Deel een: The Human Colossus
Deel twee: The Brain
Deel drie: vliegen over het nest van neuronen
Deel vier: neurocomputerinterfaces
Deel vijf: het Neuaralink-probleem
Deel zes: Age of Wizards 1
Deel zes: Age of Wizards 2
Deel zeven: The Great Fusion
Promotie video:
In 1969 verbond een wetenschapper genaamd Eberhard Fetz een neuron in het brein van een aap met een wijzerplaat voor zijn gezicht. De pijlen moesten bewegen toen het neuron schoot. Toen de aap dacht dat het neuron geactiveerd was en de pijlen verschoven, kreeg ze een snoepje met bananensmaak. Na verloop van tijd begon de aap zich te verbeteren in dit spel, omdat hij meer heerlijke snoepjes wilde. De aap leerde een apart neuron te activeren en werd het eerste personage dat een neurocomputerinterface ontving.
In de daaropvolgende decennia verliep de vooruitgang nogal traag, maar halverwege de jaren negentig begon de situatie te veranderen en sindsdien is alles in een stroomversnelling gekomen.
Aangezien ons begrip van de hersenen en elektrodeapparatuur nogal primitief is, zijn onze inspanningen meestal gericht op het creëren van eenvoudige interfaces die zullen worden gebruikt in de gebieden van de hersenen die we het beste begrijpen, zoals de motorische cortex en de visuele cortex.
En aangezien menselijke experimenten alleen mogelijk zijn voor mensen die NCI proberen te gebruiken om hun lijden te verlichten - en omdat de marktvraag hierop gericht is - zijn onze inspanningen bijna volledig gewijd aan het herstellen van verloren functies voor mensen met een handicap.
De grootste ICT-industrieën van de toekomst, die mensen magische superkrachten zullen geven en de wereld zullen transformeren, bevinden zich nu in een staat van embryonale toestand - en we moeten ons door hen laten leiden, evenals onze gissingen, nadenken over wat de wereld zou kunnen zijn in 2040, 2060 of 2100.
Laten we ze doornemen.
Dit is een computer gemaakt door Alan Turing in 1950. Het heet Pilot ACE. Een meesterwerk van zijn tijd.
Kijk nu eens naar dit:
Terwijl u de onderstaande voorbeelden leest, wil ik dat u deze analogie voor uw ogen houdt -
Pilot ACE is hetzelfde voor iPhone 7
dan
elk voorbeeld hieronder is voor _
- en probeer je voor te stellen wat een streepje op zijn plaats zou moeten zijn. We komen er later op terug.
In ieder geval, van alles wat ik heb gelezen en besproken met mensen in het veld, zijn er momenteel drie hoofdcategorieën van neurocomputerinterfaces in ontwikkeling:
Eerste NCI type # 1: de motorische cortex als afstandsbediening gebruiken
Voor het geval je het vergeten bent, de motorische cortex is deze man:
Veel hersengebieden zijn voor ons onbegrijpelijk, maar de motorische cortex is voor ons minder onbegrijpelijk dan andere. En wat nog belangrijker is, het is goed in kaart gebracht, de afzonderlijke onderdelen besturen individuele delen van het lichaam.
Belangrijk is dat dit een van de grote hersenregio's is die verantwoordelijk is voor ons werk. Wanneer een persoon iets doet, trekt de motorische cortex vrijwel zeker aan de touwtjes (althans de fysieke kant van de actie). Het menselijk brein hoeft dus niet te leren de motorische cortex als afstandsbediening te gebruiken, omdat de hersenen het al als zodanig gebruiken.
Steek je hand omhoog. Leg het nu neer. Zien? Je hand is als een kleine speelgoed-drone, en je brein gebruikt de motorische cortex gewoon als afstandsbediening om de drone uit en terug te halen.
Het doel van een NCI op basis van de motorische cortex is om er verbinding mee te maken, en wanneer de afstandsbediening een commando activeert, hoor je dat commando en stuur je het naar een apparaat dat erop kan reageren. Bijvoorbeeld bij de hand. Een bundel zenuwen is de tussenpersoon tussen je cortex en je hand. NCI is een tussenpersoon tussen uw motorische cortex en uw computer. Het is makkelijk.
