Tankeexperimentet

I en anmärkningsvärd studie använde en förlamad kvinna sitt sinne för att kontrollera en robotarm. Om det bara fanns ett realistiskt sätt att få ut den här tekniken från labbet och in i det verkliga livet. Förbi

• Antonio Regalado arkivsida

17 juni 2014

Jag var cirka 15 minuter sen till mitt första telefonsamtal med Jan Scheuermann. När jag försökte be om ursäkt för att jag lät henne vänta stoppade hon mig. Jag satt inte bara och väntade på dig, du vet, sa hon innan hon kom ikapp sig själv. Tja, faktiskt jag var sitter runt.

Scheuermann, som är 54, har varit förlamad i 14 år. Hon hade bott i Kalifornien och drivit ett deltidsföretag med mysterieteatermiddagar, där gästerna spelade ut roller som hon hittade på för dem. Helt frisk, gift, med två barn, säger hon. En natt, under en middag hon hade organiserat, kändes det som om hennes ben släpade efter henne. Jag räknade ut det till en kall snöig natt, men det var ett par steg i huset, och pojken, jag hade verkligen problem, säger hon.

Den här historien var en del av vårt julinummer 2014

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Ängsliga månader av läkarbesök och feldiagnoser följde. En neurolog sa att hon hade multipel skleros. Då använde hon en elektrisk rullstol och bleknade snabbt. Hon trodde att hon var döende, så hon flyttade hem till Pittsburgh, där hennes familj kunde ta hand om hennes barn. Så småningom fick hon diagnosen en sällsynt sjukdom som kallas spinocerebellar degeneration. Hon kan känna sin kropp, men nerverna som för signaler från hennes hjärna fungerar inte längre. Hennes hjärna säger Flytta, men hennes lemmar kan inte höra.

För två och ett halvt år sedan skruvade läkare in två portar i Scheuermanns skalle (hon kallar dem Lewis och Clark). Portarna gör det möjligt för forskare att sätta in kablar som ansluter till två implantat i storleken av häftstift i hjärnans motoriska cortex. Två eller tre gånger i veckan går hon med i ett team av forskare vid University of Pittsburgh och kopplas in i en robotarm som hon styr med sinnet. Hon använder den för att flytta block, stapla kottar, ge high fives och posera för fåniga bilder, och gör saker som att låtsas slå ut en forskare eller två. Hon kallar armen Hector.

Scheuermann, som säger att hon i sina drömmar inte är handikappad, genomgick en hjärnoperation 2012 efter att ha sett en video av en annan förlamad patient som styr en robotarm med sina tankar. Hon ansökte omedelbart om att få vara med i studien. Under operationen använde läkarna en luftpistol för att avfyra de två små bäddarna av silikonnålar, kallade Utah Electrode Array, in i hennes motoriska cortex, den smala hjärnremsan som löper över huvudet till käkarna och kontrollerar frivilliga rörelser. . Hon vaknade från operationen med en bultande huvudvärk och det värsta fallet av köparens ånger. Hon kunde inte tro att hon hade genomgått en frivillig hjärnoperation. Jag trodde, Snälla, gud, låt inte detta vara för intet. Min största rädsla var att det inte skulle fungera, säger hon. Men inom några dagar kontrollerade hon robotarmen, och med oväntad framgång: jag flyttade något i min miljö för första gången på flera år. Det var flämtande och spännande. Forskarna kunde inte torka av leendet från deras ansikten på flera veckor heller.

Jan Scheuermann staplar kottar med en sinneskontrollerad robotarm när forskningsassistent Brian Wodlinger tittar på hennes arbete.

Scheuermann är en av cirka 15 till 20 förlamade patienter som har anslutit sig till långtidsstudier av implantat som kan förmedla information från hjärnan till en dator. Hon är det första ämnet i Pittsburgh. Nio andra, inklusive personer i avancerade stadier av ALS, har genomgått liknande tester i en närbesläktad studie, kallad BrainGate. Ytterligare fyra inlåsta patienter, oförmögna att röra sig eller tala, har återfått en viss förmåga att kommunicera tack vare en annan typ av elektrod utvecklad av ett Georgia-företag som heter Neural Signals.

