Mind-Machine Fusie

Ted Berger is een gedachtenlezer. De geest van ratten, dat wel. In zijn laboratorium aan de Universiteit van Zuid-Californië plaatst de neurobioloog een kleine reeks elektroden op een plakje van de hersenen van een rat in een petrischaal. Met een druk op de knop zet promovendus Walid Soussou de stroom van elektrische signalen in het weefsel op gang. De hersencellen reageren door hun eigen elektrische impulsen te genereren. Dit wervelende patroon van neurale signalen wordt opgevangen door de elektroden en verschijnt op een computerscherm in de buurt als een wassing van kleuren variërend van briljant rood tot donkerblauw.

De komende uren zullen Berger en zijn team het circuit achter een van de meest complexe functies van de hersenen in kaart brengen: geheugen. Het is fundamenteel onderzoek, maar ze doen het met een groot technologisch doel voor ogen. De groep van Berger wil de informatie gebruiken om een ​​geavanceerde hersen-machine-interface te bouwen - een apparaat dat de biologische circuits van een brein verbindt met de siliciumcircuits van een computer - dat de manier waarop de geest denkt zal veranderen.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van mei 2003

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

In de afgelopen jaren hebben onderzoeksgroepen in het hele land elektroden geïmplanteerd in de hersenen van dieren - en zelfs een paar mensen - en hebben ze signalen gebruikt die door die elektroden worden gedetecteerd om robotarmen, hendels en cursors op computerschermen te bewegen ( zie Ander Brain-Machine Research, tabel, laatste pagina ). Het doel van het werk was om verlamde patiënten de mogelijkheid te geven om prothetische ledematen en eenvoudige communicatiehulpmiddelen te controleren. Maar het doel van Berger reikt nog verder: het bouwen van een computerchip die de cognitieve vermogens van de hersenen zelf herstelt, het geheugen helpt bij patiënten die lijden aan neurologische aandoeningen als de ziekte van Alzheimer en een beroerte, en misschien uiteindelijk de vermogens van een gezonde geest verbetert. . Om dit te doen, moeten de onderzoekers neurale processen begrijpen die misschien ingewikkelder zijn dan die welke bijvoorbeeld de besturing van een prothetische arm regelen. Het is een van de meest ambitieuze projecten in het hele veld, zegt Christof Koch, een expert op het gebied van berekeningen en neurale systemen bij Caltech.

Hoe gewaagd het ook is, het team van Berger is niet de enige groep die nieuwe wegen inslaat in wat onderzoekers soms neurale prothesen noemen. Een tweejarig programma van 24 miljoen dollar van het Amerikaanse Defense Advanced Research Projects Agency, dat afgelopen herfst is gelanceerd, verlegt snel de grenzen van onderzoek naar hersen-machine-interfaces. De zes projecten die door het DARPA-programma worden gefinancierd, waaronder die van Berger aan de University of Southern California, hebben tot doel technologieën te ontwikkelen die niet alleen zullen herstellen, maar ook vergroten menselijke capaciteiten, zegt Alan Rudolph, programmamanager van het DARPA-initiatief. Deze gecoördineerde, goed gefinancierde, grote wetenschappelijke benadering om te begrijpen hoe geesten en machines met elkaar kunnen interageren, zou transformationele gevolgen kunnen hebben voor defensie en de samenleving.

De inspanning zal een nieuwe generatie elektroden, computerchips en software opleveren die uiteindelijk soldaten zouden kunnen uitrusten om bijvoorbeeld supersnelle kunstmatige ledematen te besturen, voertuigen op afstand te besturen en mobiele robots in gevaarlijke omgevingen te begeleiden, waarbij alleen de kracht van hun gedachten wordt gebruikt. Nog opmerkelijker is dat dergelijke apparaten de besluitvorming kunnen verbeteren, het geheugen en de cognitieve vaardigheden kunnen verbeteren en zelfs de hersenen van een persoon draadloos kunnen laten communiceren met die van een ander.