Met een van deze soorten interfaces kan een persoon - meestal een persoon die verlamd is vanaf de nek of met een geamputeerde ledemaat - de cursor met zijn of haar hoofd op het scherm verplaatsen.
Het begint allemaal met een 100-pins matrix met meerdere elektroden die wordt geïmplanteerd in de menselijke motorische cortex. De motorische cortex bij een verlamde persoon werkt prima - alleen het ruggenmerg, dat als tussenpersoon tussen de cortex en het lichaam diende, werkte niet meer. Met de geïmplanteerde elektrode-array lieten de onderzoekers de persoon dus hun arm in verschillende richtingen bewegen. Zelfs als hij het niet kan, functioneert de motorische cortex normaal, alsof hij het zou kunnen.
Wanneer iemand zijn arm beweegt, explodeert zijn motorische cortex van activiteit - maar elk neuron is meestal alleen geïnteresseerd in één type beweging. Daarom kan een neuron vuren wanneer een persoon zijn hand naar rechts beweegt, maar zal hij zich vervelen als hij in andere richtingen beweegt. Dan kon slechts één van deze neuronen bepalen wanneer een persoon zijn hand naar rechts wil bewegen en wanneer niet. Maar met een elektrode-array van 100 elektroden, luistert elk naar een afzonderlijk neuron. Daarom registreren 38 van de 100 neuronen tijdens tests, wanneer iemand wordt gevraagd zijn hand naar rechts te bewegen, de activiteit van neuronen. Wanneer een persoon zijn hand naar links wil bewegen, worden 41 anderen geactiveerd. Tijdens het oefenen van bewegingen in verschillende richtingen en met verschillende snelheden,de computer ontvangt gegevens van de elektroden en synthetiseert deze tot een algemeen begrip van het patroon van neuronale activering, overeenkomstig de intenties om langs de XY-assen te bewegen.
Wanneer ze deze gegevens vervolgens op een computerscherm weergeven, kan een persoon, door de kracht van het denken, "proberen" de cursor te verplaatsen, de cursor daadwerkelijk besturen. En het werkt. BrainGate stelde de jongen in staat een videogame te spelen met alleen de kracht van het denken, met behulp van NCI's die zijn gekoppeld aan de motorische cortex.
En als 100 neuronen je kunnen vertellen waar ze de cursor willen verplaatsen, waarom kunnen ze je dan niet vertellen wanneer ze hun koffie willen pakken en een slokje willen nemen? Dit is wat deze verlamde vrouw deed:
Een andere verlamde vrouw slaagde erin om in een F-35-jagersimulator te vliegen, en een aap reed onlangs in een rolstoel met zijn hersenen.
En waarom zou u zich beperken tot slechts handen? De Braziliaanse NKI-pionier Miguel Nicolelis en zijn team bouwden een volledig exoskelet waardoor een verlamd persoon de openingsschop kon nemen op het WK.
Deze ontwikkelingen bevatten de kiem van andere toekomstige revolutionaire technologieën, zoals brein-naar-brein interfaces.
Nicolelis voerde een experiment uit waarbij de motorische cortex van een rat in Brazilië, die op een van de twee hendels in een kooi drukte - waarvan de rat wist dat hij er één leuk zou vinden - via internet werd verbonden met de motorische cortex van een andere rat in de Verenigde Staten. Een rat in de Verenigde Staten zat in een soortgelijke kooi, behalve dat ze, in tegenstelling tot een rat in Brazilië, geen informatie had over welke van haar twee hendels haar zou plezieren - behalve de signalen die ze van de Braziliaanse rat ontving. Als de Amerikaanse rat in de loop van het experiment de juiste hendel koos, dezelfde die door de rat in Brazilië werd getrokken, kregen beide ratten een beloning. Als ze de verkeerde hadden getrokken, begrepen ze die niet. Interessant genoeg werden de ratten na verloop van tijd steeds beter, werkten ze samen als één zenuwstelsel - hoewel ze geen idee hadden van het bestaan van elkaar. Het succes van de Amerikaanse rat zonder informatie was 50%. Met signalen uit de hersenen van de Braziliaanse rat steeg het slagingspercentage tot 64%. Hier is een video.
