211service.com
Tankeeksperimentet
I en bemerkelsesverdig studie brukte en lam kvinne sinnet til å kontrollere en robotarm. Hvis det bare var en realistisk måte å få denne teknologien ut av laboratoriet og inn i det virkelige liv. 17. juni 2014
Jeg var omtrent 15 minutter forsinket til min første telefonsamtale med Jan Scheuermann. Da jeg prøvde å be om unnskyldning for at hun lot henne vente, stoppet hun meg. Jeg satt ikke bare og ventet på deg, vet du, sa hun før hun tok seg selv. Vel, faktisk jeg var sitter omkring.
Scheuermann, som er 54, har vært lam i 14 år. Hun hadde bodd i California og drevet en deltidsbedrift og arrangerte mysterie-teatermiddager, der gjestene spilte roller hun gjorde opp for dem. Helt frisk, gift, med to barn, sier hun. En kveld, under en middag hun hadde organisert, føltes det som om bena hennes trakk etter henne. Jeg kalkulerte det til å være en kald natt med snø, men det var et par trappetrinn i huset, og gutt, jeg hadde virkelig problemer, sier hun.
Denne historien var en del av vår utgave av juli 2014
- Se resten av saken
- Abonnere
Plagete måneder med legebesøk og feildiagnostiseringer fulgte. En nevrolog sa at hun hadde multippel sklerose. Da brukte hun en elektrisk rullestol og bleknet raskt. Hun trodde hun holdt på å dø, så hun flyttet hjem til Pittsburgh, hvor familien hennes kunne ta seg av barna hennes. Til slutt ble hun diagnostisert med en sjelden sykdom kalt spinocerebellar degenerasjon. Hun kan kjenne på kroppen, men nervene som bærer signaler fra hjernen fungerer ikke lenger. Hjernen hennes sier Move, men lemmene hennes kan ikke høre.
For to og et halvt år siden skrudde leger to porter inn i Scheuermanns hodeskalle (hun kaller dem Lewis og Clark). Portene lar forskere sette inn kabler som kobles til to implantater på størrelse med fingerstift i hjernens motoriske cortex. To eller tre ganger i uken slutter hun seg til et team av forskere ved University of Pittsburgh og blir koblet til en robotarm som hun kontrollerer med sinnet. Hun bruker den til å flytte blokker, stable kjegler, gi high fives og posere for dumme bilder, og gjør ting som å late som hun slår ut en forsker eller to. Hun kaller armen Hector.
Scheuermann, som sier at hun i drømmene ikke er funksjonshemmet, gjennomgikk en hjerneoperasjon i 2012 etter å ha sett en video av en annen lam pasient som kontrollerer en robotarm med tankene sine. Hun søkte umiddelbart om å bli med på studiet. Under operasjonen brukte legene en luftpistol for å skyte de to bittesmå sengene med silisiumnåler, kalt Utah Electrode Array, inn i hennes motoriske cortex, den slanke hjernestripen som går over toppen av hodet til kjevene og kontrollerer frivillig bevegelse . Hun våknet fra operasjonen med dunkende hodepine og det verste tilfellet av kjøpers anger. Hun kunne ikke tro at hun hadde gjennomgått en frivillig hjerneoperasjon. Jeg tenkte, Vær så snill, Gud, ikke la dette være for ingenting. Min største frykt var at det ikke ville fungere, sier hun. Men i løpet av få dager kontrollerte hun robotarmen, og med uventet suksess: Jeg flyttet noe i miljøet mitt for første gang på flere år. Det var gispende og spennende. Forskerne kunne heller ikke tørke smilet av ansiktene deres på flere uker.
Jan Scheuermann stabler kjegler med en tankekontrollert robotarm mens forskningsassistent Brian Wodlinger ser på arbeidet hennes.
Scheuermann er en av rundt 15 til 20 lammede pasienter som har sluttet seg til langtidsstudier av implantater som kan formidle informasjon fra hjernen til en datamaskin. Hun er det første faget i Pittsburgh. Ni andre, inkludert personer i avanserte stadier av ALS, har gjennomgått lignende tester i en nær beslektet studie, kalt BrainGate. Ytterligere fire innelåste pasienter, ute av stand til å bevege seg eller snakke, har gjenvunnet en viss evne til å kommunisere takket være en annen type elektrode utviklet av et Georgia-selskap kalt Neural Signals.
