Mind-Machine Merger

Ted Berger är en tankeläsare. Råttornas sinnen, alltså. I sitt labb vid University of Southern California placerar neurobiologen en liten mängd elektroder på en bit av en råtthjärna i en petriskål. Med en knapptryckning startar doktoranden Walid Soussou flödet av elektriska signaler in i vävnaden. Hjärncellerna svarar genom att generera sina egna elektriska impulser. Det här virvlande mönstret av neurala signaler fångas upp av elektroderna och visas på en närliggande datorskärm som en sköljning av färger som sträcker sig från lysande rött till mörkblått.

Under de närmaste timmarna kommer Berger och hans team att kartlägga kretsloppet bakom en av hjärnans mest komplexa funktioner: minnet. Det är grundforskning, men de gör det med ett stort tekniskt mål i åtanke. Bergers grupp syftar till att använda informationen för att bygga ett avancerat hjärna-maskin-gränssnitt - en enhet som länkar de biologiska kretsarna i en hjärna till kiselkretsarna i en dator - som kommer att förändra hur sinnet tänker.

Den här historien var en del av vårt majnummer 2003

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Under de senaste åren har forskargrupper runt om i landet implanterat elektroder i hjärnan på djur - och till och med ett fåtal människor - och har använt signaler som detekterats av dessa elektroder för att flytta robotarmar, spakar och markörer på datorskärmar ( se Annan hjärn-maskinforskning, tabell, sista sidan ). Syftet med arbetet har varit att ge förlamade patienter förmåga att kontrollera protesproteser och enkla kommunikationsverktyg. Men Bergers mål är ännu mer långtgående: att bygga ett datorchip som kommer att återställa de kognitiva förmågorna i själva hjärnan, hjälpa minnet hos patienter som lider av sådana neurologiska störningar som Alzheimers sjukdom och stroke och kanske så småningom förbättra förmågorna hos friska sinnen. . För att göra det måste forskarna förstå neurala processer som kan vara mer komplicerade än de som styr till exempel kontrollen av en armprotes. Det är ett av de mest ambitiösa projekten på hela området, säger Christof Koch, expert på beräkningar och neurala system på Caltech.

Så djärvt som det är, är Bergers team inte den enda gruppen som bryter ny mark i vad forskare ibland kallar neurala proteser. Ett tvåårigt program på 24 miljoner dollar från U.S. Defense Advanced Research Projects Agency, som lanserades i höstas, vidgar snabbt gränserna för forskning om gränssnitt mellan hjärna och maskin. De sex projekt som finansieras av DARPA:s program, inklusive Berger's vid University of Southern California, syftar till att utveckla teknologier som inte bara kommer att återställa utan också förstärka mänskliga förmågor, säger Alan Rudolph, programledare för DARPA-initiativet. Detta samordnade, välfinansierade stora vetenskapliga tillvägagångssätt för att förstå hur sinnen och maskiner kan interagera, säger han, kan få transformerande konsekvenser för försvaret och samhället.

Ansträngningen kommer att ge en ny generation av elektroder, datorchips och mjukvara som så småningom kan utrusta soldater, till exempel, för att kontrollera supersnabba konstgjorda lemmar, styra fjärrfordon och vägleda mobila robotar i farliga miljöer, med enbart kraften i sina tankar. Ännu mer anmärkningsvärt är att sådana enheter kan förbättra beslutsfattande, uppgradera minne och kognitiva färdigheter och till och med tillåta en persons hjärna att kommunicera trådlöst med en annans.

Även om sådana applikationer är lika spekulativa som de är spektakulära, ser forskare dem inte längre som ren fantasi. Deras nya optimism drivs delvis av en mängd nya framsteg inom neurovetenskap, gränssnittshårdvara och signalbehandling. Och inflödet av pengar skadar verkligen inte. DARPA lägger mycket större resurser på området än någonsin tidigare, säger William Heetderks, chef för Neural Prosthesis Program vid National Institutes of Health. Och eftersom forskare inom detta område inte har någon brist på innovativa idéer, tillägger han, kommer den nya finansieringen att ha en enorm effekt.

Fjärrkontroll

Bland de böljande kullarna i Durham, NC, försöker Duke Universitys Miguel Nicolelis lära gamla apor nya trick. Men först måste deras hjärnor lära sig att lyssna.

Under de senaste åren har Nicolelis och hans team visat att hjärnsignaler som fångas upp av elektroder implanterade i djurs hjärnor kan ge rudimentär kontroll av robotarmar. Men det finns ett problem: djuren vet inte att de kontrollerar någonting. För att komma till den punkt där djur - och så småningom människor - kan ta på sig mer sofistikerade uppgifter, säger Nicolelis, måste realtidskommunikation mellan sinne och maskin bli en dubbelriktad gata.

