Prāta-mašīnas apvienošana

Teds Bergers ir domu lasītājs. Žurku prāti, tas ir. Savā laboratorijā Dienvidkalifornijas universitātē neirobiologs ievieto nelielu elektrodu masīvu uz žurkas smadzeņu šķēles Petri trauciņā. Nospiežot slēdzi, maģistrants Walid Soussou sāk elektrisko signālu plūsmu audos. Smadzeņu šūnas reaģē, radot savus elektriskos impulsus. Šo virpuļojošo neironu signālu modeli uztver elektrodi, un tas tiek parādīts tuvējā datora ekrānā kā krāsu mazgāšana, sākot no izcili sarkanas līdz tumši zilai.

Nākamajās stundās Bergers un viņa komanda plānos shēmas, kas ir aiz vienas no sarežģītākajām smadzeņu funkcijām: atmiņas. Tas ir fundamentāls pētījums, taču viņi to dara, paturot prātā lielu tehnoloģisko mērķi. Bergera grupas mērķis ir izmantot informāciju, lai izveidotu uzlabotu smadzeņu un mašīnas saskarni — ierīci, kas savieno smadzeņu bioloģiskās ķēdes ar datora silīcija ķēdēm, kas mainīs prāta domāšanu.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2003. gada maija numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Pēdējos gados pētnieku grupas visā valstī ir implantējušas elektrodus dzīvnieku un pat dažu cilvēku smadzenēs un izmantojušas šo elektrodu atklātos signālus, lai pārvietotu robota rokas, sviras un kursorus datoru ekrānos ( skatīt Citu smadzeņu mašīnu pētījumu tabulu, pēdējā lappuse ). Darba mērķis ir dot paralizētiem pacientiem iespēju kontrolēt ekstremitāšu protēzes un vienkāršus saziņas līdzekļus. Bet Bergera mērķis ir vēl tālejošāks: izveidot datora mikroshēmu, kas atjaunos pašu smadzeņu kognitīvās spējas, uzlabojot atmiņu pacientiem, kuri cieš no tādiem neiroloģiskiem traucējumiem kā Alcheimera slimība un insults, un, iespējams, uzlabojot vesela prāta spējas. . Lai to izdarītu, pētniekiem ir jāsaprot nervu procesi, kas var būt sarežģītāki nekā tie, kas regulē, piemēram, protēzes rokas kontroli. Tas ir viens no vērienīgākajiem projektiem visā jomā, saka Kristofs Kohs, Caltech skaitļošanas un neironu sistēmu eksperts.

Lai cik drosmīgi tas būtu, Bergera komanda nav vienīgā grupa, kas lauž jaunus ceļus tajā, ko pētnieki dažkārt sauc par nervu protēzēm. ASV Aizsardzības progresīvo pētījumu projektu aģentūras divu gadu programma 24 miljonu dolāru vērtībā, kas tika uzsākta pagājušā gada rudenī, strauji paplašina smadzeņu un mašīnu saskarnes izpētes robežas. Sešu projektu, ko finansē DARPA programma, tostarp Berger's Dienvidkalifornijas universitātē, mērķis ir izstrādāt tehnoloģijas, kas ne tikai atjaunos, bet arī palielināt cilvēku spējas, saka Alans Rūdolfs, DARPA iniciatīvas programmas vadītājs. Viņš saka, ka šī koordinētā, labi finansētā lielā zinātnes pieeja, lai izprastu, kā prāti un mašīnas var mijiedarboties, varētu radīt transformējošas sekas aizsardzībai un sabiedrībai.

Šie centieni radīs jaunas paaudzes elektrodus, datoru mikroshēmas un programmatūru, kas galu galā varētu aprīkot karavīrus, piemēram, kontrolēt īpaši ātras mākslīgās ekstremitātes, vadīt tālvadības transportlīdzekļus un vadīt mobilos robotus bīstamās vidēs, izmantojot tikai viņu domu spēku. Vēl ievērojamāk ir tas, ka šādas ierīces varētu uzlabot lēmumu pieņemšanu, uzlabot atmiņu un kognitīvās prasmes un pat ļaut vienas personas smadzenēm bezvadu režīmā sazināties ar citas personas smadzenēm.

Lai gan šādi lietojumi ir tikpat spekulatīvi, kā iespaidīgi, zinātnieki tos vairs neuzskata par tīru fantāziju. Viņu jauno optimismu daļēji veicina daudzi nesenie sasniegumi neirozinātnēs, interfeisa aparatūrā un signālu apstrādē. Un naudas pieplūdums noteikti nekaitē. DARPA šajā apgabalā iegulda daudz lielākus resursus, nekā jebkad agrāk, saka Viljams Hītderks, Nacionālo veselības institūtu Neironu protēžu programmas direktors. Un tā kā pētniekiem šajā jomā netrūkst inovatīvu ideju, viņš piebilst, jaunajam finansējumam būs milzīgs efekts.