En tredjedel av dessa patienter har opererats sedan 2011, när U.S. Food and Drug Administration sa att det skulle luckra upp reglerna för att testa verkligt banbrytande teknologier som gränssnitt mellan hjärna och maskin. Fler mänskliga experiment är på gång. En, på Caltech, vill ge en patient autonom kontroll över operativsystemet Google Android för surfplattor. Ett team vid Ohio State University, i samarbete med FoU-organisationen Battelle, satte ett implantat i en patient i april med avsikten att använda patientens hjärnsignaler för att kontrollera stimulatorer fästa vid hans arm. Battelle beskriver idén som att återuppliva en förlamad lem under frivillig kontroll av deltagarens tankar.

Dessa nerviga, förstklassiga studier bygger på det faktum att registrering av den elektriska aktiviteten hos några dussin celler i hjärnan kan ge en ganska korrekt bild av var någon avser att flytta en lem. Vi är tekniskt begränsade till att ta prover på ett par hundra neuroner, från miljarder i din hjärna, så det är faktiskt fantastiskt att de överhuvudtaget kan få ut en signal, säger Kip Ludwig, chef för det neurala ingenjörsprogrammet vid National Institute of Neurological Disorders and Stroke .

Tekniken som används i Pittsburgh utvecklades i fysiologiska laboratorier för att studera djur, och den är uppenbarligen fortfarande experimentell. De medföljande ledningarna leder från Scheuermanns kranium till ett skrymmande rack av signalprocessorer, förstärkare och datorer. Den nio kilo tunga robotarmen, som betalas av militären, har en skicklig hand och fingrar som kan göra verklighetstrogna rörelser, men den är petig, går sönder ofta och är något farlig. När saker och ting inte fungerar, jagar doktorander bland härvor av ledningar efter lösa anslutningar.

John Donoghue, neuroforskaren vid Brown University som leder den längre pågående BrainGate-studien, jämför dagens hjärn-maskin-gränssnitt med de första pacemakrarna. De tidiga modellerna innehöll också vagnar med elektronik, med kablar stansade genom huden in i hjärtat. Vissa var handvevade. När du inte vet vad som händer, håller du så mycket som möjligt på utsidan och så lite som möjligt på insidan, säger Donoghue. Idag är pacemakers dock fristående, drivs av ett långvarigt batteri och installerade på en läkarmottagning. Donoghue säger att hjärn-maskin-gränssnitt är i början av en liknande bana.

För att hjärnkontrollerade datorer ska bli en medicinsk produkt måste det finnas en ekonomisk logik, och riskerna måste kompenseras av belöningen. Hittills har Scheuermanns fall kommit närmast att visa att dessa villkor kan uppfyllas. 2013 rapporterade Pittsburgh-teamet sitt arbete med Scheuermann i den medicinska tidskriften Lansett . Efter två veckor, rapporterade de, kunde hon flytta robotarmen i tre dimensioner. Inom några månader kunde hon göra sju rörelser, inklusive att rotera Hectors hand och flytta tummen. Vid ett tillfälle filmades hon när hon matade sig själv med en tugga av en chokladkaka, ett mål hon hade satt upp för sig själv.

Forskarna försökte visa att de var nära något praktiskt – att hjälpa till med så kallade dagliga uppgifter som de flesta tar för givet, som att borsta tänder. Under studien undersöktes Scheuermanns förmågor med hjälp av Action Research Arm Test, samma kit med träblock, kulor och koppar som läkare använder för att utvärdera handskicklighet hos personer med nyligen skadade skador. Hon fick 17 av 57, eller ungefär lika bra som någon med en svår stroke. Utan Hector hade Scheuermann gjort noll. Fynden som gjorts 60 minuter .

Till en början var det framgång, framgång, framgång, men Scheuermann säger att ingen sa till henne att implantatet kunde sluta fungera. Gradvis registreras det från färre neuroner. Hennes kontroll över robotarmen försvagas.