En tredjedel av disse pasientene har gjennomgått kirurgi siden 2011, da U.S. Food and Drug Administration sa at det ville løsne på reglene for å teste virkelig banebrytende teknologier som hjerne-maskin-grensesnitt. Flere menneskelige eksperimenter er på gang. En, hos Caltech, ønsker å gi en pasient autonom kontroll over operativsystemet Google Android-nettbrett. Et team ved Ohio State University, i samarbeid med FoU-organisasjonen Battelle, satte et implantat i en pasient i april med den hensikt å bruke pasientens hjernesignaler til å kontrollere stimulatorer festet til armen. Battelle beskriver ideen som å gjenopplive et lammet lem under frivillig kontroll av deltakerens tanker.
Disse nervøse første-av-a-slaget-studiene er avhengige av det faktum at registrering av den elektriske aktiviteten til noen få dusin celler i hjernen kan gi et ganske nøyaktig bilde av hvor noen har til hensikt å flytte et lem. Vi er teknologisk begrenset til å ta prøver av et par hundre nevroner, fra milliarder i hjernen din, så det er faktisk utrolig at de i det hele tatt kan få ut et signal, sier Kip Ludwig, direktør for nevralingeniørprogrammet ved National Institute of Neurological Disorders and Stroke .
Teknologien som brukes i Pittsburgh ble utviklet i fysiologiske laboratorier for å studere dyr, og den er tydeligvis fortsatt eksperimentell. De medfølgende ledningene fører fra Scheuermanns kranium til et klumpete stativ med signalprosessorer, forsterkere og datamaskiner. Den ni kilo tunge robotarmen, betalt av militæret, har en fingernem hånd og fingre som kan gjøre naturtro bevegelser, men den er kresen, knekker ofte og er noe farlig. Når ting ikke fungerer, jakter studenter blant floker av ledninger etter løse forbindelser.
John Donoghue, nevroforskeren ved Brown University som leder den lengre pågående BrainGate-studien, sammenligner dagens hjerne-maskin-grensesnitt med de første pacemakerne. De tidlige modellene inneholdt også vogner med elektronikk, med ledninger slått gjennom huden inn i hjertet. Noen ble håndsveivet. Når du ikke vet hva som skjer, holder du så mye som mulig på utsiden og så lite som mulig på innsiden, sier Donoghue. I dag er pacemakere imidlertid selvforsynte, drevet av et batteri med lang levetid og installert på et legekontor. Donoghue sier hjerne-maskin-grensesnitt er i starten av en lignende bane.
For at hjernekontrollerte datamaskiner skal bli et medisinsk produkt, må det være en økonomisk begrunnelse, og risikoen må oppveies av belønningen. Så langt har Scheuermanns sak kommet nærmest til å vise at disse vilkårene kan oppfylles. I 2013 rapporterte Pittsburgh-teamet sitt arbeid med Scheuermann i det medisinske tidsskriftet Lancet . Etter to uker, rapporterte de, kunne hun bevege robotarmen i tre dimensjoner. I løpet av noen måneder kunne hun gjøre syv bevegelser, inkludert å rotere Hectors hånd og bevege tommelen. På et tidspunkt ble hun filmet mens hun forsynte seg med en bit av en sjokoladeplate, et mål hun hadde satt seg.
Forskerne prøvde å vise at de var i nærheten av noe praktisk – å hjelpe til med såkalte hverdagsoppgaver som de fleste tar for gitt, som å pusse tenner. I løpet av studien ble Scheuermanns evner undersøkt ved hjelp av Action Research Arm Test, det samme settet med treklosser, klinkekuler og kopper som leger bruker for å evaluere håndbehendighet hos personer med nylige skader. Hun fikk 17 av 57, eller omtrent like bra som en med et alvorlig slag. Uten Hector ville Scheuermann scoret null. Funnene som er gjort 60 minutter .
Først var det suksess, suksess, suksess, men Scheuermann sier at ingen fortalte henne at implantatet kan slutte å virke. Gradvis registreres det fra færre nevroner. Hennes kontroll over robotarmen svekkes.
