211service.com
Hjärnkraft
I ett litet labb vid Brown University i Providence, RI, sitter en rhesusmakak i en stol vänd mot en datorskärm och greppar handtaget på en enhet som liknar en segelbåts rorkult. För tillfället använder apan den här enheten som om den vore en datorjoystick för att styra ett enkelt videospel: en färgad prick visas på skärmen och djuret flyttar markören för att möta den. Men när djuret blir bra på uppgiften kommer forskarna i det angränsande rummet att vrida en strömbrytare och det kommer att vara signaler direkt från apans hjärna, inte joystickens rörelser, som driver markören.
Denna kusliga bedrift är möjlig eftersom forskarna, ledda av Browns neuroforskare John Donoghue, har implanterat en liten mängd elektroder i apans hjärna. Elektroderna fångar upp signaler från enskilda neuroner i hjärnan, och en specialutvecklad datoralgoritm översätter dessa signaler till banor och hastigheter för datormarkören. Forskarnas ambitioner sträcker sig dock långt bortom apor som spelar videospel. Deras förhoppning är att deras hjärna-maskin-gränssnittssystem kommer att ge patienter som är förlamade av ryggmärgsskador eller neurodegenerativa sjukdomar nya förmågor att interagera med världen omkring dem - utan att använda något annat än kraften i sina tankar.
Den här historien var en del av vårt aprilnummer 2002
- Se resten av frågan
- Prenumerera
Donoghue och hans team lanserade Cyberkinetics i juni 2001 för att fullfölja den visionen. Företaget är ett av de första som har uppstått från forskning om hjärn-maskin-gränssnitt, som hittills huvudsakligen har förpassats till en handfull akademiska laboratorier runt om i världen ( se Brain-Machine Interfaces, BARN Januari/februari 2001 ). Och även om mycket utveckling återstår att göra, kan ett system som Cyberkinetics som knackar direkt in i hjärnan teoretiskt sett ge förlamade patienter möjlighet att styra datorer, robothjälpmedel - och kanske till och med sina egna muskler. Cyberkinetics siktar på att börja testa den teorin på människor i slutet av detta år.
I apstudierna som kommer att bana väg för mänskliga tester fokuserar företaget – som inkluderar medgrundarna Nicholas Hatsopoulos från University of Chicago, Brown MD/PhD-student Mijail Serruya och Gerhard Friehs, en neurokirurg vid Providence Rhode Island Hospital – på det område av hjärnan som ger kommandon till apans arm. Friehs börjar med att implantera en fyra millimeter kvadratisk array av 100 elektroder i denna region, som ligger i hjärnans yttersta lager, ungefär halvvägs mellan örat och toppen av skallen. Efter operationen slingrar sig ett litet knippe trådar från arrayen genom ett hål i djurets skalle; dessa kablar är anslutna till en dator och matar de elektriska signalerna som genereras av neuroner som skjuter nära varje elektrod in i maskinen.
Hatsopoulos sitter vid den där datorn medan den inkopplade apan övar på ett videospel i nästa rum. Hjärnaktiviteten som plockas upp av arrayen blinkar över skärmen som ett virrvarr av hyperkinetiska EKG-liknande grafer; Hjärnsignaler som görs hörbara av datorns högtalare knäpper, sprakar och poppar som Rice Krispies i mjölk. Hatsopoulos skruvar upp volymen. Det där tröttnar jag aldrig på att lyssna på, säger han. Det här är verkligen som att läsa sinnet, avlyssna celler i hjärnan när apan tänker på något. Mjukvara för mönsterigenkänning fiskar upp signaltopparna - var och en representerar en enda avfyring av en enda neuron - från hjärnans bakgrundsljud och korrelerar dem med positionen för apans arm. Det fantastiska, säger Donoghue, är att du väldigt snabbt kan få en känsla av neuronernas aktivitet och extrahera handens bana. Faktum är att med bara tre minuters eller så data från videospelsövningen kan datorn bygga en modell som kan extrapolera apans armrörelser enbart från hjärnsignalen. När modellen väl är finjusterad kan datorn använda hjärnsignalen för att driva antingen en markör eller en robotarm i realtid.
