211service.com
Overheid zoekt high-fidelity hersen-computerinterface
Konrad Kording heeft de toekomst van de neurowetenschap gezien en hij vindt het deprimerend.
Een paar jaar geleden besloot Kording, een datawetenschapper aan de Northwestern University met interesse in neurowetenschappen, te onderzoeken hoeveel neuronen wetenschappers ooit tegelijkertijd hadden geregistreerd in de hersenen van een levend dier. Het opnemen van het elektrische gebabbel van neuronen is iets waar we veel meer aan zullen moeten doen als we het bewustzijn willen begrijpen of manieren willen ontwikkelen om de beweging van verlamde personen te herstellen.
Het resultaat was een 2011 Natuur Neurowetenschap artikel waarin de wet van Stevenson wordt beschreven - zo genoemd naar afgestudeerde student en eerste auteur Ian Stevenson. Net als de wet van Moore, die elke twee jaar een verdubbeling van de rekenkracht voorspelt, documenteerde de wet van Stevenson ook een exponentiële groei in het aantal neuronen waarvan wetenschappers in een keer hebben kunnen vastleggen. Maar terwijl iedereen blij en onder de indruk is van de wet van Moore, zegt Kording dat iedereen in de neurowetenschappen de wet van Stevenson wil zien sterven.
Een microscopisch beeld van calciumsensoren (groen), de kernen van neuronen (rood) en ondersteunende cellen die astrocyten worden genoemd.
De reden is dat ieder van ons ongeveer 80 miljard neuronen in onze hersenen heeft. Maar wat de gegevens lieten zien, is dat vanaf de jaren 1920, toen wetenschappers voor het eerst luisterden naar de elektrische pieken van een enkel neuron, ze het aantal slechts om de zeven jaar verdubbelden, tot ongeveer 500 tegelijk. In dit tempo, zegt Kording, zijn we allemaal dood voordat we zelfs maar een deel van een muizenbrein kunnen opnemen. Dat is niet tof.
Deze week gaan tientallen neurowetenschappers naar Arlington, Virginia, om te bespreken hoe ze de wet van Stevenson kunnen overtreden. De loting is een symposium waarin de vereisten worden uiteengezet voor een nieuw programma van het ministerie van Defensie, Neural Engineering System Design genaamd, dat $ 60 miljoen zal uitdelen als onderdeel van het BRAIN-initiatief van president Obama. Het doel: technologieën ontwikkelen die in slechts vier jaar tijd een miljoen neuronen tegelijk kunnen registreren.
Maar dat is nog maar een begin. DARPA, de instantie die het programma beheert, wil ook een apparaat dat minstens 100.000 neuronen in de hersenen kan stimuleren. Het moet draadloos zijn en alle elektronica moet in een pakket passen dat niet veel groter is dan een nikkel. Ten slotte wordt van onderzoekers verwacht dat ze voldoen aan de veiligheidsvereisten die nodig zijn om studies op mensen uit te voeren, iets waarvoor een vrijstelling van onderzoeksapparatuur van de Amerikaanse Food and Drug Administration vereist is.
Michael Roukes, hoogleraar natuurkunde en bio-engineering aan Caltech, noemt het tijdsbestek extreem agressief. De neiging van het bureau om ambitieuze doelen te stellen die niet altijd worden gehaald, staat bekend als DARPA-gek.
Maar ik begrijp het model, zegt hij. Laten we een maanopname maken, toch?
Het doel van het project verbaast Roukes niet. Het verklaarde doel van het BRAIN-initiatief (zie Why Obama's Brain-Mapping Project Matters ) is om manieren te ontwikkelen om te lezen - en te schrijven naar - de grootschalige ensembles van hersencellen die de circuits van de hersenen vormen en samenwerken om ons te laten waarnemen en reageren op de wereld. Om dit te doen, is het duidelijk dat de hardware van de neurowetenschap een grote upgrade nodig heeft.
Het belangrijkste is de technologie te ontwikkelen om een compleet neuraal circuit te nemen - laten we zeggen de hersenen van een klein dier of een stukje cortex van een muis of een mens, en van elk neuron daar opnemen, zegt Rafael Yuste, een neurowetenschapper aan de Columbia University. Yuste zegt dat de meeste wetenschappers nog steeds opnames gebruiken waarin mensen in deze elektroden steken en de activiteit van één neuron in een dier of één patiënt registreren. Stel je voor dat je een orkest probeert te analyseren [door te luisteren naar] wat een enkel instrument speelt.
De huidige registratiegegevens zijn in handen van teams die hersen-machine-interfaces proberen te ontwikkelen voor verlamde mensen, een technologie die ook DARPA interesseert. Teams van onder meer Brown University en de University of Pittsburgh zijn erin geslaagd om arrays van scherpe siliciumnaalden te gebruiken om 200 tot 300 neuronen tegelijk in de hersenen van vrijwilligers vast te leggen. Dat is genoeg om grofweg te lezen aan welke arm- en handbewegingen een persoon denkt, en het signaal te gebruiken om een robotarm te bewegen (zie Het gedachte-experiment) of een rolstoel te besturen.