Sedan tv-kamerorna försvann har dock några av bristerna med tekniken blivit uppenbara. Till en början fortsatte Scheuermann att visa nya förmågor. Det var framgång, framgång, framgång, säger hon. Men det har blivit svårare att kontrollera Hector. Anledningen är att implantaten med tiden slutar registreras. Hjärnan är en fientlig miljö för elektronik, och små rörelser i arrayen kan också bygga upp ärrvävnad. Effekten är välkänd för forskare och har observerats hundratals gånger hos djur. En efter en kan färre neuroner detekteras.

Scheuermann säger att ingen berättade för henne. Teamet sa att de förväntade sig förlust av neuronsignaler någon gång. Det var jag inte, så jag blev förvånad, säger hon. Hon styr nu rutinmässigt roboten i endast tre till fem dimensioner, och hon har gradvis förlorat förmågan att öppna och stänga tummen och fingrar. Var detta alls som hennes upplevelse av att bli förlamad? Jag ställde frågan till henne några dagar senare via e-post. Hon svarade i ett meddelande som skrivits av en medhjälpare som stannar hos henne de flesta dagar: Jag var besviken över att jag förmodligen aldrig skulle göra bättre än jag redan hade gjort, men accepterade det utan ilska eller bitterhet.

återupplivning

Forskaren som planerade Pittsburgh-experimentet är Andrew Schwartz, en mager Minnesotan vars laboratorium upptar ett solbelyst golv som domineras av tre grå metalltorn med utrustning som används för att övervaka apor i intilliggande sviter. Sedd på slutna TV-apparater trotsar scenerna inifrån experimentrummen tron. På en skärm roterar ett metallhjul upprepade gånger, vilket ändrar positionen för ett ljust orange handtag. Efter varje varv sträcker sig en stor robothand upp från kanten av skärmen för att ta tag i handtaget. Mitt i spinnmaskineriet är det lätt att missa det grå och rosa ansiktet på näsapan som styr allt detta från en kabel i huvudet.

Utah Electrode Array, som uppfanns på 1990-talet, har 96 kiselnålar som registrerar de elektriska impulserna från neuroner inuti hjärnan.

Tekniken har sina rötter i 1920-talet, med upptäckten att neuroner förmedlar information via elektriska spikar som kan registreras med en tunn metalltråd, eller elektrod. År 1969 hade en forskare vid namn Eberhard Fetz kopplat en enda neuron i en apas hjärna till en urtavla som djuret kunde se. Apan, upptäckte han, lärde sig att få neuronen att brinna snabbare för att flytta urtavlan och få en belöning av en pellet med banansmak. Även om Fetz inte insåg det vid den tiden, hade han skapat det första hjärn-maskin-gränssnittet.

Schwartz hjälpte till att utöka denna upptäckt för 30 år sedan när fysiologer började registrera från många neuroner i levande djur. De fann att även om hela den motoriska cortex bryter ut i en flamma av elektriska signaler när ett djur rör sig, kommer en enskild neuron att tendera att skjuta snabbast i samband med vissa rörelser - t.ex. flytta armen åt vänster eller uppåt, eller böja armbågen - men mindre snabbt annars. Spela in från tillräckligt många neuroner och du kan få en ungefärlig uppfattning om vilken rörelse en person gör, eller bara avser. Det är som en politisk undersökning, och ju fler neuroner du undersöker, desto bättre blir resultatet, säger han.

De 192 elektroderna på Scheuermanns två implantat har registrerat mer än 270 neuroner åt gången, vilket är det största som någonsin uppmätts samtidigt från en människas hjärna. Schwartz säger att det är därför hennes kontroll över roboten har varit så bra.

De neuronala signalerna tolkas av programvara som kallas en avkodare. Under årens lopp byggde forskare bättre och bättre avkodare, och de försökte mer ambitiösa kontrollsystem. 1999 tränade neuroforskaren Miguel Nicolelis från Duke University en råtta att svänga en konsol för att få en belöning. Tre år senare hade Donoghue en apa som flyttade en markör i två dimensioner över en datorskärm, och 2004 hade hans BrainGate-team genomfört det första långsiktiga mänskliga testet av Utah-arrayen, vilket visade att till och med någon vars lemmar hade blivit förlamade för år kunde styra en markör mentalt. År 2008 hade Schwartz en apa som tog och matade sig själv med en marshmallow med en robothand.