Tālvadība

Starp Daremas kalniem, NC, Djūka universitātes Migels Nikolelis mēģina iemācīt veciem pērtiķiem jaunus trikus. Bet vispirms viņu smadzenēm jāiemācās klausīties.

Dažu pēdējo gadu laikā Nicolelis un viņa komanda ir parādījuši, ka smadzeņu signāli, ko uztver dzīvnieku smadzenēs implantēti elektrodi, var nodrošināt elementāru robotu roku kontroli. Bet ir problēma: dzīvnieki nezina, ka viņi kaut ko kontrolē. Lai nonāktu līdz vietai, kur dzīvnieki un galu galā arī cilvēki var veikt sarežģītākus uzdevumus, Nikolelis saka, reāllaika saziņai starp prātu un mašīnu jākļūst par divvirzienu ielu.

Tātad Nikolelisa laboratorijā rēzus pērtiķis ne tikai kontrolē robota roku, izmantojot smadzeņu signālus, ko uztver tā galvā implantēti elektrodi, bet arī saņem atgriezenisko saiti no robota — pagaidām kursora veidā uz ekrāna, kas parāda robotu kustības. Pērtiķis un robota roka, kas atrodas atsevišķās telpās, ir savienoti, izmantojot kabeļus, mikrodatoru un paralēlo procesoru. Nākamais solis būs taustes atgriezeniskās saites ieviešana. Kad pērtiķis mēģina izmantot robota roku, lai satvertu gumijas alus krūzi, robota roka sūtīs signālus, lai piespiedu devējus novietotu uz dzīvnieka augšdelma; šie motori spēcīgi vibrēs, kad robota rokturis sastiepsies. Un galu galā, saka Nicolelis, sistēma varētu nodrošināt vēl tiešāku atgriezenisko saiti, elektriski stimulējot smadzeņu sensoros reģionus. Viņš saka, ka triks ir sniegt pareizo atgriezenisko saiti, lai pērtiķa smadzenes iekļautu robotu tā, it kā tas būtu sava ķermeņa daļa.

Kad viņi noslēdz smadzeņu un mašīnu mijiedarbības cilpu, saka Nicolelis, pētnieki var sākt reāli domāt par tādu sistēmu projektēšanu, kuru fiziskās iespējas pārsniedz parasto cilvēku fiziskās iespējas. Viens piemērs: apejot nervus un muskuļus un savienojot smadzenes tieši ar robotizētu ekstremitāšu, viņš saka, iespējams, ir iespējams samazināt reakcijas laiku par sešām reizēm. Viņš prognozē, ka daudzas laboratorijas demonstrēs šādu pamata fizisko spēju palielināšanu nākamo piecu gadu laikā.

Kamēr Nicolelis strādā, lai atkārtotu un paplašinātu tādas ikdienas iespējas kā satveršana un celšana, Mičiganas Universitātes pētnieki virza smadzeņu un mašīnu saskarnes jaunās fiziskās kontroles jomās. Biomedicīnas inženieris Derils Kipke un viņa komanda māca žurkām un pērtiķiem, kā vadīt mobilo robotu flotes kustības, izmantojot tikai viņu prātu. Atsauksmes ir svarīgas, saka Kipke, jo tas ļauj dzīvniekiem iegūt pieredzi, mijiedarbojoties ar ierīci, kas ir pilnīgi sveša, šajā gadījumā ar pusmetru garu seškājainu robotizētu būtni, vārdā RHex (izrunā rex).

Pagaidām veiklajam robotam jābūt vai nu ieprogrammētam, lai tas darbotos noteiktā virzienā, vai arī attālināti vadītam, izmantojot ar roku vadāmu bezvadu saiti. Taču Mičiganas pētnieki saka, ka smadzeņu un mašīnu saskarnes varētu nodrošināt ātrāku un labāk koordinētu kontroli. Tālā nākotnē karavīri vai glābšanas darbinieki — iespējams, vairākās vietās — varētu pieslēgt prātus centrālajam datoram, lai kontrolētu RHexes floti uz lauka. Smadzeņu impulsu vadīti, roboti veiktu meklēšanas un glābšanas misijas kara zonās un katastrofu zonās, vienlaikus nosūtot audio, vizuālo un taustes atgriezenisko saiti saviem kontrolieriem. Tas ir mājas skrējiens, saka Kipke.

