211service.com
Det amerikanske militæret prøver å lese tanker
Et nytt DARPA-forskningsprogram utvikler hjerne-datamaskin-grensesnitt som kan kontrollere svermer av droner, som opererer med tankehastighet. Hva om det lykkes?
16. oktober 2019
Fotoillustrasjon av soldat- og hjernegrensesnitt Enrico Nagel
I august ble tre hovedfagsstudenter ved Carnegie Mellon University stappet sammen i et lite, vindusløst kjellerlaboratorium, ved å bruke en juryrigget 3D-skriverramme for å zappe en skive musehjerne med strøm.
Hjernefragmentet, kuttet fra hippocampus, så ut som et stykke hvitløk i tynne skiver. Den hvilte på en plattform nær midten av innretningen. Et smalt rør badet skiven i en løsning av salt, glukose og aminosyrer. Dette holdt den i live, på en måte: nevroner i skiven fortsatte å skyte, slik at eksperimentørene kunne samle data. En rekke elektroder under skiven leverte de elektriske zapsene, mens en sprøytelignende metallsonde målte hvordan nevronene reagerte. Lyse LED-lamper lyste opp fatet. Oppsettet, for å bruke labmedlemmenes lingo, var litt hacky.
Denne historien var en del av november 2019-utgaven vår
- Se resten av saken
- Abonnere
En monitor ved siden av riggen viste stimulus og respons: støt av elektrisitet fra elektrodene ble fulgt, millisekunder senere, av nevroner som avfyrte. Senere skulle forskerne plassere et materiale med de samme elektriske og optiske egenskapene som en menneskeskalle mellom skiven og elektrodene, for å se om de også kunne stimulere musehippocampus gjennom den simulerte hodeskallen.
De gjorde dette fordi de ønsker å kunne oppdage og manipulere signaler i menneskelige hjerner uten å måtte skjære gjennom hodeskallen og berøre delikat hjernevev. Målet deres er å til slutt utvikle nøyaktige og sensitive hjerne-datamaskin-grensesnitt som kan tas på og av som en hjelm eller pannebånd – ingen kirurgi er nødvendig.
Menneskehodeskaller er mindre enn en centimeter tykke: den nøyaktige tykkelsen varierer fra person til person og sted til sted. De fungerer som et uskarpt filter som sprer bølgeformer, enten det er elektriske strømmer, lys eller lyd. Nevroner i hjernen kan være så små som noen få tusendeler av en millimeter i diameter og generere elektriske impulser så svake som en tjuendedel av en volt.
Studentenes eksperiment var ment å samle en grunnlinje med data som de kunne sammenligne resultater fra en ny teknikk som Pulkit Grover, teamets hovedetterforsker, håper å utvikle.
Ingenting slikt er [nå] mulig, og det er veldig vanskelig å gjøre, sier Grover. Han leder et av seks team som deltar i Next-generation Nonsurgical Neurotechnology Program, eller N³, en $104 millioner innsats lansert i år av Defense Advanced Research Projects Agency , eller DARPA. Mens Grovers team manipulerer elektriske signaler og ultralydsignaler, bruker andre team optiske eller magnetiske teknikker. Hvis noen av disse tilnærmingene lykkes, vil resultatene være transformative.
Kirurgi er dyrt, og kirurgi for å lage en ny type superkriger er etisk komplisert. En tankelesende enhet som ikke krever kirurgi ville åpne opp en verden av muligheter. Hjerne-datamaskin-grensesnitt, eller BCI-er, har blitt brukt for å hjelpe personer med quadriplegi til å gjenvinne begrenset kontroll over kroppene sine, og for å gjøre det mulig for veteraner som mistet lemmer i Irak og Afghanistan å kontrollere kunstige. N³ er det amerikanske militærets første seriøse forsøk på å utvikle BCI-er med et mer krigersk formål. Å jobbe med droner og svermer av droner, opererer med tankehastighet i stedet for gjennom mekaniske enheter – det er disse typene ting som disse enhetene egentlig er for, sier Al Emondi, direktøren for N³.
UCLA dataforsker Jacques J. Vidal brukte først begrepet hjerne-datamaskin-grensesnitt på begynnelsen av 1970-tallet; det er en av disse setningene, som kunstig intelligens, hvis definisjon utvikler seg etter hvert som egenskapene den beskriver utvikler seg. Elektroencefalografi (EEG), som registrerer elektrisk aktivitet i hjernen ved hjelp av elektroder plassert på hodeskallen, kan betraktes som det første grensesnittet mellom hjerner og datamaskiner. På slutten av 1990-tallet hadde forskere ved Case Western Reserve University brukt EEG for å tolke en kvadriplegisk persons hjernebølger, slik at han kunne flytte en datamaskinmarkør ved hjelp av en ledning som strekker seg fra elektrodene i hodebunnen hans.