Je ziet tegenwoordig robotarmen worden verplaatst, zegt Jonathan Wolpaw, een expert op het gebied van hersen-computerinterfaces in het Wadsworth Center van het New York Department of Health. Maar ze zijn niet iets dat bijna klaar is om uit het laboratorium te worden gehaald. Er is geen BCI die u nu zou willen gebruiken om een rolstoel op de rand van een klif te besturen of om in druk verkeer te rijden.
Een van de redenen waarom neurowetenschappers er zeker van zijn dat grotere groepen neuronen antwoorden bevatten, is dat de gemiddelde neuron hooguit een paar keer per seconde piekt. Toch is beweging afhankelijk van aanpassingen die plaatsvinden op een tijdschaal die minstens 10 keer sneller is. Dat betekent dat een enkel neuron onmogelijk de informatie kan bevatten die nodig is om de fijne kneepjes van een dansbeweging of pianospelen te coderen. Beweging is verdeeld over vele miljoenen neuronen over meerdere hersengebieden, zegt Kording. We hebben naar mijn schatting minstens 1.000 keer meer neuronen nodig voor een geweldig prothetisch apparaat.
Een strategie om daar te komen, is door de grootte van elektroden te verkleinen, zodat bio-ingenieurs er meer tegelijk in de hersenen kunnen proppen. Die benadering wordt gevolgd aan de Duke University, zegt Mikhail A. Lebedev, een senior onderzoeker in een groep die momenteel verschillende neurale registratierecords bij apen claimt, die ongeveer 500 neuronen per keer leest, wat het gelukt is door nauwgezet bundels dunne elektroden in te brengen in het brein van een aap.
Anderen vinden dat er compleet nieuwe benaderingen nodig zijn. Aan de University of California, Berkeley, onderzoeken onderzoekers neuraal stof dat bestaat uit microscopische vrij zwevende sensoren die zich over de hersenen zouden kunnen verspreiden. Ook optische technieken zijn veelbelovend. In 2013 toonde Misha Ahrens, een neurowetenschapper aan de Janelia Farms-campus van het Howard Hughes Medical Institute, aan dat hij 100.000 neuronen kon opnemen - vrijwel het hele brein van een zebravis - door ze genetisch te modificeren om te gloeien nadat ze zijn afgevuurd. Ahrens zegt dat het kijken naar zoveel neuronen tegelijk al voor verrassingen zorgt. Je kunt gebieden vinden die relevant zijn voor gedrag waar je anders niet zou kijken, zegt hij.
De prestatie van Ahrens telt niet mee voor het doel van DARPA, of voor het kraken van de wet van Stevenson, omdat zijn methode de elektrische pieken van de neuronen niet precies opvangt wanneer ze zich voordoen. Dat komt omdat de gloeiende moleculen worden veroorzaakt door veranderingen in calciumconcentraties die pas in een cel optreden nadat deze is ontstoken. Roukes, de wetenschapper van Caltech, zegt dat onderzoekers al bezig zijn met de ontwikkeling van fluorescerende moleculen die direct reageren op spanningsveranderingen.
Een ander probleem is dat, in tegenstelling tot een zebravis, die in wezen doorschijnend is, het menselijk brein een melkachtige consistentie heeft waar je moeilijk doorheen kunt kijken. Om daarmee om te gaan, zegt Roukes, is het misschien mogelijk om ultrasmalle siliciumschachten door de hersenen te schuiven. Deze zouden de hardware bevatten die nodig is om zowel licht uit te stralen als het te detecteren van nabijgelegen cellen, waardoor het probleem van de ondoorzichtigheid van de hersenen wordt omzeild. Als er genoeg van deze pilaren werden gebruikt, zou het hele brein verlicht kunnen worden, berekent Roukes.
Hoewel optische technieken veelbelovend zijn, zou de FDA terughoudend kunnen zijn om wetenschappers de hersenen van vrijwilligers genetisch te laten wijzigen zodat ze gloeien. Roukes zegt dat als resultaat, hij en zijn medewerkers van plan zijn om DARPA te presenteren met een meer conventioneel voorstel dat nog steeds vertrouwt op meer conventionele elektroden.
DARPA heeft redenen om erop aan te dringen dat elk opnameschema bij mensen wordt uitgeprobeerd. Het bureau hoopt dat het doel belangstelling zal wekken van bedrijven in medische apparatuur en van fabrikanten van halfgeleiders en optische instrumenten. Zonder betrokkenheid van de industrie is er weinig kans om de interfaces tussen hersenen en machines zo snel te verbeteren als computers.
Door te proberen dit in de mens te duwen, kunnen ze misschien een aantal technologische elementen krijgen die niet in de dierproeven zijn gebruikt, omdat er niet zo'n economische motor voor is geweest, zegt Adam Marblestone, een neurowetenschapper aan het MIT . Hij hoopt echt serieuze techniek te zien die in academische experimenten ontbrak.