Så i Nicolelis labb styr en rhesusapa inte bara en robotarm genom hjärnsignaler som fångas upp av elektroder implanterade i dess huvud, den får också feedback från roboten - för tillfället i form av en markör på en skärm som visar robotens rörelser. Förvaras i separata rum, är apan och robotarmen länkade via kablar, en mikrodator och en parallell processor. Nästa steg blir att implementera taktil feedback. När apan försöker använda robotarmen för att ta en ölmugg av gummi, kommer robotarmen att skicka signaler för att tvinga givare placerade på djurets överarm; dessa motorer vibrerar kraftigt när robotens grepp dras åt. Och så småningom, säger Nicolelis, skulle systemet kunna ge ännu mer direkt feedback genom att elektriskt stimulera sensoriska områden i hjärnan. Tricket är att ge rätt sorts feedback så att apans hjärna kommer att integrera roboten som om den vore en del av sin egen kropp, säger han.

När de väl stänger slingan av interaktion mellan hjärna och maskin, säger Nicolelis, kan forskare börja tänka realistiskt om att designa system vars fysiska förmågor överträffar normala människors. Ett exempel: genom att kringgå nerver och muskler och koppla hjärnan direkt till en robotlem, säger han, kan det vara möjligt att minska reaktionstiderna med en faktor sex. Han förutspår att många laboratorier kommer att visa en sådan ökning av grundläggande fysiska förmågor under de kommande fem åren.

När Nicolelis arbetar med att replikera och utöka sådana vardagliga möjligheter som att greppa och lyfta, driver forskare vid University of Michigan gränssnitt mellan hjärna och maskin in i nya världar av fysisk kontroll. Den biomedicinska ingenjören Daryl Kipke och hans team lär råttor och apor hur man styr rörelserna hos en flotta av mobila robotar med hjälp av bara deras sinnen. Feedback är viktigt, säger Kipke, eftersom det gör att djuren får erfarenhet av att interagera med en enhet som är helt främmande, i det här fallet en halvmeter lång, sexbent robot som heter RHex (uttalas rex).

För närvarande måste den smidiga roboten antingen programmeras att köra i en viss riktning eller fjärrstyras av en handkontrollerad trådlös länk. Men gränssnitt mellan hjärna och maskin, säger forskarna i Michigan, kan möjliggöra snabbare och bättre koordinerad kontroll. I en avlägsen framtid kan soldater eller räddningspersonal - eventuellt på flera platser - koppla in sina sinnen till en central dator för att kontrollera en flotta av RHexes i fält. Guidade av hjärnimpulser skulle robotarna utföra sök- och räddningsuppdrag i krigszoner och katastrofområden, samtidigt som de skickade ljud, visuell och taktil feedback till sina kontroller. Det är hemkörningen, säger Kipke.

Även om det förmodligen fortfarande är decennier bort att nå det målet, arbetar Kipkes team mot det genom att extrahera signaler från neuroner i de områden av hjärnan som är involverade i att planera och utföra rörelser. Med allt brus från omgivande celler är det som att försöka lyssna på specifika konversationer på en basebollstadion. Inom ett år kommer forskarna att kirurgiskt implantera uppsättningar av kiselelektroder - var och en inte bredare än ett hårstrå - i ett djurs hjärna och ansluta varje grupp till en flexibel lågeffektkrets som ser ut som ett plåster på en kvadratcentimeter på djurets hud. Kretsen kommer att påskynda den övergripande behandlingen av signalerna och tillåta dem att skickas trådlöst till en central dator. Där kommer anpassad programvara att översätta signalerna till rörelser av en datormarkör, som djuret kommer att titta på. Nästa steg, säger Kipke, kommer att ansluta markören till RHex trådlösa kontrollsystem så att roboten gör detsamma när markören rör sig åt vänster.

Till sommaren planerar Michigan-teamet, tillsammans med fysiologen Dan Moran vid Washington University, att låta en apa i St. Louis navigera RHex genom en hinderbana i Ann Arbor, MI. Styrsignalerna kommer att passera fram och tillbaka via Internet, och apan kommer att övervaka en grafisk representation av robotens position och rörelser på en skärm. Det övergripande målet för det aktuella projektet är att testa om sådana gränssnitt kan engagera hjärnanvändning av både neurala kommandon och feedback för att styra allt mer avlägsna och komplexa enheter. Inom fem år kommer vi att veta om vi kan göra det här, säger Kipke.

