Regeringen söker High-Fidelity Brain-Computer Interface

Konrad Kording har sett framtiden för neurovetenskap och han tycker att det är deprimerande.

För några år sedan bestämde sig Kording, en dataforskare vid Northwestern University med intresse för neurovetenskap, för att undersöka hur många neuroner som forskare någonsin hade registrerat samtidigt i hjärnan på ett levande djur. Att spela in nervcellers elektriska prat är något vi måste göra mycket mer av om vi vill förstå medvetandet eller utveckla sätt att återställa rörelse hos förlamade individer.

Resultatet blev 2011 Naturens neurovetenskap artikel som beskriver Stevensons lag – så uppkallad efter doktoranden och första författaren Ian Stevenson. I likhet med Moores lag, som förutsäger en fördubbling av datorkraften vartannat år, dokumenterade Stevensons lag också exponentiell tillväxt i antalet neuroner som forskare har kunnat spela in från samtidigt. Men medan alla är glada och imponerade av Moores lag, säger Kording att alla inom neurovetenskap vill se Stevensons lag dö.

En mikroskopisk bild av kalciumsensorer (grön), nervcellers kärnor (röda) och stödjande celler som kallas astrocyter.

Anledningen är att var och en av oss har ungefär 80 miljarder neuroner i våra hjärnor. Men vad data visade är att från 1920-talet, när forskare först lyssnade på de elektriska spikarna i en enda neuron, hade de fördubblat antalet bara vart sjunde år, till cirka 500 på en gång. I den här takten, säger Kording, kommer vi alla att vara döda innan vi kan spela in ens delar av en mushjärna. Det är inte kul.

Den här veckan kommer massor av neuroforskare att bege sig till Arlington, Virginia, för att diskutera hur de kan gå till väga för att bryta mot Stevensons lag. Dragningen är ett symposium som beskriver kraven för ett nytt program för försvarsdepartementet som heter Neural Engineering System Design, som kommer att dela ut 60 miljoner dollar som en del av president Obamas BRAIN Initiative. Målet: att utveckla teknologier som kan spela in från en miljon neuroner samtidigt på bara fyra år.

Men det är bara en början. DARPA, byrån som administrerar programmet, vill också ha en enhet som kan stimulera minst 100 000 neuroner i hjärnan. Det måste vara trådlöst, och all elektronik måste passa i ett paket som inte är mycket större än ett nickel. Slutligen förväntas forskare uppfylla de säkerhetskrav som är nödvändiga för att genomföra studier på människor, något som kräver ett undantag från U.S. Food and Drug Administration.

Michael Roukes, professor i fysik och bioteknik vid Caltech, kallar tidsramen extremt aggressiv. Byråns tendens att sätta ambitiösa mål som inte alltid uppfylls är känd som DARPA-galen.

Men jag förstår modellen, säger han. Låt oss ta ett månskott, eller hur?

Målet med projektet förvånar inte Roukes. Det uttalade målet för BRAIN Initiative (se Why Obama's Brain-Mapping Project Matters ) är att utveckla sätt att läsa – och skriva till – de storskaliga ensembler av hjärnceller som utgör hjärnans kretsar och som arbetar tillsammans för att låta oss uppfatta och reagera på världen. För att göra det är det tydligt att neurovetenskapens hårdvara behöver en rejäl uppgradering.

Vad som är viktigast är att utveckla tekniken för att ta en komplett neural krets – låt oss säga hjärnan från ett litet djur eller en bit av cortex från en mus eller en människa, och registrera från varje neuron där, säger Rafael Yuste, neuroforskare vid Columbia University. Yuste säger att de flesta forskare fortfarande använder inspelningar där människor sticker in dessa elektroder och registrerar aktivitet från en neuron i ett djur eller en patient. Föreställ dig bara att du försöker analysera en orkester [genom att lyssna på] vad ett enskilt instrument spelar.

De nuvarande inspelningsrekorden innehas av team som försöker utveckla hjärn-maskin-gränssnitt för förlamade människor, en teknik som också intresserar DARPA. Team vid Brown University och University of Pittsburgh, bland annat, har lyckats använda uppsättningar av vassa kiselnålar för att registrera från mellan 200 till 300 neuroner samtidigt inuti frivilliga hjärnor. Det räcker för att ungefär läsa vilka arm- och handrörelser en person tänker på, och använda signalen för att flytta en robotarm (se Tankeexperimentet) eller styra en rullstol.