Lai gan šī mērķa sasniegšana, iespējams, vēl ir gadu desmitiem attālumā, Kipkes komanda strādā pie tā, iegūstot signālus no neironiem smadzeņu apgabalos, kas ir iesaistīti kustību plānošanā un izpildē. Ar visu apkārtējo kameru radīto troksni tas ir kā mēģināt klausīties konkrētas sarunas beisbola stadionā. Gada laikā pētnieki dzīvnieka smadzenēs ķirurģiski implantēs silīcija elektrodu blokus, kas nav platāki par matiņu, un savienos katru bloku ar elastīgu mazjaudas ķēdi, kas izskatās kā viena kvadrātcentimetra joslas palīgierīce. dzīvnieka āda. Shēma paātrinās kopējo signālu apstrādi un ļaus tos bezvadu režīmā nosūtīt uz centrālo datoru. Tur pielāgota programmatūra pārveidos signālus datora kursora kustībās, kuras dzīvnieks vēros. Nākamais solis, saka Kipke, būs kursora savienošana ar RHex bezvadu vadības sistēmu, lai, kursoram pārvietojoties pa kreisi, robots darītu to pašu.

Līdz vasarai Mičiganas komanda kopā ar fiziologu Denu Moranu no Vašingtonas universitātes plāno likt pērtiķim Sentluisā pārvietoties pa RHex šķēršļu joslā Annārborā, MI. Vadības signāli tiks pārraidīti uz priekšu un atpakaļ, izmantojot internetu, un pērtiķis ekrānā uzraudzīs robota pozīcijas un kustību grafisko attēlojumu. Pašreizējā projekta galvenais mērķis ir pārbaudīt, vai šādas saskarnes var iesaistīt smadzenēs, izmantojot gan neironu komandas, gan atgriezenisko saiti, lai kontrolētu arvien attālākas un sarežģītākas ierīces. Piecu gadu laikā mēs uzzināsim, vai mēs to varam izdarīt, saka Kipke.

Uztveres sūknēšana

Kamēr Nicolelis un Kipke uzlabo smadzeņu spēju kontrolēt ārējās ierīces, citi DARPA iniciatīvas dalībnieki cenšas manipulēt ar smadzeņu iekšējo darbību, īpaši tām, kas sūta, saņem un apstrādā skatus un skaņas. Pieskaroties prāta redzes un dzirdes apgabaliem, pētnieki pārbauda, ​​vai šādu informāciju var pārsūtīt starp smadzenēm un datoriem, lai uzlabotu uztveri un saziņu. Ja projekti būs veiksmīgi, tie varētu radīt pārsteidzošas jaunas saskarnes, kas uzlabo cilvēku spēju atpazīt sejas, objektus un runu un pieņemt lēmumus. Tie pat varētu nodrošināt bezvadu saziņu starp smadzenēm, saka DARPA Rūdolfs.

Pirms šādu sistēmu izstrādes pētniekiem jāiemācās nolasīt informāciju no smadzenēm, kā arī ierakstīt informāciju, saka Tomaso Podžo, MIT mākslīgā intelekta eksperts. Podžo un MIT neirofiziologs Džeimss DiKarlo, abi DARPA programmas galvenie pētnieki, strādā ar vizuālo uztveri un objektu atpazīšanu rēzus pērtiķiem. Pētnieki datora ekrānā prezentēs tādus objektus kā abstraktas formas, automašīnas un dzīvniekus. Viens no iespējamiem eksperimentiem ir balstīts uz iepriekšējo sadarbību ar MIT neirozinātnieku Ērlu Milleru: pētnieki varēja apmācīt pērtiķi, lai izlemtu, vai datorā ģenerēts dzīvnieks uz ekrāna izskatās vairāk kā kaķis vai suns ( skatiet domu nolasīšanas sānjoslu ). Programmatūra izjauktu līniju, radot, piemēram, attēlu, kurā 60 procenti ir kaķis un 40 procenti suns. Kamēr pērtiķis pieņem lēmumu, pētnieki izmantos implantētus elektrodus, lai reģistrētu signālus no neironiem redzes garozā: dažas no šīm šūnām aizdegas, kad pērtiķis skatās uz kaķi, bet citas, kad tas ierauga suni.