Pumpar upp Perception

Medan Nicolelis och Kipke ökar hjärnans förmåga att kontrollera externa enheter, syftar andra i DARPA-initiativet på att manipulera hjärnans inre funktioner, specifikt de som skickar, tar emot och bearbetar syn och ljud. Genom att utnyttja sinnets visuella och auditiva regioner testar forskare om sådan information kan överföras mellan hjärnor och datorer för att förbättra perception och kommunikation. Om projekten lyckas kan de leda till häpnadsväckande nya gränssnitt som förbättrar människors förmåga att känna igen ansikten, föremål och tal och att fatta beslut. De kan till och med möjliggöra trådlös kommunikation från hjärna till hjärna, säger DARPAs Rudolph.

Innan de kan ta fram sådana system måste forskarna lära sig att läsa ut information från hjärnan, samt skriva in information, säger Tomaso Poggio, expert på artificiell intelligens vid MIT. Poggio och MIT neurofysiolog James DiCarlo, båda huvudutredarna i DARPA-programmet, arbetar med visuell perception och objektigenkänning hos rhesusapor. Forskarna kommer att presentera föremål som abstrakta former, bilar och djur på en datorskärm. Ett möjligt experiment är baserat på tidigare samarbeten med MIT-neuroforskaren Earl Miller: forskarna kan träna en apa för att avgöra om ett datorgenererat djur på en skärm ser mer ut som en katt eller en hund ( se Mind Readout, sidofält ). Programvara skulle sudda ut gränsen och skapa till exempel en bild som är 60 procent katt och 40 procent hund. Medan apan fattar sitt beslut, skulle forskarna använda implanterade elektroder för att spela in signaler från neuroner i synbarken: några av dessa celler avfyras när apan ser en katt, andra när den ser en hund.

Kiselkognition

Tillbaka vid University of Southern California driver Bergers team den längsta gränsen för hjärn-maskin-gränssnitt. När de väl har kartlagt signalmönstren för flera delar av hjärnan planerar forskarna att manipulera hur hjärnan bearbetar information och kommunicerar med sig själv, kort sagt hur hjärnan tänker . Detta arbete kan en dag leda till neurala proteser som återställer och till och med förbättrar kognitiva processer som minne. Föreställ dig att gå till doktorn för att återställa minnen som sedan länge bleknat eller köpa hårdvara som skärper din förmåga att komma ihåg folks namn.

Bergers team tar ett babysteg mot den visionen genom att utveckla ett datorchip som efterliknar signalbehandlingen av hippocampus, en spiralformad del av hjärnan som är avgörande för att lära sig och bilda minnen. Lyckligtvis är informationsflödet i hippocampus hos råttor okomplicerat, säger Berger, och kretsen ser liknande ut, men mer komplicerad, i den mänskliga hippocampus.

Det som gör saker och ting utmanande är att - åtminstone i Bergers syn - är minnet i hjärnan representerat i neuronernas dynamiska avfyrningsmönster, inte i ett fixerat arrangemang av bitar som i en dators minne. Om någon del av hjärnan ser ut som RAM, har vi inte hittat det ännu, säger Berger. Och neuroner är i sig knepiga. För att få en att skjuta är timing allt: det kan krävas en kombination av impulser från omgivande neuroner eller upprepade insignaler från en budbärare fördelad i tid bara så.

För att fånga denna dynamik har Bergers team utvecklat matematiska modeller av de enskilda neuronerna i fråga och har börjat implementera modellerna i hårdvara. Om neuron A skickar ett speciellt mönster av impulser till neuron B, säger University of Southern California biomedicinska ingenjör Vasilis Marmarelis, berättar modellen för dig vilket mönster neuron B kommer att skicka till neuron C. Det är inte sexigt, säger han, men det är det första steg på en mycket lång resa. Därifrån kommer forskarna att sätta tusentals neuronmodeller på ett kiselchip med låg effekt.

Senare i år, säger Berger, kommer proof-of-principle-experimentet att se ut så här: I en bit av en råttas hippocampus kommer forskarna att visa att elektriska signaler från region A bearbetas av region B och skickas vidare till region C. De kommer sedan att ta bort neuroner från region B och visa att produktionen av region C är störd. Slutligen kommer de att dirigera om signalerna genom ett prototypchip i stället för region B - för att se om det fullbordar kretsen och producerar samma övergripande signalmönster som den friska skivan.

Bild med tillstånd av John MacNeil

Om detta lyckas blir nästa steg att testa chippet på ett djur. Inom tre år planerar Bergers grupp att överlåta sitt gränssnitt till ett team som leds av fysiologen Sam Deadwyler vid Wake Forest University. Deadwyler tränar apor att komma ihåg clipart-bilder som blixtrade på en skärm och att välja bilder från en efterföljande lineup. Samtidigt spelar han in signaler från hippocampus som gör att han kan identifiera vilka neuroner som är viktiga för uppgiften – och till och med förutsäga om apan kommer att välja rätt. När Bergers gränssnitt är klart, säger Deadwyler, kommer forskarna tillfälligt inaktivera hippocampus så att primaten inte längre kan göra uppgiften; sedan ansluter de chippet till det drabbade området för att se om gränssnittet kan återställa apans prestanda.