Du ser robotarmar som flyttas i dag, säger Jonathan Wolpaw, expert på hjärn-datorgränssnitt vid Wadsworth Center vid New York Department of Health. Men de är inte något som är i närheten av redo att tas ut från labbet. Det finns ingen BCI som du nu skulle vilja använda för att styra en rullstol på kanten av en klippa eller för att köra i tung trafik.

En anledning till att neuroforskare är säkra på att större ensembler av neuroner har svaren är att den genomsnittliga neuronen toppar, högst ett par gånger per sekund. Ändå är rörelse beroende av justeringar som sker på en tidsskala som är minst 10 gånger snabbare. Det betyder att en enskild neuron omöjligen kan innehålla den information som behövs för att koda invecklarna i ett danssteg eller att spela piano. Rörelse är fördelad över många miljoner neuroner över flera hjärnområden, säger Kording. Vi behöver minst 1 000 gånger fler neuroner för en fantastisk protesanordning, enligt min uppskattning.

En strategi för hur man tar sig dit är att krympa storleken på elektroderna så att bioingenjörer kan stoppa in fler av dem i hjärnan på en gång. Det tillvägagångssättet används vid Duke University, säger Mikhail A. Lebedev, en senior forskare i en grupp som för närvarande hävdar flera neurala inspelningar hos apor, som läser cirka 500 neuroner åt gången, som den hanterade genom att mödosamt sätta in buntar av tunna elektroder in i en apas hjärna.

Andra tycker att det behövs helt nya angreppssätt. Vid University of California, Berkeley, undersöker forskare neuralt damm som består av mikroskopiska fritt svävande sensorer som kan spridas runt hjärnan. Optiska tekniker lovar också. År 2013 visade Misha Ahrens, en neuroforskare vid Howard Hughes Medical Institutes Janelia Farms campus, att han kunde spela in från 100 000 neuroner – praktiskt taget hela hjärnan hos en zebrafisk – genom att genetiskt modifiera dem så att de lyser efter att de har skjutit av. Ahrens säger att det redan genererar en del överraskningar att titta på så många neuroner samtidigt. Du kan hitta områden som är relevanta för beteende där du inte skulle se ut annars, säger han.

Ahrens prestation räknas inte mot DARPA:s mål, eller mot att knäcka Stevensons lag, eftersom hans metod inte fångar nervcellernas elektriska toppar exakt när de inträffar. Det beror på att de glödande molekylerna sätts igång av förändringar i kalciumkoncentrationer som inträffar inuti en cell först efter att den avfyrats. Roukes, Caltech-forskaren, säger att forskare redan arbetar med att utveckla fluorescerande molekyler som reagerar direkt på spänningsförändringar.

Ett annat problem är att till skillnad från en zebrafisk, som i princip är genomskinlig, har den mänskliga hjärnan en mjölkaktig konsistens som är svår att se igenom. För att hantera det, säger Roukes, kan det vara möjligt att glida ultrasmala kiselskaft genom hela hjärnan. Dessa skulle innehålla den hårdvara som behövs för att både avge ljus och detektera det från närliggande celler, för att komma runt problemet med hjärnans opacitet. Om tillräckligt många av dessa pelare användes skulle hela hjärnan kunna belysas, beräknar Roukes.

Även om optiska tekniker är lovande, kan FDA vara ovilliga att låta forskare genetiskt modifiera frivilligas hjärnor så att de lyser. Roukes säger att som ett resultat planerar han och hans medarbetare att presentera DARPA med ett mer konventionellt förslag som fortfarande förlitar sig på mer konventionella elektroder.

DARPA har skäl att insistera på att alla inspelningsscheman ska prövas på människor. Byrån hoppas att målet ska locka intresse från medicintekniska företag såväl som tillverkare av halvledare och optiska instrument. Utan industrins engagemang finns det liten chans att få hjärn-maskin-gränssnitt att förbättras lika snabbt som datorer har gjort.

Genom att försöka trycka in detta i människor kan de kanske få några tekniska element som inte har använts i djurexperimenten eftersom det inte har varit så mycket ekonomisk drivkraft för det, säger Adam Marblestone, neuroforskare vid MIT . Han hoppas få se någon riktigt seriös ingenjörskonst som har saknats i akademiska experiment.

Dölj