Hoewel dergelijke toepassingen even speculatief als spectaculair zijn, beschouwen wetenschappers ze niet langer als pure fantasie. Hun nieuwe optimisme wordt gedeeltelijk gevoed door een groot aantal recente ontwikkelingen op het gebied van neurowetenschappen, interfacehardware en signaalverwerking. En de toestroom van geld doet zeker geen pijn. DARPA zet veel grotere middelen in het gebied dan ooit tevoren, zegt William Heetderks, directeur van het Neural Prosthesis Program bij de National Institutes of Health. En omdat onderzoekers op dit gebied geen gebrek hebben aan innovatieve ideeën, voegt hij eraan toe, zal de nieuwe financiering een enorm effect hebben.

Afstandsbediening

Tussen de glooiende heuvels van Durham, NC, probeert Miguel Nicolelis van Duke University oude apen nieuwe trucjes te leren. Maar eerst moeten hun hersenen leren luisteren.

De afgelopen jaren hebben Nicolelis en zijn team aangetoond dat hersensignalen die worden opgevangen door elektroden die in de hersenen van dieren zijn geïmplanteerd, een rudimentaire controle over robotarmen kunnen bieden. Maar er is een probleem: de dieren weten niet dat ze iets controleren. Om het punt te bereiken waarop dieren - en uiteindelijk mensen - meer geavanceerde taken op zich kunnen nemen, zegt Nicolelis, moet realtime communicatie tussen geest en machine tweerichtingsverkeer worden.

Dus in het lab van Nicolelis bestuurt een resusaap niet alleen een robotarm door middel van hersensignalen die worden opgevangen door elektroden die in zijn hoofd zijn geïmplanteerd, hij krijgt ook feedback van de robot - voorlopig in de vorm van een cursor op een scherm dat de bewegingen van de robot. De aap en de robotarm worden in aparte kamers bewaard en zijn verbonden via kabels, een microcomputer en een parallelle processor. De volgende stap is het implementeren van tactiele feedback. Wanneer de aap de robotarm probeert te gebruiken om een ​​rubberen bierpul te pakken, stuurt de robotarm signalen naar krachtopnemers die op de bovenarm van het dier zijn geplaatst; deze motoren zullen krachtig trillen wanneer de greep van de robot strakker wordt. En uiteindelijk, zegt Nicolelis, zou het systeem nog meer directe feedback kunnen geven door sensorische hersengebieden elektrisch te stimuleren. De kunst is om de juiste feedback te geven, zodat het brein van de aap de robot zal opnemen alsof het een deel van zijn eigen lichaam is, zegt hij.

Zodra ze de lus van brein-machine-interactie sluiten, kunnen onderzoekers, zegt Nicolelis, realistisch gaan nadenken over het ontwerpen van systemen waarvan de fysieke mogelijkheden die van normale mensen overtreffen. Een voorbeeld: door zenuwen en spieren te omzeilen en de hersenen rechtstreeks te verbinden met een robotledemaat, zegt hij, kan het mogelijk zijn om de reactietijden met een factor zes te verkorten. Hij voorspelt dat veel laboratoria de komende vijf jaar een dergelijke toename van fysieke basisvaardigheden zullen aantonen.

Terwijl Nicolelis werkt aan het repliceren en vergroten van alledaagse mogelijkheden als grijpen en tillen, duwen onderzoekers van de Universiteit van Michigan de interfaces tussen hersenen en machines naar nieuwe gebieden van fysieke controle. Biomedisch ingenieur Daryl Kipke en zijn team leren ratten en apen hoe ze de bewegingen van een vloot mobiele robots kunnen sturen met alleen hun verstand. Feedback is belangrijk, zegt Kipke, omdat het de dieren in staat stelt ervaring op te doen met een apparaat dat volledig vreemd is - in dit geval een half meter lang, zesbenig robotbeestje genaamd RHex (spreek uit als rex).

Voorlopig moet de behendige robot ofwel worden geprogrammeerd om in een bepaalde richting te rennen of op afstand worden bestuurd door een handbediende draadloze verbinding. Maar hersen-machine-interfaces, zeggen de onderzoekers uit Michigan, zouden een snellere en beter gecoördineerde controle mogelijk maken. In de verre toekomst kunnen soldaten of reddingspersoneel - mogelijk op meerdere locaties - hun geest aansluiten op een centrale computer om een ​​vloot RHexes in het veld te besturen. Geleid door hersenimpulsen zouden de robots zoek- en reddingsmissies uitvoeren in oorlogsgebieden en rampgebieden, terwijl ze audio, visuele en tactiele feedback naar hun controllers stuurden. Dat is de homerun, zegt Kipke.