Silīcija izziņa

Atgriežoties Dienvidkalifornijas universitātē, Bergera komanda virza tālāko smadzeņu un mašīnu saskarņu robežu. Kad viņi ir izdomājuši vairāku smadzeņu reģionu signālu modeļus, pētnieki plāno manipulēt ar veidiem, kā smadzenes apstrādā informāciju un sazinās ar sevi, īsi sakot, kā smadzenes. domā . Šis darbs kādu dienu varētu novest pie nervu protēzēm, kas atjauno un pat uzlabo tādus kognitīvos procesus kā atmiņa. Iedomājieties, ka dodaties pie ārsta, lai atgūtu sen izbalējušas atmiņas, vai iegādājaties aparatūru, kas uzlabo jūsu spēju atcerēties cilvēku vārdus.

Bergera komanda sper mazu soli pretī šim redzējumam, izstrādājot datora mikroshēmu, kas atdarina signālu apstrādi hipokampā, spirālveida smadzeņu apgabalā, kam ir liela nozīme atmiņu apguvē un veidošanā. Par laimi, informācijas plūsma žurku hipokampā ir vienkārša, saka Bergers, un ķēde izskatās līdzīga, kaut arī sarežģītāka, cilvēka hipokampā.

Izaicinājumu lietas padara tas, ka vismaz Bergera skatījumā atmiņa smadzenēs ir attēlota neironu dinamiskos šaušanas modeļos, nevis fiksētā bitu izkārtojumā, piemēram, datora atmiņā. Ja kāda smadzeņu daļa izskatās kā RAM, mēs to vēl neesam atraduši, saka Bergers. Un neironi pēc savas būtības ir viltīgi. Lai to iedarbinātu, laiks ir viss: tas var prasīt impulsu kombināciju no apkārtējiem neironiem vai atkārtotu ievadi no viena sūtņa, kas atrodas noteiktā laikā.

Lai uztvertu šo dinamiku, Bergera komanda ir izstrādājusi attiecīgo neironu matemātiskos modeļus un ir sākusi ieviest modeļus aparatūrā. Ja neirons A nosūta noteiktu impulsu modeli neironam B, saka Dienvidkalifornijas universitātes biomedicīnas inženieris Vasilis Marmarelis, modelis norāda, kādu modeli neirons B nosūtīs neironam C. Viņš saka, ka tas nav seksīgi, bet tas ir pirmais. solis ļoti garā ceļojumā. No turienes pētnieki ievietos tūkstošiem neironu modeļu mazjaudas silīcija mikroshēmā.

Vēlāk šogad, saka Bergers, principa pierādīšanas eksperiments notiks šādi: Žurkas hipokampa daļā zinātnieki parādīs, ka elektriskos signālus no reģiona A apstrādā reģions B un nosūta tālāk uz reģionu C. pēc tam noņems neironus no reģiona B un parādīs, ka reģiona C izvade ir traucēta. Visbeidzot, viņi pāradresēs signālus, izmantojot prototipa mikroshēmu, kas atrodas reģiona B vietā, lai noskaidrotu, vai tas pabeidz ķēdi un rada tādu pašu signālu kopējo modeli kā veselā daļa.

Attēlu sniedza Džons Makneils

Ja tas izdosies, nākamais solis būs mikroshēmas pārbaude dzīvniekā. Trīs gadu laikā Bergera grupa plāno nodot savu saskarni komandai, kuru vada fiziologs Sems Dīdvailers no Veikforesta universitātes. Deadwyler apmāca pērtiķus atcerēties klipkopas attēlus, kas pazibināti ekrānā, un atlasīt attēlus no nākamās sērijas. Tajā pašā laikā viņš ieraksta signālus no hipokampa, kas ļauj viņam noteikt, kuri neironi ir svarīgi uzdevumam, un pat paredzēt, vai pērtiķis izvēlēsies pareizi. Kad Bergera saskarne ir gatava, saka Deadwyler, pētnieki īslaicīgi deaktivizēs hipokampu, lai primāts vairs nevarētu veikt uzdevumu; tad viņi pievienos mikroshēmu skartajā zonā, lai redzētu, vai saskarne var atjaunot pērtiķa veiktspēju.

Galu galā Bergers un Dīdvailers plāno noteikt, vai mikroshēma var palielināt atmiņu: viņi implantēs mikroshēmu dzīvniekam, kura hipokamps ir neskarts. Izmantojot mikroshēmu, pērtiķis, iespējams, spēs atcerēties attēlu ilgāku laiku vai spēs to izvēlēties no lielākas traucējošo faktoru klāsta. Nākotnē, saka Dīdvailers, varētu būt iespējams savienot cilvēka smadzenes ar aparatūru, kas ļauj saglabāt atmiņām ilgāku laiku vai kas ļauj izsekot arvien pieaugošam informācijas daudzumam, piemēram, kad jūs traucaties cauri aizņemtai lidostai un jums ir nepieciešams dažas sekundes atcerieties tālruņa numuru. Bet negaidiet, ka to ieraudzīsiet tuvākajā laikā. Mēs esam tālu no papīra un zīmuļa uzlabošanas, saka NIH Heetderks.

