211service.com
Het Amerikaanse leger probeert gedachten te lezen
Een nieuw DARPA-onderzoeksprogramma ontwikkelt hersen-computerinterfaces die zwermen drones kunnen besturen, werkend met de snelheid van het denken. Wat als het lukt?
16 oktober 2019
Foto-illustratie van interfaces tussen soldaten en hersenen Enrico Nagel
In augustus werden drie afgestudeerde studenten van de Carnegie Mellon University samengepropt in een klein, raamloos kelderlab, met behulp van een door een jury gemonteerd 3D-printerframe om een stukje muizenhersenen met elektriciteit te zappen.
Het hersenfragment, gesneden uit de hippocampus, zag eruit als een stukje dun gesneden knoflook. Het rustte op een platform in de buurt van het midden van het apparaat. Een smalle buis baadde het schijfje in een oplossing van zout, glucose en aminozuren. Dit hield het op een bepaalde manier in leven: neuronen in het schijfje bleven vuren, waardoor de onderzoekers gegevens konden verzamelen. Een reeks elektroden onder het plakje leverde de elektrische zaps, terwijl een spuitachtige metalen sonde meet hoe de neuronen reageerden. Felle LED-lampen verlichtten de schotel. De opzet, om het jargon van de lableden te gebruiken, was nogal hacky.
Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van november 2019
- Zie de rest van het nummer
- Abonneren
Een monitor naast het tuig toonde stimulus en reactie: schokken van elektriciteit van de elektroden werden milliseconden later gevolgd door het vuren van neuronen. Later zouden de onderzoekers een materiaal met dezelfde elektrische en optische eigenschappen als een menselijke schedel tussen het plakje en de elektroden plaatsen, om te zien of ze ook de muis-hippocampus door de gesimuleerde schedel konden stimuleren.
Ze deden dit omdat ze signalen in menselijke hersenen willen kunnen detecteren en manipuleren zonder door de schedel te hoeven snijden en kwetsbaar hersenweefsel aan te raken. Hun doel is om uiteindelijk nauwkeurige en gevoelige hersen-computerinterfaces te ontwikkelen die kunnen worden op- en afgedaan als een helm of hoofdband - geen operatie vereist.
Menselijke schedels zijn minder dan een centimeter dik: de exacte dikte verschilt van persoon tot persoon en van plaats tot plaats. Ze fungeren als een vervagingsfilter dat golfvormen verstrooit, of het nu elektrische stromen, licht of geluid zijn. Neuronen in de hersenen kunnen zo klein zijn als een paar duizendsten van een millimeter in diameter en genereren elektrische impulsen zo zwak als een twintigste van een volt.
Het experiment van de studenten was bedoeld om een basislijn van gegevens te verzamelen waarmee ze de resultaten konden vergelijken van een nieuwe techniek die Pulkit Grover, de hoofdonderzoeker van het team, hoopt te ontwikkelen.
Niets zoals dit is [nu] mogelijk, en het is echt moeilijk om te doen, zegt Grover. Hij leidt een van de zes teams die deelnemen aan het Next-generation Nonsurgical Neurotechnology Program, of N³, een $ 104 miljoen inspanning dit jaar gelanceerd door het Defense Advanced Research Projects Agency , of DARPA. Terwijl het team van Grover elektrische en ultrasone signalen manipuleert, gebruiken andere teams optische of magnetische technieken. Als een van deze benaderingen slaagt, zullen de resultaten transformerend zijn.
Chirurgie is duur en een operatie om een nieuw soort superkrijger te creëren is ethisch ingewikkeld. Een apparaat voor het lezen van gedachten dat geen operatie vereist, zou een wereld aan mogelijkheden openen. Brain-computer interfaces, of BCI's, zijn gebruikt om mensen met quadriplegie te helpen de beperkte controle over hun lichaam terug te krijgen, en om veteranen die ledematen hebben verloren in Irak en Afghanistan in staat te stellen kunstmatige ledematen te controleren. N³ is de eerste serieuze poging van het Amerikaanse leger om BCI's te ontwikkelen met een meer oorlogszuchtig doel. Werken met drones en zwermen drones, werken met de snelheid van het denken in plaats van met mechanische apparaten - voor dat soort dingen zijn deze apparaten echt bedoeld, zegt Al Emondi, de directeur van N³.
UCLA computerwetenschapper Jacques J. Vidal gebruikte de term brein-computerinterface voor het eerst in de vroege jaren zeventig; het is een van die uitdrukkingen, zoals kunstmatige intelligentie, waarvan de definitie evolueert naarmate de mogelijkheden die het beschrijft zich ontwikkelen. Elektro-encefalografie (EEG), die elektrische activiteit in de hersenen registreert met behulp van elektroden die op de schedel zijn geplaatst, kan worden beschouwd als de eerste interface tussen hersenen en computers. Tegen het einde van de jaren negentig hadden onderzoekers van Case Western Reserve University EEG gebruikt om de hersengolven van een quadriplegie te interpreteren, waardoor hij een computercursor kon verplaatsen via een draad die uit de elektroden op zijn hoofdhuid liep.