Hoewel het waarschijnlijk nog tientallen jaren verwijderd is om dat doel te bereiken, werkt het team van Kipke eraan door signalen te extraheren uit neuronen in de hersengebieden die betrokken zijn bij het plannen en uitvoeren van bewegingen. Met al het lawaai van omringende cellen is het alsof je probeert te luisteren naar specifieke gesprekken in een honkbalstadion. Binnen een jaar zullen de onderzoekers operatief arrays van siliciumelektroden implanteren - elk niet breder dan een haar - in de hersenen van een dier en elke array verbinden met een flexibel circuit met laag vermogen dat eruitziet als een pleister van één vierkante centimeter op de dierenhuid. Het circuit versnelt de algehele verwerking van de signalen en zorgt ervoor dat ze draadloos naar een centrale computer kunnen worden gestuurd. Daar vertaalt maatwerksoftware de signalen in bewegingen van een computercursor, die het dier bekijkt. De volgende stap, zegt Kipke, is het verbinden van de cursor met het draadloze besturingssysteem van RHex, zodat wanneer de cursor naar links beweegt, de robot hetzelfde doet.

Tegen de zomer is het team uit Michigan, samen met fysioloog Dan Moran van de Washington University, van plan om een ​​aap in St. Louis door RHex te laten navigeren door een hindernisbaan in Ann Arbor, MI. De stuursignalen gaan heen en weer via internet en de aap zal een grafische weergave van de positie en bewegingen van de robot op een scherm volgen. Het overkoepelende doel van het huidige project is om te testen of dergelijke interfaces het hersengebruik van zowel neurale commando's als feedback kunnen aangrijpen om steeds meer afgelegen en complexe apparaten te besturen. Binnen vijf jaar weten we of we dit kunnen, zegt Kipke.

Perceptie oppompen

Terwijl Nicolelis en Kipke het vermogen van de hersenen vergroten om externe apparaten te besturen, proberen anderen in het DARPA-initiatief de innerlijke werking van de hersenen te manipuleren, met name degenen die beelden en geluiden verzenden, ontvangen en verwerken. Door gebruik te maken van de visuele en auditieve gebieden van de geest, testen onderzoekers of dergelijke informatie tussen hersenen en computers kan worden overgedragen om de waarneming en communicatie te verbeteren. Indien succesvol, kunnen de projecten leiden tot verbazingwekkende nieuwe interfaces die het vermogen van mensen om gezichten, objecten en spraak te herkennen en om beslissingen te nemen, verbeteren. Ze kunnen zelfs draadloze communicatie tussen hersenen mogelijk maken, zegt Rudolph van DARPA.

Voordat ze dergelijke systemen kunnen bedenken, moeten onderzoekers leren hoe ze informatie uit de hersenen kunnen lezen en schrijven, zegt Tomaso Poggio, een expert op het gebied van kunstmatige intelligentie aan het MIT. Poggio en MIT-neurofysioloog James DiCarlo, beide hoofdonderzoekers in het DARPA-programma, werken met visuele waarneming en objectherkenning bij resusapen. De onderzoekers zullen objecten als abstracte vormen, auto's en dieren op een computerscherm presenteren. Een mogelijk experiment is gebaseerd op eerdere samenwerkingen met MIT-neurowetenschapper Earl Miller: de onderzoekers zouden een aap kunnen trainen om te beslissen of een computergegenereerd dier op een scherm meer op een kat of een hond lijkt ( zie Mind Readout, zijbalk ). Software zou de lijn vervagen en bijvoorbeeld een beeld creëren dat voor 60 procent uit kat en 40 procent uit hond bestaat. Terwijl de aap zijn beslissing neemt, zouden de onderzoekers geïmplanteerde elektroden gebruiken om signalen van neuronen in de visuele cortex op te nemen: sommige van deze cellen vuren wanneer de aap een kat ziet, andere wanneer hij een hond ziet.

