Valdība meklē augstas precizitātes smadzeņu un datora saskarni

Konrāds Kordings ir redzējis neirozinātnes nākotni, un viņam tā šķiet nomācoša.

Dažus gadus atpakaļ Kordings, Ziemeļrietumu universitātes datu zinātnieks, kurš interesējas par neirozinātnēm, nolēma izpētīt, cik neironu zinātnieki jebkad ir vienlaikus reģistrējuši dzīva dzīvnieka smadzenēs. Neironu elektriskās pļāpāšanas ierakstīšana ir kaut kas, kas mums jādara daudz vairāk, ja vēlamies izprast apziņu vai izstrādāt veidus, kā atjaunot kustību paralizētiem indivīdiem.

Rezultāts bija 2011 Dabas neirozinātne raksts, kurā sīki aprakstīts Stīvensona likums — tā nosaukts absolventa un pirmā autora Iana Stīvensona vārdā. Līdzīgi kā Mūra likumā, kas paredz skaitļošanas jaudas dubultošanu ik pēc diviem gadiem, Stīvensona likums arī dokumentēja eksponenciālu neironu skaita pieaugumu, ko zinātnieki varēja reģistrēt vienā reizē. Tomēr, lai gan Mūra likums ir laimīgs un pārsteigts, Kordings saka, ka visi neirozinātnēs vēlas redzēt Stīvensona likuma nāvi.

Mikroskopisks kalcija sensoru (zaļš), neironu kodolu (sarkans) un atbalsta šūnu, ko sauc par astrocītiem, attēls.

Iemesls ir tāds, ka katra no mums smadzenēs ir aptuveni 80 miljardi neironu. Tomēr dati liecina, ka kopš 20. gadsimta 20. gadiem, kad zinātnieki pirmo reizi uzklausīja viena neirona elektriskos tapas, viņi to skaitu dubultojuši tikai ik pēc septiņiem gadiem, līdz aptuveni 500 uzreiz. Šādā tempā, saka Kordings, mēs visi būsim miruši, pirms varēsim ierakstīt kaut daļu peles smadzeņu. Tas nav forši.

Šonedēļ daudzi neirozinātnieki dosies uz Ārlingtonu, Virdžīnijas štatā, lai apspriestu, kā viņi varētu pārkāpt Stīvensona likumu. Izloze ir simpozijs, kurā izklāstītas prasības jaunai Aizsardzības departamenta programmai ar nosaukumu Neironu inženierijas sistēmu projektēšana, kas prezidenta Obamas BRAIN iniciatīvas ietvaros izmaksās 60 miljonus USD. Mērķis: izstrādāt tehnoloģijas, kas spēj reģistrēt no viena miljona neironu vienlaicīgi tikai četros gados.

Bet tas ir tikai sākums. Programmu administrējošā aģentūra DARPA vēlas arī ierīci, kas varētu stimulēt vismaz 100 000 neironu smadzenēs. Tam ir jābūt bezvadu, un jebkurai elektronikai ir jāietilpst iepakojumā, kas nav daudz lielāks par niķeli. Visbeidzot, ir sagaidāms, ka pētnieki izpildīs drošības prasības, kas nepieciešamas, lai veiktu pētījumus ar cilvēkiem, kas prasa ASV Pārtikas un zāļu pārvaldes atbrīvojumu no izmeklēšanas ierīcēm.

Michael Roukes, fizikas un bioinženierijas profesors no Caltech, laika grafiku sauc par ārkārtīgi agresīvu. Aģentūras tendence izvirzīt ambiciozus mērķus, kas ne vienmēr tiek sasniegti, tiek dēvēta par DARPA traku.

Bet es saprotu modeli, viņš saka. Uzņemsim mēness kadru, vai ne?

Projekta mērķis Rouksu nepārsteidz. Noteiktais BRAIN iniciatīvas mērķis (skatiet, kāpēc Obamas smadzeņu kartēšanas projekts ir svarīgs) ir izstrādāt veidus, kā lasīt un rakstīt liela mēroga smadzeņu šūnu ansambļus, kas veido smadzeņu ķēdes un strādā kopā, lai ļautu mums uztvert. un reaģēt uz pasauli. Lai to izdarītu, ir skaidrs, ka neirozinātnes aparatūrai ir nepieciešams būtisks jauninājums.

Vissvarīgākais ir izstrādāt tehnoloģiju, lai iegūtu pilnīgu neironu ķēdi — pieņemsim, ka maza dzīvnieka smadzenes vai garozas gabals no peles vai cilvēka un reģistrēts no katra neirona, saka Rafaels Juste, Kolumbijas universitātes neirozinātnieks. Yuste saka, ka lielākā daļa zinātnieku joprojām izmanto ierakstus, kuros cilvēki ielīmē šos elektrodus un reģistrē aktivitāti no viena dzīvnieka vai viena pacienta neirona. Iedomājieties, ka mēģināt analizēt orķestri [klausoties], ko spēlē viens instruments.

Pašreizējie ierakstu rekordi pieder komandām, kas cenšas izstrādāt smadzeņu un mašīnu saskarnes paralizētiem cilvēkiem, tehnoloģiju, kas interesē arī DARPA. Brauna universitātes un Pitsburgas universitātes komandām, cita starpā, ir izdevies izmantot asu silīcija adatu blokus, lai reģistrētu no 200 līdz 300 neironiem vienlaikus brīvprātīgo smadzenēs. Tas ir pietiekami, lai aptuveni nolasītu, par kādām roku un roku kustībām cilvēks domā, un izmantotu signālu, lai pārvietotu robotu roku (skatiet Domas eksperimentu) vai vadītu ratiņkrēslu.

