reserve University använt EEG för att tolka en quadriplegic persons hjärnvågor, vilket gjorde det möjligt för honom att flytta en datormarkör med hjälp av en tråd som sträckte sig från elektroderna på hans hårbotten.
Både invasiva och icke-invasiva tekniker för att läsa från hjärnan har utvecklats sedan dess. Så har också enheter som stimulerar hjärnan med elektriska signaler för att behandla tillstånd som epilepsi. Den mest kraftfulla mekanismen som har utvecklats hittills kallas en Utah-array. Det ser ut som en liten bädd av spikar, ungefär hälften så stor som en pinkie-nagel totalt, som kan penetrera en viss del av hjärnan.
En dag 2010, när han var på semester i North Carolinas Outer Banks, dök Ian Burkhart ner i havet och slog huvudet i en sandbank. Han krossade sin ryggmärg och förlorade funktionen från den sjätte cervikala nerven och ner. Han kunde fortfarande röra armarna vid axeln och armbågen, men inte händerna eller benen. Sjukgymnastik hjälpte inte mycket. Han frågade sina läkare vid Ohio State Universitys Wexner Medical Center om det fanns något mer de kunde göra. Det visade sig att Wexner hoppades kunna genomföra en studie tillsammans med Battelle, ett ideellt forskningsföretag, för att se om de kunde använda en Utah-array för att återuppliva lemmar på en förlamad person.
Där EEG visar den samlade aktiviteten hos otaliga neuroner, kan Utah-arrayer registrera impulserna från ett litet antal av dem, eller till och med från en enda. 2014 implanterade läkare en Utah-array i Burkharts huvud. Arrayen mätte det elektriska fältet på 96 platser inuti hans motoriska cortex, 30 000 gånger per sekund. Burkhart kom till labbet flera gånger i veckan i över ett år, och Battelle-forskare tränade sina signalbehandlingsalgoritmer för att fånga hans avsikter när han, mödosamt och systematiskt, tänkte på hur han skulle röra sin hand om han kunde.
En tjock kabel, ansluten till en piedestal som kommer ut ur Burkharts skalle, skickade impulserna som mättes av Utah-arrayen till en dator. Datorn avkodade dem och sände sedan signaler till en hylsa med elektroder som nästan täckte hans högra underarm. Hylsan aktiverade hans muskler för att utföra de rörelser han tänkt sig, som att ta tag i, lyfta och tömma en flaska eller ta bort ett kreditkort ur plånboken.
Det gjorde Burkhart till en av de första som återtog kontrollen över sina egna muskler genom en sådan neural bypass. Battelle – ett annat av teamen i N³-programmet – arbetar nu med honom för att se om de kan uppnå samma resultat utan ett skallimplantat.
Det innebär att man inte bara kommer med nya enheter, utan också med bättre signalbehandlingstekniker för att förstå de svagare, röriga signalerna som kan plockas upp från utsidan av skallen. Det är därför Carnegie Mellon N³-teamet leds av Grover – en elektrisk ingenjör till sin utbildning, inte en neuroforskare.
Jag är supermotiverad för det – mer än någon annan i rummet.
Strax efter att Grover anlänt till Carnegie Mellon bjöd en vän vid University of Pittsburgh Medical School in honom att delta i kliniska möten för epilepsipatienter. Han började misstänka att mycket mer information om hjärnan kunde utläsas från EEG än vad någon gav den kredit för - och omvänt, att smart manipulation av externa signaler kunde ha effekter djupt inne i hjärnan. Några år senare publicerade ett team ledd av Edward Boyden vid MIT:s Center for Neurobiological Engineering ett anmärkningsvärt dokument som gick långt utöver Grovers allmänna intuition.
Boydens grupp hade applicerat två elektriska signaler, med höga men något olika frekvenser, på utsidan av skallen. Dessa påverkade inte neuroner nära ytan av hjärnan utan de som är djupare inuti den. I ett fenomen som kallas konstruktiv störning, kombinerade de för att producera en lägre frekvenssignal som stimulerade nervcellerna att elda.
Grover och hans grupp arbetar nu för att utöka Boydens resultat med hundratals elektroder placerade på ytan av skallen, både för att exakt rikta in små regioner i hjärnans inre och för att styra signalen så att den kan växla från en hjärnregion till en annan medan elektroderna stannar på plats. Det är en idé, säger Grover, som neuroforskare sannolikt inte skulle ha haft.
Samtidigt, vid Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (APL), använder ett annat N³-team ett helt annat tillvägagångssätt: nära-infrarött ljus.