Sådana lovande resultat är en del av det som inspirerade forskarna att lansera Cyberkinetics och driva mot kliniska prövningar. Vi vet redan så mycket; nu ska vi använda det, säger Serruya. Deltagarna i Cyberkinetics första mänskliga test kommer att vara inlåsta patienter som på grund av skada, stroke eller neurologisk sjukdom är helt förlamade, oförmögna att ens kommunicera annat än genom subtila ögonrörelser. I de första försöken kommer företaget att implantera elektroduppsättningen, tillverkad av Salt Lake City, UT-baserade Bionic Technologies, men signalbehandlingshårdvaran och strömförsörjningen kommer att förbli utanför kroppen. Om de första mänskliga testerna bekräftar löftet om apexperimenten, planerar företaget att vidareutveckla tekniken för att skapa en helt implanterbar enhet.
Hittills har endast ett företag genomfört mänskliga tester av ett hjärnregistrerande implantat i syfte att hjälpa till att återställa funktionen hos förlamade patienter: Atlanta, GA-baserade neurala signaler. Istället för en elektroduppsättning implanterar företaget två neurotrofa elektroder-glasrör som innehåller små trådar och ett ämne som uppmuntrar hjärnceller att växa in i enheterna. Neurologen och grundaren av neurala signaler Philip Kennedy säger att studierna, som påbörjades 1997, går långsammare än han ursprungligen hade hoppats, men att företaget borde ha några tydliga resultat i slutet av året. Cyberkinetikforskare tror dock att implantering av 100 elektroder istället för bara två kommer att göra deras system mer robust och kommer att tillåta det att samla in mer information från hjärnan.
Även om det senaste arbetet med gränssnitt mellan hjärna och maskin är uppmuntrande, kvarstår några betydande hinder, säger William Heetderks, chef för National Institutes of Healths program för neurala proteser, som hjälper till att finansiera forskning om gränssnitt mellan hjärna och maskin. Den kanske största utmaningen, säger Heetderks, är att bygga ett gränssnitt mellan inspelningsenheten (en stel hårdvara) och hjärnan (en squishy massa som flyter i cerebrospinalvätska) som kommer att behålla sin exakta position i årtionden, trots små rörelser i hjärnan . Medan både Kennedys och Donoghues enheter representerar framsteg på den fronten-Kennedys genom att uppmuntra celler att växa in i enheten och stabilisera anslutningen, tror Donoghue genom att gripa hjärnan ungefär som golfklyftor griper våt jord-Heetderks tror att en kombination av tillvägagångssätt i slutändan kan bli nödvändig . Vid denna tidpunkt, säger Heetderks, kan mänskliga studier fortfarande vara lite för tidigt. Men det är uppenbarligen bara en åsikt.
Greg Licholai, chef för ventures och affärsutveckling för den neurologiska divisionen i Minneapolis, MN-baserade Medtronic, erbjuder en annan syn. Detta är verkligen ett genombrott när det gäller att närma sig neurologiska störningar, säger Licholai om Donoghues ansträngningar. Jag tror inte att det kommer att bli några problem att rekrytera patienter, och systemet har bevisats väl i en djurmodell. Det enda potentiella uppehållet är hur lång tid det tar för dem att upprätta dokumenten och få FDA-godkännande av dessa prövningar i tidiga skeden.
Cyberkinetics affärschef och enda anställd, Brown-studenten Mikhail Shapiro, hjälper företaget att leta efter ledningsgruppen och finansiering som det kommer att behöva för att få ordning på det pappersarbetet och de mänskliga testerna igång. Shapiro och företagets grundare inser alla att de kommer att möta både affärsmässiga och tekniska utmaningar, men de är också övertygade om att, som Hatsopoulos uttrycker det, This is real. Det här kommer verkligen att hjälpa människor.