Siden TV-kameraene forsvant har imidlertid noen av manglene ved teknologien vist seg. Til å begynne med fortsatte Scheuermann å demonstrere nye evner. Det var suksess, suksess, suksess, sier hun. Men det har blitt vanskeligere å kontrollere Hector. Årsaken er at implantatene over tid slutter å registrere. Hjernen er et fiendtlig miljø for elektronikk, og små bevegelser av matrisen kan også bygge opp arrvev. Effekten er velkjent for forskere og har blitt observert hundrevis av ganger hos dyr. En etter en kan færre nevroner oppdages.
Scheuermann sier at ingen fortalte henne. Teamet sa at de forventet tap av nevronsignaler på et tidspunkt. Det var jeg ikke, så jeg ble overrasket, sier hun. Hun kontrollerer nå rutinemessig roboten i bare tre til fem dimensjoner, og hun har gradvis mistet evnen til å åpne og lukke tommelen og fingrene. Var dette i det hele tatt som hennes opplevelse av å bli lam? Jeg stilte henne spørsmålet noen dager senere på e-post. Hun svarte i en melding skrevet av en medhjelper som er hos henne de fleste dagene: Jeg var skuffet over at jeg sannsynligvis aldri ville gjøre det bedre enn jeg allerede hadde gjort, men aksepterte det uten sinne eller bitterhet.
gjenoppliving
Forskeren som planla Pittsburgh-eksperimentet er Andrew Schwartz, en mager Minnesotan hvis laboratorium ligger på et solbelyst gulv dominert av tre grå metalltårn med utstyr som brukes til å overvåke aper i tilstøtende suiter. Sett på TV-er med lukket krets, trosser scenene fra innsiden av eksperimentelle rommene troen. På en skjerm roterer et metallhjul gjentatte ganger, og endrer posisjonen til et lys oransje håndtak. Etter hver omdreining strekker en stor robothånd opp fra kanten av skjermen for å ta tak i håndtaket. Midt i spinnemaskineriet er det lett å gå glipp av det grå og rosa ansiktet til rhesusapen som styrer alt dette fra en kabel i hodet.
Utah Electrode Array, oppfunnet på 1990-tallet, har 96 silisiumnåler som registrerer de elektriske impulsene til nevroner inne i hjernen.
Teknologien har sine røtter i 1920-årene, med oppdagelsen av at nevroner formidler informasjon via elektriske pigger som kan registreres med en tynn metalltråd, eller elektrode. I 1969 hadde en forsker ved navn Eberhard Fetz koblet et enkelt nevron i en apes hjerne til en skive dyret kunne se. Apen, oppdaget han, lærte å få nevronet til å fyre raskere for å flytte skiven og få en belønning av en pellet med banansmak. Selv om Fetz ikke var klar over det på den tiden, hadde han laget det første hjerne-maskin-grensesnittet.
Schwartz bidro til å utvide denne oppdagelsen for 30 år siden da fysiologer begynte å registrere fra mange nevroner i levende dyr. De fant at selv om hele den motoriske cortex bryter ut i en flamme av elektriske signaler når et dyr beveger seg, vil et enkelt nevron ha en tendens til å skyte raskest i forbindelse med visse bevegelser – for eksempel å bevege armen til venstre eller opp, eller bøye albuen – men mindre fort ellers. Registrer fra nok nevroner, og du kan få en grov ide om hvilken bevegelse en person gjør, eller bare har til hensikt. Det er som en politisk meningsmåling, og jo flere nevroner du spørre, jo bedre blir resultatet, sier han.
De 192 elektrodene på Scheuermanns to implantater har registrert mer enn 270 nevroner om gangen, som er det mest samtidig målt fra et menneskes hjerne. Schwartz sier at dette er grunnen til at hennes kontroll over roboten har vært så god.
Nevronale signaler tolkes av programvare som kalles en dekoder. Gjennom årene bygde forskere bedre og bedre dekodere, og de prøvde mer ambisiøse kontrollopplegg. I 1999 trente nevroforskeren Miguel Nicolelis ved Duke University en rotte til å svinge en utkrager med sinnet for å få en belønning. Tre år senere fikk Donoghue en ape som flyttet en markør i to dimensjoner over en dataskjerm, og i 2004 hadde BrainGate-teamet hans utført den første langsiktige menneskelige testen av Utah-arrayen, og viste at til og med noen hvis lemmer hadde blitt lammet for år kunne kontrollere en markør mentalt. I 2008 hadde Schwartz en ape som tok og foret seg med en marshmallow med en robothånd.