Zowel invasieve als niet-invasieve technieken voor het lezen van de hersenen zijn sindsdien gevorderd. Dat geldt ook voor apparaten die de hersenen stimuleren met elektrische signalen om aandoeningen zoals epilepsie te behandelen. Het meest krachtige mechanisme dat tot nu toe is ontwikkeld, wordt ongetwijfeld een Utah-array genoemd. Het ziet eruit als een klein bedje van spijkers, in totaal ongeveer de helft van een pinknagel, dat een bepaald deel van de hersenen kan binnendringen.
Op een dag in 2010, terwijl hij op vakantie was in de Outer Banks van North Carolina, dook Ian Burkhart in de oceaan en stootte zijn hoofd op een zandbank. Hij verbrijzelde zijn ruggenmerg en verloor de functie van de zesde cervicale zenuw naar beneden. Hij kon zijn armen nog steeds bij de schouder en elleboog bewegen, maar niet zijn handen of benen. Fysiotherapie hielp niet veel. Hij vroeg zijn artsen aan het Wexner Medical Center van de Ohio State University of ze nog iets konden doen. Het bleek dat Wexner hoopte samen met Battelle, een non-profit onderzoeksbedrijf, een onderzoek uit te voeren om te zien of ze een Utah-array konden gebruiken om de ledematen van een verlamde persoon te reanimeren.
Waar EEG de totale activiteit van talloze neuronen laat zien, kunnen Utah-arrays de impulsen van een klein aantal van hen registreren, of zelfs van een enkele. In 2014 implanteerden artsen een Utah-array in het hoofd van Burkhart. De array mat het elektrische veld op 96 plaatsen in zijn motorische cortex, 30.000 keer per seconde. Burkhart kwam meer dan een jaar lang meerdere keren per week in het lab, en de onderzoekers van Battelle trainden hun signaalverwerkingsalgoritmen om zijn bedoelingen vast te leggen terwijl hij moeizaam en systematisch nadacht over hoe hij zijn hand zou bewegen als hij kon.
Een dikke kabel, verbonden met een voetstuk dat uit Burkharts schedel kwam, stuurde de impulsen gemeten door de Utah-array naar een computer. De computer decodeerde ze en stuurde vervolgens signalen naar een huls met elektroden die bijna zijn rechteronderarm bedekte. De mouw activeerde zijn spieren om de bewegingen uit te voeren die hij van plan was, zoals het grijpen, optillen en legen van een fles, of het verwijderen van een creditcard uit zijn portemonnee.
Dat maakte Burkhart een van de eersten die de controle over zijn eigen spieren terugkreeg via zo'n neurale bypass. Battelle, een van de andere teams in het N³-programma, werkt nu met hem samen om te kijken of ze dezelfde resultaten kunnen bereiken zonder schedelimplantaat.
Dat betekent niet alleen nieuwe apparaten bedenken, maar ook betere signaalverwerkingstechnieken om de zwakkere, verwarde signalen die van buiten de schedel kunnen worden opgepikt, te begrijpen. Daarom wordt het Carnegie Mellon N³-team geleid door Grover, een elektrotechnisch ingenieur van opleiding, geen neurowetenschapper.
Ik ben er super gemotiveerd voor - meer dan wie dan ook in de kamer.
Kort nadat Grover in Carnegie Mellon was aangekomen, nodigde een vriend van de University of Pittsburgh Medical School hem uit om deel te nemen aan klinische bijeenkomsten voor epilepsiepatiënten. Hij begon te vermoeden dat er veel meer informatie over de hersenen uit EEG kon worden afgeleid dan wie dan ook deed - en omgekeerd, dat slimme manipulatie van externe signalen effecten diep in de hersenen zou kunnen hebben. Een paar jaar later publiceerde een team onder leiding van Edward Boyden van het MIT's Centre for Neurobiological Engineering een opmerkelijk artikel dat veel verder ging dan Grovers algemene intuïtie.
De groep van Boyden had twee elektrische signalen, met hoge maar enigszins verschillende frequenties, aan de buitenkant van de schedel aangebracht. Deze hadden geen invloed op neuronen dicht bij het oppervlak van de hersenen, maar die dieper erin. In een fenomeen dat bekend staat als constructieve interferentie, produceerden ze samen een signaal met een lagere frequentie dat de neuronen stimuleerde om te vuren.
Grover en zijn groep werken nu aan het uitbreiden van de resultaten van Boyden met honderden elektroden die op het oppervlak van de schedel zijn geplaatst, zowel om kleine gebieden in het binnenste van de hersenen nauwkeurig te targeten als om het signaal zo te sturen dat het van het ene hersengebied naar het een andere terwijl de elektroden op hun plaats blijven. Het is een idee, zegt Grover, dat neurowetenschappers waarschijnlijk niet hebben gehad.
Ondertussen gebruikt een ander N³-team in het Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (APL) een heel andere benadering: nabij-infrarood licht.
Het huidige begrip is dat neuraal weefsel opzwelt en samentrekt wanneer neuronen elektrische signalen afvuren. Die signalen zijn wat wetenschappers opnemen met EEG, een Utah-array of andere technieken. Dave Blodgett van APL stelt dat de zwelling en samentrekking van het weefsel een even goed signaal is van neurale activiteit, en hij wil een optisch systeem bouwen dat die veranderingen kan meten.