Vissa förlamade människor börjar se på elektronik som sin bästa chans att bli frisk. Jag tar det! Klipp av min döda arm och ge mig en robot som jag kan KÄNNA med! skrev en.

Scheuermann har snabbt kunnat prova många nya uppgifter. Hon har blivit ombedd att styra två robotarmar samtidigt och lyfta en låda (jag klarade det bara en eller två gånger, säger hon). Vissa resultat är konstiga: Scheuermann kan stänga Hectors fingrar runt en plastkon, men ofta bara om hon blundar först. Speglas närvaron av konen på något sätt i neuronernas avfyrningsmönster? Schwartz har ägnat månader åt att försöka lista ut det. Bakom sådana osäkerhetspunkter kan ligga stora upptäckter om hur hjärnan förbereder och utför handlingar.

Scheuermann lät en gång sin medhjälpare klä henne i påklistrade morrhår och en suddig svans för att hälsa forskare. Det var ett mörkt humoristiskt sätt att erkänna att dessa experiment är beroende av mänskliga frivilliga. De är inte alls lika svåra att träna som de här killarna, säger Schwartz och rycker med tummen till raden av aprum.

Dessa volontärer är fångade; några av dem hoppas desperat att vetenskapen kan ge en flykt. Realistiskt sett är det osannolikt i deras livstid. Den första BrainGate-volontären var en 25-åring vid namn Matt Nagle, som hade andats genom en ventilator sedan hans ryggmärg skars av under ett knivslagsmål. Han kunde flytta en markör på en skärm 2004. Men Nagle ville också begå självmord och försökte få andra att hjälpa honom att göra det, enl. Mannen med den bioniska hjärnan , en bok skriven av hans läkare. Han dog av en infektion 2007. På chattboards online där förlamade människor byter hoppfulla nyheter om möjliga botemedel, som stamceller, avfärdar vissa gränssnitt mellan hjärna och maskin som knäppa. Andra börjar tro att det är deras bästa chans. Jag tar det! Klipp av min döda arm och ge mig en robot som jag kan KÄNNA med! skrev en.

Schwartz säger att han hoppas kunna generera fysiska förnimmelser från robotarmen i år, om han kan hitta en annan quadriplegic volontär. Precis som Scheuermann kommer nästa patient att få två arrayer i den motoriska cortexen för att styra robotarmen. Men Schwartz säger att kirurger kommer att placera ytterligare två implantat i volontärens sensoriska cortex; dessa kommer att ta emot signaler från trycksensorer som är anslutna till robotens fingertoppar. Studier från Nicolelis' Duke-laboratorium visade nyligen att djur känner och reagerar på sådana elektriska input. Vi vet inte om motivet kommer att känna det som beröring, säger Schwartz. Det är väldigt grovt och förenklat och en utan tvekan felaktig uppsättning antaganden, men du kan inte fråga apan vad han just kände. Vi tror att det blir ett nytt vetenskapligt fynd. Om patienten kan säga hur det känns, kommer det att vara en nyhet.

Ett annat viktigt mål, som delas av Schwartz och BrainGate-forskarna, är att ansluta en frivilligs motoriska cortex till elektroder placerade i hans eller hennes lemmar, vilket skulle få musklerna att dra ihop sig - till exempel för att öppna och stänga en hand. I april meddelade Ohio-kirurgerna som arbetar med Battelle att de skulle vara de första att prova det. De satte ett hjärnimplantat i en man med en ryggmärgsskada. Och så snart patienten återhämtar sig, säger Battelle, kommer de att initiera tester för att återuppliva hans fingrar, handled och hand. Vi vill hjälpa någon att få kontroll över sin egen lem, säger Chad Bouton, projektansvarig ingenjör, som tidigare samarbetat med BrainGate-gruppen. Kan någon ta upp en TV-fjärrkontroll och byta kanal? Även om Battelle inte har vunnit godkännande från tillsynsmyndigheter för att försöka det, säger Bouton att det uppenbara nästa steget är att prova en dubbelriktad signal till och från en förlamad lem, som kombinerar kontroll och känsla.