Nuvarande uppfattning är att neural vävnad sväller och drar ihop sig när neuroner avfyrar elektriska signaler. Dessa signaler är vad forskare registrerar med EEG, en Utah-matris eller andra tekniker. APL:s Dave Blodgett hävdar att vävnadens svullnad och sammandragning är en lika bra signal om neural aktivitet, och han vill bygga ett optiskt system som kan mäta dessa förändringar.
Det förflutnas tekniker kunde inte fånga sådana små fysiska rörelser. Men Blodgett och hans team har redan visat att de kan se den neurala aktiviteten hos en mus när den snärtar med ett morrhår. Tio millisekunder efter att en morrhår snärtar, registrerar Blodgett motsvarande nervceller som avfyras med sin optiska mätteknik. (Det går 1 000 millisekunder på en sekund och 1 000 mikrosekunder på en millisekund.) I exponerad neural vävnad har hans team registrerat neural aktivitet inom 10 mikrosekunder – lika snabbt som en Utah-array eller andra elektriska metoder.
Nästa utmaning är att göra allt detta genom skallen. Detta kan låta omöjligt: skallar är trots allt inte genomskinliga för synligt ljus. Men nära-infrarött ljus kan färdas genom ben. Blodgetts team avfyrar lågdrivna infraröda lasrar genom skallen och mäter sedan hur ljuset från dessa lasrar sprids. Han hoppas att detta kommer att låta dem sluta sig till vilken neural aktivitet som äger rum. Tillvägagångssättet är mindre väl beprövat än att använda elektriska signaler, men det är exakt de typer av risker som DARPA-program är utformade för att ta.
Tillbaka på Battelle utvecklar Gaurav Sharma en ny typ av nanopartiklar som kan passera blod-hjärnbarriären. Det är vad DARPA kallar en minimalt invasiv teknik. Nanopartikeln har en magnetiskt känslig kärna inuti ett skal tillverkat av ett material som genererar elektricitet när tryck appliceras. Om dessa nanopartiklar utsätts för ett magnetfält, utsätter den inre kärnan på skalet, som sedan genererar en liten ström. Ett magnetfält är mycket bättre än ljus för att se genom skallen, säger Sharma. Olika magnetspolar gör det möjligt för forskarna att rikta in sig på specifika delar av hjärnan, och processen kan vändas - elektriska strömmar kan omvandlas till magnetfält så att signalerna kan läsas.
Det återstår att se vilken, om någon, av dessa tillvägagångssätt kommer att lyckas. Andra N³-team använder olika kombinationer av ljus, elektriska, magnetiska och ultraljudsvågor för att få signaler in och ut ur hjärnan. Vetenskapen är utan tvekan spännande. Men den spänningen kan skymma hur dåligt utrustade Pentagon och företag som Facebook, som också utvecklar BCI, är att ta itu med mängden av etiska, juridiska och sociala frågor som en icke-invasiv BCI ger upphov till. Hur kan svärmar av drönare som kontrolleras direkt av en mänsklig hjärna ändra karaktären av krigföring? Emondi, chef för N³, säger att neurala gränssnitt kommer att användas hur de behövs. Men militär nödvändighet är ett formbart kriterium.
I augusti besökte jag ett labb på Battelle där Burkhart hade tillbringat flera timmar innan han tänkte på en ny sleeve, utrustad med 150 elektroder som stimulerar hans armmuskler. Han och forskare hoppades att de kunde få hylsan att fungera utan att behöva förlita sig på Utah-arrayen för att fånga upp hjärnsignaler.
Ian Burkhart, till vänster, blev förlamad av en olycka och arbetar med forskare på Battelle för att utveckla bättre hjärn-dator-gränssnitt.
Burkhart fick en Utah-array, som visas till höger, implanterad i sin motoriska cortex 2014. Battelle-gruppen försöker nu utveckla ett sätt att läsa hans hjärnsignaler utan ett kirurgiskt implantat.
Om din ryggmärg har brutits är det svårt att tänka på att flytta armen. Burkhart var trött. Det finns en graderad prestation: hur hårt jag tänker på något översätts till hur mycket rörelse, sa han till mig. Medan du innan [olyckan] inte tänker 'öppna din hand' - vi andra tar bara upp flaskan. Men jag är supermotiverad för det - mer än någon annan i rummet, sa han. Burkhart gjorde det lätt att se teknikens potential.
Han berättade för mig att sedan han började arbeta med Utah-arrayen har han blivit starkare och mer skicklig även när han inte använder den – så mycket att han nu bor för sig själv och behöver bara hjälp några timmar om dagen. Jag pratar mer med händerna. Jag kan hålla i min telefon, säger han. Om det blir utarbetat till något som jag kan använda varje dag, skulle jag bära det så länge jag kan.
Paul Tullis är en författare som bor i Amsterdam.