Noen lammede mennesker begynner å se på elektronikk som deres beste sjanse for å bli frisk. Jeg tar det! Kutt av den døde armen min og gi meg en robot som jeg kan FØLE med! skrev en.
Scheuermann har raskt vært i stand til å prøve mange nye oppgaver. Hun har blitt bedt om å styre to robotarmer samtidig og løfte en boks (jeg klarte det bare en eller to ganger, sier hun). Noen resultater er merkelige: Scheuermann er i stand til å lukke Hectors fingre rundt en plastkjegle, men ofte bare hvis hun lukker øynene først. Gjenspeiles tilstedeværelsen av kjeglen på en eller annen måte i nevronenes avfyringsmønstre? Schwartz har brukt måneder på å prøve å finne ut av det. Bak slike usikkerhetspunkter kan ligge store oppdagelser om hvordan hjernen forbereder og utfører handlinger.
Scheuermann lot en gang assistenten kle henne i påklistrede værhår og en uklar hale for å hilse på forskere. Det var en mørk humoristisk måte å erkjenne at disse eksperimentene er avhengige av menneskelige frivillige. De er ikke på langt nær så vanskelige å trene som disse gutta, sier Schwartz og rykker med tommelen til raden av apekatt.
Disse frivillige er fanget; noen av dem håper desperat at vitenskapen kan gi en flukt. Realistisk sett er det usannsynlig i deres levetid. Den første BrainGate-frivilligen var en 25-åring ved navn Matt Nagle, som hadde pustet gjennom en ventilator siden ryggmargen hans ble kuttet under en knivkamp. Han var i stand til å flytte en markør på en skjerm i 2004. Men Nagle ønsket også å begå selvmord og prøvde å få andre til å hjelpe ham med det, iht. Mannen med den bioniske hjernen , en bok skrevet av legen hans. Han døde av en infeksjon i 2007. På nettpratforum der lammede mennesker handler håpefulle nyheter om mulige kurer, som stamceller, avviser noen hjerne-maskin-grensesnitt som sprø. Andre begynner å tro at det er deres beste sjanse. Jeg tar det! Kutt av den døde armen min og gi meg en robot som jeg kan FØLE med! skrev en.
Schwartz sier at han håper å generere fysiske sensasjoner fra robotarmen i år, hvis han kan finne en annen kvadriplegisk frivillig. I likhet med Scheuermann vil neste pasient motta to arrays i den motoriske cortex for å kontrollere robotarmen. Men Schwartz sier at kirurger vil plassere ytterligere to implantater i den frivilliges sensoriske cortex; disse vil motta signaler fra trykksensorer festet til robotfingertuppene. Studier fra Nicolelis' Duke-laboratorium viste nylig at dyr sanser og reagerer på slike elektriske input. Vi vet ikke om motivet vil føle det som berøring, sier Schwartz. Det er veldig grovt og forenklet og et utvilsomt ukorrekt sett med antagelser, men du kan ikke spørre apen hva han akkurat følte. Vi tror det vil være et nytt vitenskapelig funn. Hvis pasienten kan si hvordan det føles, vil det være nyheter.
Et annet hovedmål, delt av Schwartz og BrainGate-forskerne, er å koble en frivilligs motoriske cortex til elektroder plassert i hans eller hennes lemmer, noe som vil få musklene til å trekke seg sammen - for eksempel for å åpne og lukke en hånd. I april kunngjorde Ohio-kirurgene som jobbet med Battelle at de ville være de første til å prøve det. De satte et hjerneimplantat i en mann med ryggmargsskade. Og så snart pasienten kommer seg, sier Battelle, vil de sette i gang tester for å gjenopplive fingrene, håndleddet og hånden hans. Vi ønsker å hjelpe noen med å få kontroll over sitt eget lem, sier Chad Bouton, ingeniøren som har ansvaret for prosjektet, som tidligere har samarbeidet med BrainGate-gruppen. Kan noen plukke opp en fjernkontroll og bytte kanal? Selv om Battelle ikke har fått godkjenning fra regulatorer til å prøve det, sier Bouton at det åpenbare neste trinnet er å prøve et toveis signal til og fra et lammet lem, som kombinerer kontroll og sensasjon.