Gränssnittsproblem

Hjärn-maskin-gränssnitt kan verka som om de utvecklas snabbt. Om du spola framåt från den första videon av den apan till någon som flyttar en robot i sju dimensioner, plockar upp saker, lägger ner dem, är det ganska dramatiskt, säger Lee Miller, neurofysiolog vid Northwestern University. Men det som inte har förändrats, bokstavligen, är arrayen. Det är Stanley Steamer av hjärnimplantat. Även om du visar kontroll kommer det att försvinna om två till tre år. Vi behöver ett gränssnitt som håller i 20 år innan detta kan bli en produkt.

Utah-arrayen utvecklades i början av 1990-talet som ett sätt att spela in från cortex, initialt hos katter, med minimalt trauma mot hjärnan. Man tror att ärrvävnad byggs upp runt de nålliknande inspelningsspetsarna, var och en 1,5 millimeter lång. Om det gränssnittsproblemet är löst, säger Miller, ser han ingen anledning till varför det inte skulle kunna finnas 100 000 personer med hjärnimplantat för att styra rullstolar, datormarkörer eller sina egna lemmar. Schwartz tillägger att om det också är möjligt att mäta från tillräckligt många neuroner på en gång, kan någon till och med spela piano med en tankekontrollerad robotarm.

Den modulära proteslemmet designades av Johns Hopkins Universitys Applied Physics Laboratory och finansierades av DARPA.

Forskare driver flera idéer för att förbättra hjärnans gränssnitt. Det finns försök att utveckla ultratunna elektroder, versioner som är mer kompatibla med kroppen, eller ark av flexibel elektronik som kan svepa runt toppen av hjärnan. I San Francisco studerar läkare om sådana ytelektroder, även om de är mindre exakta, kan användas i en avkodare för tal, vilket potentiellt tillåter en person som Stephen Hawking att tala via ett hjärn-dator-gränssnitt. I ett ambitiöst projekt som lanserades förra året vid University of California, Berkeley, försöker forskare utveckla vad de kallar neuralt damm. Målet är att sprida mikronstora piezoelektriska sensorer i hela hjärnan och använda reflekterade ljudvågor för att fånga elektriska urladdningar från närliggande neuroner.

Jose Carmena, en Berkeley-forskare som, liksom Schwartz, arbetar med apor för att testa gränserna för tankekontroll, träffar nu varje vecka en grupp på ett dussin forskare för att skissera planer för bättre sätt att spela in från neuroner. Men vad de än kommer på skulle behöva testas på djur i flera år innan det kunde prövas på en person. Jag tror inte att Utah-arrayen kommer att bli hjärnans pacemaker, säger han. Men det vi slutar använda är kanske inte så annorlunda. Du ser inte den senaste datorn i rymduppdrag. Du behöver den mest robusta tekniken. Det är samma sak här.

siffror spel

För att lyckas måste alla nya medicinska produkter vara säkra, användbara och ekonomiskt lönsamma. Just nu uppfyller inte hjärn-maskin-gränssnitt dessa krav. Ett problem är risken med hjärnkirurgi och risken för infektion. På Brown säger Donoghue att BrainGate-teamet nästan är färdigt med att utveckla en trådlös sändare, ungefär lika stor som en cigarettändare, som skulle gå under en persons hud och minska infektionsrisken genom att bli av med piedestalerna och ledningarna som skapar gränssnitt mellan hjärnan och maskinen. så otymplig. Donoghue säger att med ett trådlöst system kan implantat snart vara ett realistiskt medicinskt alternativ.

Men det väcker ett annat knepigt problem: vad kommer patienterna att kontrollera? Armen Scheuermann styr är fortfarande en enormt dyr prototyp, och den går ofta sönder. Hon oroar sig för att inte alla hade råd med en. Istället tror Leigh Hochberg, en neurolog vid Massachusetts General Hospital som driver BrainGate-studien med Donoghue, att de första användarna förmodligen kommer att vara inlåsta patienter som varken kan röra sig eller tala. Hochberg skulle betrakta det som ett genombrott att ge sådana patienter pålitlig tankekontroll över en datormus. Det skulle låta dem skriva ut ord eller byta kanal på en tv.