De technieken uit het verleden konden zulke kleine fysieke bewegingen niet vastleggen. Maar Blodgett en zijn team hebben al aangetoond dat ze de neurale activiteit van een muis kunnen zien wanneer deze met een snorhaar beweegt. Tien milliseconden nadat een snorhaar beweegt, registreert Blodgett de corresponderende neuronen die vuren met behulp van zijn optische meettechniek. (Er zitten 1000 milliseconden in een seconde en 1000 microseconden in een milliseconde.) In blootgesteld neuraal weefsel heeft zijn team neurale activiteit binnen 10 microseconden geregistreerd - net zo snel als een Utah-array of andere elektrische methoden.
De volgende uitdaging is om dat allemaal via de schedel te doen. Dit klinkt misschien onmogelijk: schedels zijn immers niet transparant voor zichtbaar licht. Maar nabij-infrarood licht kan door bot reizen. Het team van Blodgett vuurt infrarode lasers met laag vermogen door de schedel en meet vervolgens hoe het licht van die lasers wordt verstrooid. Hij hoopt dat ze hierdoor kunnen afleiden welke neurale activiteit plaatsvindt. De aanpak is minder goed bewezen dan het gebruik van elektrische signalen, maar dit zijn precies de soorten risico's waarvoor DARPA-programma's zijn ontworpen.
Terug in Battelle ontwikkelt Gaurav Sharma een nieuw type nanodeeltje dat de bloed-hersenbarrière kan passeren. Het is wat DARPA een minimaal invasieve techniek noemt. Het nanodeeltje heeft een magnetisch gevoelige kern in een omhulsel gemaakt van een materiaal dat elektriciteit opwekt wanneer er druk op wordt uitgeoefend. Als deze nanodeeltjes worden blootgesteld aan een magnetisch veld, zet de binnenkern spanning op de schaal, die vervolgens een kleine stroom genereert. Een magnetisch veld is veel beter dan licht om door de schedel te kijken, zegt Sharma. Met verschillende magnetische spoelen kunnen de wetenschappers zich richten op specifieke delen van de hersenen, en het proces kan worden omgekeerd: elektrische stromen kunnen worden omgezet in magnetische velden zodat de signalen kunnen worden gelezen.
Het valt nog te bezien welke van deze benaderingen zal slagen. Andere N³-teams gebruiken verschillende combinaties van licht, elektrische, magnetische en ultrasone golven om signalen in en uit de hersenen te krijgen. De wetenschap is ongetwijfeld spannend. Maar die opwinding kan verhullen hoe slecht het Pentagon en bedrijven zoals Facebook, die ook BCI's ontwikkelen, de talrijke ethische, juridische en sociale vragen moeten aanpakken die een niet-invasieve BCI oproept. Hoe kunnen zwermen drones die rechtstreeks door een menselijk brein worden bestuurd, de aard van oorlogvoering veranderen? Emondi, het hoofd van N³, zegt dat neurale interfaces zullen worden gebruikt, hoe ze ook nodig zijn. Maar militaire noodzaak is een kneedbaar criterium.
In augustus bezocht ik een laboratorium in Battelle waar Burkhart de afgelopen uren had zitten denken aan een nieuwe mouw, uitgerust met 150 elektroden die zijn armspieren stimuleren. Hij en de onderzoekers hoopten dat ze de sleeve aan het werk konden krijgen zonder afhankelijk te zijn van de Utah-array om hersensignalen op te pikken.
Ian Burkhart, links, raakte verlamd door een ongeluk en werkt samen met onderzoekers van Battelle om betere hersen-computerinterfaces te ontwikkelen.
Burkhart had in 2014 een Utah-array geïmplanteerd in zijn motorische cortex, rechts afgebeeld. De Battelle-groep probeert nu een manier te ontwikkelen om zijn hersensignalen te lezen zonder een chirurgisch implantaat.
Als uw ruggenmerg is gebroken, is het moeilijk om na te denken over het bewegen van uw arm. Burkhart was moe. Er is een gegradeerde uitvoering: hoe hard ik over iets denk, vertaalt zich in hoeveel beweging, vertelde hij me. Terwijl je vóór [het ongeluk] niet dacht: 'Open je hand' - de rest van ons pakt gewoon de fles. Maar ik ben er super gemotiveerd voor - meer dan wie dan ook in de kamer, zei hij. Burkhart maakte het gemakkelijk om het potentieel van de technologie te zien.
Hij vertelde me dat hij sinds hij met het Utah-array begon te werken, sterker en handiger is geworden, zelfs als hij het niet gebruikt - zozeer zelfs dat hij nu alleen woont en slechts een paar uur per dag hulp nodig heeft. Ik praat meer met mijn handen. Ik kan mijn telefoon vasthouden, zegt hij. Als het wordt uitgewerkt tot iets dat ik elke dag kan gebruiken, zou ik het zo lang mogelijk dragen.
Paul Tullis is een schrijver die in Amsterdam woont.