Jūs redzat, ka šodien tiek kustinātas robotu rokas, saka Džonatans Volpavs, smadzeņu un datora saskarņu eksperts Ņujorkas Veselības departamenta Vadsvortas centrā. Bet tie nav nekas tāds, kas būtu gandrīz gatavs izņemšanai no laboratorijas. Nav neviena BCI, ko jūs tagad vēlētos izmantot, lai vadītu ratiņkrēslu uz klints malas vai brauktu intensīvas satiksmes apstākļos.

Viens no iemesliem, kāpēc neirozinātnieki ir pārliecināti, ka lielākiem neironu ansambļiem ir atbildes, ir tas, ka vidējais neirons palielinās ne vairāk kā pāris reizes sekundē. Tomēr kustība ir atkarīga no korekcijām, kas notiek laika skalā, kas ir vismaz 10 reizes ātrāka. Tas nozīmē, ka neviens neirons nevar saturēt informāciju, kas nepieciešama, lai kodētu deju kustības vai klavierspēles sarežģītību. Kording saka, ka kustība ir sadalīta daudziem miljoniem neironu vairākās smadzeņu zonās. Manuprāt, mums ir nepieciešams vismaz 1000 reizes vairāk neironu, lai izveidotu lielisku protezēšanas ierīci.

Viena no stratēģijām, kā tur nokļūt, ir samazināt elektrodu izmēru, lai bioinženieri varētu vienlaikus ievietot vairāk to smadzenēs. Šāda pieeja tiek izmantota Djūka universitātē, saka Mihails A. Ļebedevs, vecākais pētnieks grupā, kas pašlaik pieprasa vairākus neironu ierakstus pērtiķiem, vienlaikus nolasot aptuveni 500 neironus, kas izdevās, rūpīgi ievietojot plānu elektrodu saišķus. pērtiķa smadzenēs.

Citi uzskata, ka ir vajadzīgas pilnīgi jaunas pieejas. Kalifornijas universitātē Bērklijā pētnieki pēta nervu putekļus, kas sastāv no mikroskopiskiem brīvi peldošiem sensoriem, kas varētu izplatīties pa smadzenēm. Optiskās metodes arī sola. 2013. gadā Hovarda Hjūza Medicīnas institūta Janelia Farms universitātes neirozinātnieks Miša Ārenss parādīja, ka spēj ierakstīt 100 000 neironu — praktiski visas zebrazivs smadzenes —, ģenētiski modificējot tos, lai tie spīdētu pēc izšaušanas. Ahrens saka, ka tik daudzu neironu vērošana vienlaikus jau rada dažus pārsteigumus. Viņš saka, ka jūs varat atrast jomas, kas ir piemērotas uzvedībai, kur citādi neizskatītos.

Ārensa sasniegums netiek ņemts vērā DARPA mērķa sasniegšanā vai Stīvensona likuma pārkāpšanā, jo viņa metode nenotver neironu elektriskos lēcienus tieši tad, kad tie rodas. Tas ir tāpēc, ka kvēlojošās molekulas aktivizē kalcija koncentrācijas izmaiņas, kas rodas šūnā tikai pēc tās aizdegšanās. Roukes, Caltech zinātnieks, saka, ka pētnieki jau strādā, lai izstrādātu fluorescējošas molekulas, kas tieši reaģē uz sprieguma izmaiņām.

Atšķirīga problēma ir tā, ka atšķirībā no zebrazivs, kas būtībā ir caurspīdīga, cilvēka smadzenēm ir piena konsistence, kas ir grūti pamanāma. Lai to risinātu, Roukes saka, ka, iespējams, ir iespējams izbīdīt īpaši šaurus silīcija kātus pa smadzenēm. Tajos būtu aparatūra, kas nepieciešama gan gaismas izstarošanai, gan tās noteikšanai no tuvējām šūnām, tādējādi novēršot smadzeņu necaurredzamības problēmu. Ja tiktu izmantots pietiekami daudz no šiem pīlāriem, visas smadzenes varētu tikt apgaismotas, aprēķina Roukes.

Lai gan optiskās metodes ir daudzsološas, FDA varētu nevēlēties ļaut zinātniekiem ģenētiski modificēt brīvprātīgo smadzenes, lai tās spīdētu. Roukes saka, ka rezultātā viņš un viņa līdzstrādnieki plāno iesniegt DARPA ar tradicionālāku piedāvājumu, kas joprojām balstās uz tradicionāliem elektrodiem.

DARPA ir iemesls uzstāt, lai jebkura ierakstīšanas shēma tiktu izmēģināta ar cilvēkiem. Aģentūra cer, ka mērķis piesaistīs medicīnas ierīču uzņēmumu, kā arī pusvadītāju un optisko instrumentu ražotāju interesi. Bez nozares iesaistīšanās ir maz iespēju panākt, ka smadzeņu un mašīnu saskarnes uzlabosies tikpat ātri kā datori.

Mēģinot to iespiest cilvēkiem, viņi, iespējams, varēs iegūt dažus tehnoloģiskos elementus, kas nav izmantoti eksperimentos ar dzīvniekiem, jo ​​tam nav bijis tik daudz ekonomiskā virzītāja, saka Ādams Mārblstons, MIT neirozinātnieks. . Viņš cer ieraudzīt kādu patiešām nopietnu inženieriju, kas trūkst akadēmiskajos eksperimentos.

paslēpties