Både invasive og ikke-invasive teknikker for lesing fra hjernen har utviklet seg siden den gang. Det samme har enheter som stimulerer hjernen med elektriske signaler for å behandle tilstander som epilepsi. Uten tvil den kraftigste mekanismen utviklet til dags dato kalles en Utah-array. Det ser ut som en liten seng av pigger, omtrent halvparten av størrelsen på en pink-spiker totalt, som kan trenge gjennom en gitt del av hjernen.
En dag i 2010, mens han var på ferie i North Carolina's Outer Banks, dykket Ian Burkhart i havet og banket hodet i en sandbanke. Han knuste ryggmargen og mistet funksjon fra sjette cervical nerve og ned. Han kunne fortsatt bevege armene ved skulderen og albuen, men ikke hendene eller bena. Fysioterapi hjalp ikke mye. Han spurte legene sine ved Ohio State Universitys Wexner Medical Center om det var noe mer de kunne gjøre. Det viste seg at Wexner håpet å gjennomføre en studie sammen med Battelle, et nonprofit forskningsselskap, for å se om de kunne bruke en Utah-array for å gjenopplive lemmene til en lam person.
Der EEG viser den samlede aktiviteten til utallige nevroner, kan Utah-arrayer registrere impulsene fra et lite antall av dem, eller til og med fra en enkelt. I 2014 implanterte leger en Utah-array i hodet til Burkhart. Arrayen målte det elektriske feltet på 96 steder inne i hans motoriske cortex, 30 000 ganger per sekund. Burkhart kom inn på laboratoriet flere ganger i uken i over et år, og Battelle-forskere trente signalbehandlingsalgoritmene sine for å fange intensjonene hans mens han tenkte, møysommelig og systematisk, om hvordan han ville bevege hånden hvis han kunne.
En tykk kabel, koblet til en sokkel som kom ut av Burkharts hodeskalle, sendte impulsene målt av Utah-arrayen til en datamaskin. Datamaskinen dekodet dem og sendte deretter signaler til en hylse med elektroder som nesten dekket hans høyre underarm. Hylsen aktiverte musklene hans for å utføre de bevegelsene han hadde til hensikt, som å gripe, løfte og tømme en flaske, eller fjerne et kredittkort fra lommeboken.
Det gjorde Burkhart til en av de første som fikk tilbake kontrollen over sine egne muskler gjennom en slik nevral bypass. Battelle – et annet av teamene i N³-programmet – jobber nå med ham for å se om de kan oppnå de samme resultatene uten hodeskalleimplantat.
Det betyr ikke bare å komme opp med nye enheter, men med bedre signalbehandlingsteknikker for å forstå de svakere, rotete signalene som kan fanges opp fra utsiden av hodeskallen. Det er derfor Carnegie Mellon N³-teamet ledes av Grover – en elektrisk ingeniør av utdannelse, ikke en nevrovitenskapsmann.
Jeg er supermotivert for det – mer enn noen andre i rommet.
Rett etter at Grover ankom Carnegie Mellon, inviterte en venn ved University of Pittsburgh Medical School ham til å delta på kliniske møter for epilepsipasienter. Han begynte å mistenke at mye mer informasjon om hjernen kunne utledes fra EEG enn noen ga den æren for - og omvendt at smart manipulering av eksterne signaler kunne ha effekter dypt inne i hjernen. Noen år senere publiserte et team ledet av Edward Boyden ved MITs Center for Neurobiological Engineering en bemerkelsesverdig artikkel som gikk langt utover Grovers generelle intuisjon.
Boydens gruppe hadde påført to elektriske signaler, med høye, men litt forskjellige frekvenser, på utsiden av hodeskallen. Disse påvirket ikke nevroner nær overflaten av hjernen, men de dypere inne i hjernen. I et fenomen kjent som konstruktiv interferens, kom de sammen for å produsere et lavere frekvenssignal som stimulerte nevronene til å skyte.
Grover og hans gruppe jobber nå med å utvide Boydens resultater med hundrevis av elektroder plassert på overflaten av hodeskallen, både for å presist målrette små områder i det indre av hjernen og for å styre signalet slik at det kan bytte fra en hjerneregion til en annen mens elektrodene holder seg på plass. Det er en idé, sier Grover, som nevrovitenskapsmenn neppe ville ha hatt.
I mellomtiden, ved Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (APL), bruker et annet N³-team en helt annen tilnærming: nær-infrarødt lys.
Nåværende forståelse er at nevralt vev svulmer og trekker seg sammen når nevroner avfyrer elektriske signaler. Disse signalene er det forskerne registrerer med EEG, en Utah-array eller andre teknikker. APLs Dave Blodgett hevder at hevelsen og sammentrekningen av vevet er et like godt signal om nevral aktivitet, og han ønsker å bygge et optisk system som kan måle disse endringene.