Silicium Cognitie

Terug aan de Universiteit van Zuid-Californië verlegt het team van Berger de verste grens van hersen-machine-interfaces. Zodra ze de signaalpatronen van verschillende hersengebieden in kaart hebben gebracht, zijn de onderzoekers van plan om de manieren te manipuleren waarop de hersenen informatie verwerken en met zichzelf communiceren - kortom, hoe de hersenen denkt . Dit werk zou ooit kunnen leiden tot neurale prothesen die cognitieve processen als geheugen herstellen en zelfs verbeteren. Stelt u zich eens voor dat u naar de dokter gaat om herinneringen op te halen die al lang vervaagd zijn of om hardware te kopen waarmee u de namen van mensen beter kunt onthouden.

Het team van Berger zet een kleine stap in de richting van die visie door een computerchip te ontwikkelen die de signaalverwerking van de hippocampus nabootst, een spiraalvormig deel van de hersenen dat een belangrijke rol speelt bij het leren en het vormen van herinneringen. Gelukkig is de informatiestroom in de hippocampus van ratten rechttoe rechtaan, zegt Berger, en ziet het circuit er hetzelfde uit, hoewel ingewikkelder, in de menselijke hippocampus.

Wat dingen uitdagend maakt, is dat - althans in Berger's visie - het geheugen in de hersenen wordt weergegeven in de dynamische vuurpatronen van neuronen, niet in een vaste opstelling van bits zoals dat van het geheugen van een computer. Als een deel van de hersenen op RAM lijkt, hebben we het nog niet gevonden, zegt Berger. En neuronen zijn inherent lastig. Om er een te laten vuren, is timing alles: het kan een combinatie van impulsen van omringende neuronen of herhaalde invoer van één boodschapper vergen, precies op die tijd.

Om deze dynamiek vast te leggen, heeft het team van Berger wiskundige modellen van de individuele neuronen in kwestie ontwikkeld en is begonnen met het implementeren van de modellen in hardware. Als neuron A een bepaald patroon van impulsen naar neuron B stuurt, zegt de biomedisch ingenieur Vasilis Marmarelis van de University of Southern California, vertelt het model je welk patroon neuron B naar neuron C zal sturen. Het is niet sexy, zegt hij, maar het is de eerste stap van een zeer lange reis. Van daaruit zullen de onderzoekers duizenden neuronmodellen op een low-power siliciumchip plaatsen.

Later dit jaar, zegt Berger, zal het proof-of-principle-experiment als volgt verlopen: in een plak van de hippocampus van een rat zullen de wetenschappers aantonen dat elektrische signalen uit regio A worden verwerkt door regio B en naar regio C worden gestuurd. zal dan neuronen uit regio B verwijderen en laten zien dat de output van regio C verstoord is. Ten slotte zullen ze de signalen omleiden via een prototype-chip in plaats van regio B om te zien of dat het circuit voltooit en hetzelfde algemene signaalpatroon produceert als de gezonde plak.

Afbeelding met dank aan John MacNeil

Als dit lukt, is de volgende stap het testen van de chip bij een dier. Binnen drie jaar is de groep van Berger van plan om de interface over te dragen aan een team onder leiding van fysioloog Sam Deadwyler van de Wake Forest University. Deadwyler traint apen om clipart-afbeeldingen te onthouden die op een scherm zijn geflitst en om de afbeeldingen uit een volgende line-up te kiezen. Tegelijkertijd registreert hij signalen van de hippocampus waarmee hij kan identificeren welke neuronen belangrijk zijn voor de taak - en zelfs om te voorspellen of de aap de juiste keuze zal maken. Wanneer de interface van Berger klaar is, zegt Deadwyler, zullen de onderzoekers de hippocampus tijdelijk inactiveren, zodat de primaat de taak niet langer kan uitvoeren; dan zullen ze de chip in het getroffen gebied pluggen om te zien of de interface de prestaties van de aap kan herstellen.

Uiteindelijk zijn Berger en Deadwyler van plan om te bepalen of de chip het geheugen kan vergroten: ze implanteren de chip in een dier waarvan de hippocampus intact is. Met de chip kan de aap een foto misschien voor een langere tijd onthouden of uit een grotere reeks afleidingen halen. In de toekomst, zegt Deadwyler, is het misschien mogelijk om de hersenen van een persoon te verbinden met hardware die ervoor zorgt dat herinneringen langer meegaan of die het mogelijk maakt om steeds grotere hoeveelheden informatie bij te houden, zoals wanneer je door een druk vliegveld rent en moet onthoud een telefoonnummer voor een paar seconden. Maar verwacht dit niet snel te zien. We zijn nog ver verwijderd van verbetering op papier en potlood, zegt Heetderks van de NIH.