Grensesnittproblemer
Hjerne-maskin-grensesnitt kan virke som om de utvikler seg raskt. Hvis du spoler fremover fra den første videoen av den apen til noen som flytter en robot i syv dimensjoner, plukker ting opp, legger dem fra seg, er det ganske dramatisk, sier Lee Miller, en nevrofysiolog ved Northwestern University. Men det som ikke har endret seg, bokstavelig talt, er matrisen. Det er Stanley Steamer av hjerneimplantater. Selv om du viser kontroll, kommer det til å forsvinne om to til tre år. Vi trenger et grensesnitt som varer i 20 år før dette kan bli et produkt.
Utah-arrayet ble utviklet på begynnelsen av 1990-tallet som en måte å registrere fra cortex, først av katter, med minimalt traumer i hjernen. Det antas at arrvev bygger seg opp rundt de nållignende opptaksspissene, hver 1,5 millimeter lang. Hvis det grensesnittproblemet er løst, sier Miller, ser han ingen grunn til at det ikke kan være 100 000 mennesker med hjerneimplantater for å kontrollere rullestoler, datapekere eller sine egne lemmer. Schwartz legger til at hvis det også er mulig å måle fra nok nevroner på en gang, kan noen til og med spille piano med en tankekontrollert robotarm.
Modular Prosthetic Limb ble designet av Johns Hopkins Universitys Applied Physics Laboratory og finansiert av DARPA.
Forskere forfølger flere ideer for å forbedre hjernegrensesnittet. Det er forsøk på å utvikle ultratynne elektroder, versjoner som er mer kompatible med kroppen, eller ark med fleksibel elektronikk som kan vikle seg rundt toppen av hjernen. I San Francisco studerer leger om slike overflateelektroder, selv om de er mindre presise, kan brukes i en dekoder for tale, noe som potensielt lar en person som Stephen Hawking snakke via et hjerne-datamaskin-grensesnitt. I et ambisiøst prosjekt som ble lansert i fjor ved University of California, Berkeley, prøver forskere å utvikle det de kaller nevralt støv. Målet er å spre mikron-størrelse piezoelektriske sensorer i hele hjernen og bruke reflekterte lydbølger for å fange opp elektriske utladninger fra nærliggende nevroner.
Jose Carmena, en Berkeley-forsker som, i likhet med Schwartz, jobber med aper for å teste grensene for tankekontroll, møter nå ukentlig med en gruppe på et dusin forskere for å skissere planer for bedre måter å registrere fra nevroner. Men uansett hva de finner på må testes på dyr i årevis før det kan prøves på en person. Jeg tror ikke Utah-arrayet kommer til å bli hjernens pacemaker, sier han. Men det vi ender opp med å bruke er kanskje ikke så forskjellig. Du ser ikke den nyeste datamaskinen i romoppdrag. Du trenger den mest robuste teknologien. Det er det samme her.
Tallspill
For å lykkes, må ethvert nytt medisinsk utstyr være trygt, nyttig og økonomisk levedyktig. Akkurat nå oppfyller ikke hjerne-maskin-grensesnitt disse kravene. Et problem er risikoen ved hjernekirurgi og sjansen for infeksjon. Hos Brown sier Donoghue at BrainGate-teamet nesten er ferdig med å utvikle en trådløs sender, omtrent på størrelse med en sigarettenner, som vil gå under en persons hud og redusere infeksjonsrisikoen ved å bli kvitt sokkelene og ledningene som danner hjerne-maskin-grensesnitt. så uhåndterlig. Donoghue sier at med et trådløst system kan implantater snart være et realistisk medisinsk alternativ.
Men det reiser et annet vanskelig problem: hva vil pasientene kontrollere? Armen Scheuermann kontrollerer er fortsatt en enormt kostbar prototype, og den går ofte i stykker. Hun bekymrer seg for at ikke alle hadde råd til en. I stedet tror Leigh Hochberg, en nevrolog ved Massachusetts General Hospital som driver BrainGate-studien med Donoghue, at de første brukerne sannsynligvis vil være innelåste pasienter som verken kan bevege seg eller snakke. Hochberg ville ansett det som et gjennombrudd å gi slike pasienter pålitelig tankekontroll over en datamus. Det ville la dem skrive ut ord eller bytte kanal på en TV.