Pirmkārt, Bergera grupa saskaras ar dažu zinātnieku skepsi, kuri nepiekrīt pamatpieņēmumam, ka atmiņu veido tikai dinamiski neironu darbības modeļi. Un tas saskaras ar daudzām praktiskām problēmām, ar kurām cīnās citas neironu protēžu pētniecības grupas. Pagaidām neviens precīzi nezina, kuri neironi vai cik daudz ir jāpieskaras, lai iegūtu noderīgas ierīces. Atkarībā no lietojumprogrammas pētniekiem var būt nepieciešams vienlaikus piekļūt tūkstošiem smadzeņu šūnu. Un ir skaitļošanas šķēršļi, kas tiem jāpārvar, pirms saskarnes var apstrādāt masveidā paralēlas neironu datu plūsmas reāllaikā.

Bet, iespējams, vislielākais tehniskais izaicinājums ir fiziski savienot cieto aparatūru ar smalkām smadzeņu šūnām un uzturēt šos savienojumus vairākus mēnešus vai pat gadus, saka Džons Čepins, Ņujorkas štata universitātes Dabas štata medicīnas centra fiziologs, kurš palīdzēja izstrādāt metodes Piekļuve smadzeņu signāliem 90. gadu vidū. Tā kā neironi nepārtraukti maina savas pozīcijas un maina savienojumus, saskarnei jābūt elastīgai, bioloģiski saderīgai un pielāgojamai saņemto signālu izmaiņām. Paturot to prātā, DARPA Rūdolfs cenšas visā iniciatīvā popularizēt standartizētu elektrodu platformu, lai katra komanda neizgudrotu riteni no jauna. Bet to ir vieglāk pateikt nekā izdarīt. Zinātnieki labprātāk izmantotu viens otra zobu birstes, nevis elektrodus, saka Caltech Koch.

Pat ja saskarnes tehnoloģijas darbojas, tām var būt tāls ceļš līdz pieņemšanai. Paralizēti pacienti, kuri vēlas iegūt uzlabotas fiziskās spējas, var būt gatavi pieņemt operācijas risku un dzīvot ar smadzenēs implantētu aparatūru, taču lielākā daļa veselīgu cilvēku, iespējams, atturēsies no šī priekšlikuma. Patiesībā, saka Rūdolfs, mēs patiešām neiedomājamies veselu cilvēku implantēšanu ar šāda veida ierīcēm. Viņš saka, ka galvenais, lai varētu atjaunot vai palielināt cilvēka spējas, būs piekļuve smadzeņu signāliem neuzkrītošā veidā - ideālā gadījumā bez vadiem, elektrodiem vai operācijām.

Pirms DARPA vai kāds cits ieguldīs šajā nākamās paaudzes smadzeņu signālu noteikšanas tehnoloģijā, pētniekiem ir jānosaka, vai neironu protēzes būs praktiskas to jaunajos lietojumos. Ja tas izdosies, saka Rūdolfs, mēs būsim iesākuši svarīgo darbu, lai parādītu, ka to var izdarīt, un, ja tiks atrasts neinvazīvs rīks tāda paša veida informācijas iegūšanai, var iedomāties cilvēka veiktspējas uzlabošanu. Un, lai gan šī vīzija vēl ir gadu attālumā, mūsu prāti jau var būt ceļā uz jaunu domāšanas veidu.

Citi smadzeņu mašīnu pētījumi
PĒTNIEKS	INSTITŪCIJA	PROJEKTS
Ričards Andersens	Caltech	Elektrodu sistēmas smadzeņu impulsu reģistrēšanai
Nīls Birbaumers	Tbingenas Universitāte (Vācija)	Neinvazīvie smadzeņu signālu detektori
Džons Donogjū	Brauna universitāte un kiberkinētika (Providence, RI)	Neironu protēzes, kas paralizētiem pacientiem dod kontroli pār datoriem
Filips Kenedijs	Neironu signāli (Atlanta, GA)	Pirmie cilvēka smadzeņu implantu testi, lai atjaunotu saziņu pilnīgi paralizētiem pacientiem
Endrjū Švarcs	Pitsburgas Universitāte	Neironu protēzes, kas kontrolē robotu rokas
Hārvijs Viginss	Plexon (Dallasa, Teksasa)	Aparatūra un programmatūra smadzeņu signālu ierakstīšanai un analīzei

paslēpties