Ändå kan även inlåsta patienter ofta röra ögonen. Det betyder att de har enklare sätt att kommunicera, som att använda en eyetracker. En undersökning av 61 ALS-patienter vid University of Michigan visade att cirka 40 procent av dem skulle överväga att genomgå operation för ett hjärnimplantat, men bara om det skulle låta dem kommunicera mer än 15 ord i minuten (en femtedel av de personer som svarade på undersökningen kunde redan inte tala). BrainGate har ännu inte rapporterat så höga hastigheter.

Utan en tydligt definierad produkt att skjuta efter har inget stort företag hoppat in för att skapa en neuroprotetik för quadriplegics. En startup gick i konkurs efter att ha samlat in mer än 30 miljoner dollar.

Alla bitar av tekniken har på någon nivå lösts, säger Andy Gotshalk, VD för Blackrock Microsystems, som tillverkar Utah-arrayen och har förvärvat en del av BrainGate-tekniken. Men om du frågar mig vad är produkten – är det en armprotes eller är det en rullstol du styr? – då vet jag inte. Det finns en produkt på hög nivå i åtanke, som är att göra livet för quadriplegics mycket lättare. Men exakt vad det skulle vara har inte definierats. Det är bara inte konkret. Forskarna får några publikationer på hög nivå, men jag måste tänka på affärsplanen, och det är ett problem.

Utan en tydlig produkt att skjuta efter har inget stort företag någonsin hoppat in. Och riskerna för ett företag är särskilt höga eftersom det finns relativt få patienter med fullständig quadriplegi – cirka 40 000 i USA – och ännu färre med avancerad ALS. Ett företag som Donoghue skapade, Cyberkinetics, gick i konkurs efter att ha samlat in mer än 30 miljoner dollar. Forskare klarar sig istället på små anslag som är obetydliga jämfört med en typisk kommersiell satsning på att utveckla en ny medicinteknisk produkt, som kan kosta 100 miljoner dollar. Det finns inte ett enda företag där ute som är villigt att sätta in pengarna för att skapa en neuroprotetik för quadriplegics, och marknaden är inte tillräckligt stor för att en riskkapitalist ska komma in, säger Gotshalk. Siffrorna går inte ihop.

Andra tror att tekniken bakom gränssnitt mellan hjärna och maskin kan ha oväntade tillämpningar, långt ifrån att kontrollera robotarmar. Många forskare, inklusive Carmena och teamet vid Battelle, försöker avgöra om gränssnitten kan hjälpa till att rehabilitera strokepatienter. Eftersom de bildar en stor marknad skulle det vara en game changer, säger Carmena. Vissa av inspelningsteknikerna kan vara användbara för att förstå psykiatriska sjukdomar som depression eller tvångssyndrom.

I Scheuermanns fall har åtminstone hennes hjärna-maskin-gränssnitt visat sig vara kraftfull medicin. När hon först anlände till Pittsburgh, säger hennes läkare, var hennes påverkan platt och hon log inte. Men att vara en del av experimentet gav henne energi. Jag älskade det. Jag hade kollegor för första gången på 20 år, och jag kände mig behövd, säger hon. Hon dikterade klart en mysterieroman, Vass som en gurka , att hon hade börjat innan hon blev sjuk och publicerade det på nätet. Nu jobbar hon på en andra. Scheuermann sa till mig att hon skulle vilja ha en robotarm hemma. Hon skulle kunna öppna dörren, rulla ut på sin gräsmatta och prata med grannar. Kanske skulle hon öppna kylskåpet och ta en smörgås som hennes medhjälpare hade förberett åt henne.

Vårt samtal höll på att ta slut. Ögonblicket var besvärligt. Jag kunde lägga på telefonen, men hon kunde inte. Hennes man hade varit ute och handlat. Hector var tillbaka i labbet. Hon var ensam och kunde inte röra sig. Det är okej, sa Scheuermann. Jag låter bara telefonen glida ner på golvet. Adjö.

Dölj