Så småningom planerar Berger och Deadwyler att avgöra om chippet kan öka minnet: de kommer att implantera chipet i ett djur vars hippocampus är intakt. Med chippet kan apan kanske komma ihåg en bild under en längre tid eller kunna välja den ur en större uppsättning av distraktioner. I framtiden, säger Deadwyler, kan det vara möjligt att koppla en persons hjärna till hårdvara som gör att minnen håller längre eller som gör att man kan hålla reda på ständigt ökande mängder information, som när man rusar genom en hektisk flygplats och behöver kom ihåg ett telefonnummer i några sekunder. Men förvänta dig inte att se detta snart. Vi är långt ifrån att bli bättre på papper och penna, säger NIH:s Heetderks.

För det första möter Bergers grupp skepsis från vissa forskare som inte accepterar den grundläggande premissen att minnet enbart består av dynamiska mönster av neuronaktivitet. Och den står inför många av de praktiska utmaningarna som andra forskarlag inom neurala proteser brottas med. För närvarande vet ingen exakt vilka neuroner - eller hur många - som behöver avlyssnas för att få användbara enheter. Beroende på applikationen kan forskarna behöva komma åt tusentals hjärnceller på en gång. Och det finns beräkningshinder de måste övervinna innan gränssnitten kan behandla massivt parallella strömmar av neurala data i realtid.

Men den största tekniska utmaningen ligger kanske i att fysiskt ansluta stel hårdvara till ömtåliga hjärnceller och upprätthålla dessa anslutningar i månader eller till och med år i taget, säger John Chapin, en fysiolog vid State University of New York Downstate Medical Center som hjälpte till att banbryta metoder för åtkomst till hjärnans signaler i mitten av 1990-talet. Eftersom neuroner ständigt ändrar sina positioner och ändrar sina anslutningar, måste gränssnittet vara flexibelt, biokompatibelt och anpassningsbart till förändringar i de signaler det tar emot. Med detta i åtanke pressar DARPAs Rudolph på för att främja en standardiserad elektrodplattform över hela initiativet så att varje team inte uppfinner hjulet på nytt. Men det här är lättare sagt än gjort. Forskare skulle hellre använda varandras tandborstar än varandras elektroder, säger Caltechs Koch.

Även om gränssnittsteknikerna fungerar kan de möta en lång väg till acceptans. Förlamade patienter som är angelägna om att få förbättrade fysiska förmågor kan vara villiga att acceptera riskerna med operation och att leva med hårdvara implanterad i deras hjärnor, men de flesta friska människor skulle förmodligen avstå från förslaget. I själva verket, säger Rudolph, föreställer vi oss verkligen inte att implantera friska människor med den här typen av enheter. Nyckeln till att kunna återställa eller utöka mänskliga förmågor, säger han, kommer att vara att få tillgång till hjärnans signaler på ett diskret sätt - idealiskt utan sladdar, elektroder eller operationer.

Innan DARPA – eller någon annan, för den delen – kommer att investera i nästa generations teknik för hjärnsignaldetektering, måste forskare avgöra om neurala proteser kommer att vara praktiska i sina nya tillämpningar. Om det lyckas, säger Rudolph, kommer vi att ha sådd det viktiga arbetet för att visa att detta kan göras och - om ett icke-invasivt verktyg kan hittas för att extrahera samma typ av information - att mänsklig prestationsförbättring kan föreställas. Och även om denna vision fortfarande är år borta, kan våra sinnen redan vara på väg mot ett nytt sätt att tänka.

Annan hjärn-maskinforskning
FORSKARE	INSTITUTION	PROJEKT
Richard Andersen	Caltech	Elektrodsystem för att registrera hjärnimpulser
Niels Birbaumer	Universitetet i Tbingen (Tyskland)	Icke-invasiva hjärnsignaldetektorer
John Donoghue	Brown University och Cyberkinetik (Providence, RI)	Neurala proteser som ger förlamade patienter kontroll över datorer
Philip Kennedy	Neurala signaler (Atlanta, GA)	Första mänskliga tester av hjärnimplantat för att återställa kommunikationen hos helt förlamade patienter
Andrew Schwartz	University of Pittsburgh	Neurala proteser som styr robotarmar
Harvey Wiggins	Plexon (Dallas, TX)	Hårdvara och mjukvara för inspelning och analys av hjärnsignaler

Dölj