Fortidens teknikker kunne ikke fange slike små fysiske bevegelser. Men Blodgett og teamet hans har allerede vist at de kan se den nevrale aktiviteten til en mus når den knipser med et værhår. Ti millisekunder etter en whisker-flikker, registrerer Blodgett de tilsvarende nevronene som skyter ved hjelp av sin optiske måleteknikk. (Det er 1000 millisekunder i et sekund og 1000 mikrosekunder på et millisekund.) I eksponert nevralt vev har teamet hans registrert nevral aktivitet innen 10 mikrosekunder – like raskt som en Utah-array eller andre elektriske metoder.
Den neste utfordringen er å gjøre alt dette gjennom hodeskallen. Dette kan høres umulig ut: hodeskaller er tross alt ikke gjennomsiktige for synlig lys. Men nær-infrarødt lys kan reise gjennom bein. Blodgetts team skyter lavkraftige infrarøde lasere gjennom hodeskallen og måler deretter hvordan lyset fra disse laserne blir spredt. Han håper dette vil la dem utlede hvilken nevral aktivitet som finner sted. Tilnærmingen er mindre godt utprøvd enn å bruke elektriske signaler, men dette er akkurat den typen risiko som DARPA-programmer er designet for å ta.
Tilbake på Battelle utvikler Gaurav Sharma en ny type nanopartikkel som kan krysse blod-hjerne-barrieren. Det er det DARPA kaller en minimalt invasiv teknikk. Nanopartikkelen har en magnetisk følsom kjerne inne i et skall laget av et materiale som genererer elektrisitet når det påføres trykk. Hvis disse nanopartikler utsettes for et magnetfelt, legger den indre kjernen stress på skallet, som deretter genererer en liten strøm. Et magnetfelt er mye bedre enn lys for å se gjennom hodeskallen, sier Sharma. Ulike magnetiske spoler lar forskerne målrette mot bestemte deler av hjernen, og prosessen kan reverseres - elektriske strømmer kan konverteres til magnetiske felt slik at signalene kan leses.
Det gjenstår å se hvilke, om noen, av disse tilnærmingene som vil lykkes. Andre N³-team bruker ulike kombinasjoner av lys, elektriske, magnetiske og ultralydbølger for å få signaler inn og ut av hjernen. Vitenskapen er utvilsomt spennende. Men den spenningen kan tilsløre hvor dårlig utstyrt Pentagon og selskaper som Facebook, som også utvikler BCI-er, er til å ta opp mengden av etiske, juridiske og sosiale spørsmål en ikke-invasiv BCI gir opphav til. Hvordan kan svermer av droner kontrollert direkte av en menneskelig hjerne endre karakteren til krigføring? Emondi, leder for N³, sier at nevrale grensesnitt vil bli brukt uansett hvor de er nødvendige. Men militær nødvendighet er et formbart kriterium.
I august besøkte jeg et laboratorium på Battelle der Burkhart hadde brukt de foregående timene på å tenke på et nytt erme, utstyrt med 150 elektroder som stimulerer armmusklene hans. Han og forskere håpet at de kunne få ermet til å fungere uten å måtte stole på Utah-arrayet for å fange opp hjernesignaler.
Ian Burkhart, til venstre, ble lammet av en ulykke og jobber sammen med forskere ved Battelle for å utvikle bedre hjerne-datamaskin-grensesnitt.
Burkhart fikk en Utah-array, vist til høyre, implantert i sin motoriske cortex i 2014. Battelle-gruppen prøver nå å utvikle en måte å lese hjernesignalene hans uten et kirurgisk implantat.
Hvis ryggmargen din har blitt brukket, er det hardt arbeid å tenke på å bevege armen. Burkhart var sliten. Det er en gradert ytelse: hvor hardt jeg tenker på noe oversettes til hvor mye bevegelse, fortalte han meg. Mens du før [ulykken] ikke tenker «åpne hånden din» – resten av oss tar bare opp flasken. Men jeg er supermotivert for det - mer enn noen andre i rommet, sa han. Burkhart gjorde det enkelt å se teknologiens potensiale.
Han fortalte meg at siden han begynte å jobbe med Utah-gruppen, har han blitt sterkere og mer fingernem selv når han ikke bruker den – så mye at han nå bor for seg selv, og trenger hjelp bare noen få timer om dagen. Jeg snakker mer med hendene. Jeg kan holde på telefonen min, sier han. Hvis det blir utformet til noe jeg kan bruke hver dag, vil jeg bruke det så lenge jeg kan.
Paul Tullis er en forfatter bosatt i Amsterdam.