Likevel kan selv innelåste pasienter ofte bevege øynene. Dette betyr at de har enklere måter å kommunisere på, som å bruke en eyetracker. En undersøkelse av 61 ALS-pasienter ved University of Michigan fant at rundt 40 prosent av dem ville vurdere å gjennomgå kirurgi for et hjerneimplantat, men bare hvis det ville la dem kommunisere mer enn 15 ord i minuttet (en femtedel av personene som svarte på undersøkelsen var allerede ute av stand til å snakke). BrainGate har ennå ikke rapportert så høye hastigheter.
Uten et klart definert produkt å skyte etter, har ingen stor bedrift hoppet inn for å lage en nevroprotese for quadriplegics. En oppstart gikk ut av virksomheten etter å ha samlet inn mer enn 30 millioner dollar.
Alle bitene av teknologien har på et eller annet nivå blitt løst, sier Andy Gotshalk, administrerende direktør i Blackrock Microsystems, som produserer Utah-arrayen og har anskaffet noe av BrainGate-teknologien. Men hvis du spør meg hva som er produktet – er det en armprotese eller er det en rullestol du kontrollerer? – så vet jeg ikke. Det er et produkt på høyt nivå i tankene, som skal gjøre livet for quadriplegics mye enklere. Men nøyaktig hva det ville være er ikke definert. Det er bare ikke konkret. Forskerne får noen publikasjoner på høyt nivå, men jeg må tenke på forretningsplanen, og det er et problem.
Uten et klart produkt å satse på, har ingen stor bedrift noen gang hoppet inn. Og risikoen for en virksomhet er spesielt høy fordi det er relativt få pasienter med fullstendig kvadriplegi – omtrent 40 000 i USA – og enda færre med avansert ALS. Et selskap som Donoghue opprettet, Cyberkinetics, gikk ut av virksomheten etter å ha samlet inn mer enn 30 millioner dollar. Forskere klarer seg i stedet på små bevilgninger som er ubetydelige sammenlignet med en typisk kommersiell innsats for å utvikle et nytt medisinsk utstyr, som kan koste 100 millioner dollar. Det er ikke et eneste selskap der ute som er villig til å sette inn pengene for å lage en nevroprotese for quadriplegics, og markedet er ikke stort nok til at en venturekapitalist kan komme inn, sier Gotshalk. Tallene stemmer ikke.
Andre tror teknologien bak hjerne-maskin-grensesnitt kan ha uventede applikasjoner, langt unna å kontrollere robotarmer. Mange forskere, inkludert Carmena og teamet ved Battelle, prøver å finne ut om grensesnittene kan hjelpe med å rehabilitere slagpasienter. Fordi de danner et stort marked, ville det vært en game changer, sier Carmena. Noen av opptaksteknologiene kan være nyttige for å forstå psykiatriske sykdommer som depresjon eller tvangslidelser.
I det minste i Scheuermanns tilfelle har hjerne-maskin-grensesnittet hennes vist seg å være kraftig medisin. Da hun først ankom Pittsburgh, sier legene hennes, var følelsen hennes flat, og hun smilte ikke. Men å være en del av eksperimentet ga henne energi. Jeg elsket det. Jeg hadde kollegaer for første gang på 20 år, og jeg følte meg trengt, sier hun. Hun dikterte ferdig en mysterieroman, Skarp som en agurk , at hun hadde startet før hun ble syk og publiserte det på nettet. Nå jobber hun med en annen. Scheuermann fortalte meg at hun gjerne ville ha en robotarm hjemme. Hun ville være i stand til å åpne døren, rulle inn på plenen og snakke med naboer. Kanskje hun ville åpnet kjøleskapet og tatt en sandwich som assistenten hennes hadde laget til henne.
Samtalen vår var over. Øyeblikket var vanskelig. Jeg kunne legge på telefonen, men hun kunne ikke. Mannen hennes hadde gått ut og handlet. Hector var tilbake i laboratoriet. Hun var alene og kunne ikke bevege seg. Det er greit, sa Scheuermann. Jeg lar bare telefonen gli ned på gulvet. Ha det.