Om te beginnen wordt de groep van Berger geconfronteerd met de scepsis van sommige wetenschappers die de fundamentele premisse niet geloven dat het geheugen uitsluitend bestaat uit dynamische patronen van neuronactiviteit. En het staat voor veel van de praktische uitdagingen waarmee andere onderzoeksteams voor neurale prothesen worstelen. Voorlopig weet niemand precies welke neuronen - of hoeveel - moeten worden afgetapt om bruikbare apparaten te krijgen. Afhankelijk van de toepassing moeten de onderzoekers mogelijk in één keer toegang krijgen tot duizenden hersencellen. En er zijn rekenkundige hindernissen die ze moeten overwinnen voordat de interfaces massaal parallelle stromen van neurale gegevens in realtime kunnen verwerken.

Maar misschien ligt de grootste technische uitdaging in het fysiek verbinden van stijve hardware met delicate hersencellen en het onderhouden van die verbindingen voor maanden of zelfs jaren achter elkaar, zegt John Chapin, een fysioloog aan de State University of New York Downstate Medical Center, die hielp bij het pionieren van methoden voor toegang tot hersensignalen in het midden van de jaren negentig. Omdat neuronen voortdurend van positie veranderen en hun verbindingen veranderen, moet de interface flexibel, biocompatibel en aanpasbaar zijn aan veranderingen in de signalen die het ontvangt. Met dit in gedachten dringt Rudolph van DARPA aan op het promoten van een gestandaardiseerd elektrodeplatform in het hele initiatief, zodat elk team het wiel niet opnieuw uitvindt. Maar dit is makkelijker gezegd dan gedaan. Wetenschappers gebruiken liever elkaars tandenborstel dan elkaars elektroden, zegt Koch van Caltech.

Zelfs als de interfacetechnologieën werken, kunnen ze nog een lange weg afleggen naar acceptatie. Verlamde patiënten die graag verbeterde fysieke vermogens willen, zijn misschien bereid om de risico's van een operatie te accepteren en te leven met hardware die in hun hersenen is geïmplanteerd, maar de meeste gezonde mensen zouden waarschijnlijk tegen dit voorstel ingaan. Sterker nog, zegt Rudolph, we stellen ons echt niet voor om gezonde mensen met dit soort apparaten te implanteren. De sleutel tot het kunnen herstellen of vergroten van menselijke capaciteiten, zegt hij, is het verkrijgen van toegang tot de hersensignalen op een onopvallende manier, idealiter zonder draden, elektroden of operaties.

Voordat DARPA - of wie dan ook - zal investeren in die volgende generatie hersensignaaldetectietechnologie, moeten onderzoekers bepalen of neurale prothesen praktisch zullen zijn in hun nieuwe toepassingen. Als dat lukt, zegt Rudolph, zullen we het belangrijke werk hebben gezaaid om aan te tonen dat dit kan worden gedaan en - als er een niet-invasief hulpmiddel kan worden gevonden om dezelfde soorten informatie te extraheren - dat menselijke prestatieverbetering kan worden voorgesteld. En hoewel deze visie nog jaren verwijderd is, is onze geest misschien al op weg naar een nieuwe manier van denken.

Ander hersen-machine-onderzoek
ONDERZOEKER	INSTELLING	PROJECT
Richard Andersen	Caltech	Elektrodesystemen voor het opnemen van hersenimpulsen
Niels Birbaumer	Universiteit van Tbingen (Duitsland)	Niet-invasieve hersensignaaldetectoren
John Donoghue	Brown University en cyberkinetiek (Providence, RI)	Neurale prothesen die verlamde patiënten controle geven over computers
Philip Kennedy	Neurale signalen (Atlanta, GA)	Eerste menselijke tests van hersenimplantaten voor het herstellen van communicatie bij volledig verlamde patiënten
Andrew Schwartz	Universiteit van Pittsburgh	Neurale prothesen die robotarmen aansturen
Harvey Wiggins	Plexon (Dallas, Texas)	Hardware en software voor het opnemen en analyseren van hersensignalen

zich verstoppen