Gedeeltelijk werkte het ook bij mensen. Twee mensen in verschillende gebouwen werkten samen tijdens het spelen van een videogame. De een zag het spel, de ander hield een controller vast. Met behulp van eenvoudige EEG-headsets kon de speler die het spel zag, zonder zijn armen te bewegen, denken aan het bewegen van zijn hand om de controller te 'schieten' - en omdat hun hersenen met elkaar communiceerden, voelde de speler met de controller het signaal in zijn vinger en drukte op de knop.
Eerste NCI type # 2: kunstmatige oren en ogen
Er zijn verschillende redenen waarom blinden zien en doven horen tot de meest toegankelijke categorieën neurocomputerinterfaces behoren.
Ten eerste zijn de sensorische cortex, net als de motorische cortex, delen van de hersenen die we redelijk goed begrijpen, deels omdat ze de neiging hebben om goed in kaart te brengen.
Ten tweede hoefden we bij veel van de vroege benaderingen niet met de hersenen om te gaan - we konden interactie hebben met de plaatsen waar de oren en ogen verbinding maken met de hersenen, omdat hier de stoornissen het meest voorkwamen.
En hoewel de activiteit van de motorische cortex van de hersenen voornamelijk ging over het lezen van neuronen om informatie uit de hersenen te halen, werken kunstmatige zintuigen anders - door neuronen te stimuleren om informatie naar binnen te sturen.
In de afgelopen decennia hebben we een ongelooflijke ontwikkeling van cochleaire implantaten gezien.
Een cochleair implantaat is een kleine computer met een microfoon aan het ene uiteinde (die op uw oor zit) en een draad aan het andere uiteinde die wordt aangesloten op een reeks elektroden die het slakkenhuis bekleden.
Het geluid komt de microfoon binnen (het kleine haakje aan de bovenkant van het oor) en gaat in het bruine ding, dat het geluid verwerkt om minder bruikbare frequenties eruit te filteren. Het bruine ding stuurt de informatie vervolgens via de huid, via elektrische inductie, naar een ander onderdeel van de computer, die de informatie omzet in elektrische impulsen en deze naar het slakkenhuis stuurt. De elektroden filteren impulsen in frequentie als een slakkenhuis en stimuleren de gehoorzenuw zoals de haren in een slakkenhuis. Zo ziet het er van buitenaf uit:
Met andere woorden, het kunstoor heeft dezelfde functie: het omzetten van geluid in impulsen en het doorgeven aan de gehoorzenuw als het normale oor.
Maar dit is niet ideaal. Waarom? Want om geluid met dezelfde kwaliteit als een normaal oor naar de hersenen te sturen, heb je 3500 elektroden nodig. De meeste cochleaire implantaten bevatten er slechts 16. Ruw.
Maar we zijn in het tijdperk van Pilot ACE - natuurlijk onbeschoft.
Niettemin kunnen mensen met het huidige cochleaire implantaat spraak horen en spreken, wat al goed is.
Veel ouders van dove kinderen krijgen cochleaire implantaten als ze een jaar oud zijn.
In de wereld van blindheid vindt een vergelijkbare revolutie plaats in de vorm van een retinale implantaat.
Blindheid is vaak het gevolg van een netvliesaandoening. In dit geval kan het implantaat een vergelijkbare functie vervullen voor het gezichtsvermogen als een cochleair implantaat voor het gehoor (maar niet zo direct). Het doet hetzelfde als het normale oog: het zendt informatie naar de zenuwen in de vorm van elektrische impulsen, net als de ogen.
Een complexere interface dan een cochleair implantaat, het eerste retinale implantaat werd in 2011 goedgekeurd door de FDA - het Argus II-implantaat gemaakt door Second Sight. Het netvliesimplantaat ziet er als volgt uit:
En het werkt als volgt:
Het netvliesimplantaat heeft 60 sensoren. Er zijn ongeveer een miljoen neuronen in het netvlies. Ruw. Maar wazige randen, vormen, spel van licht en donker zien is veel beter dan helemaal niets te zien. Wat vooral interessant is, is dat een miljoen sensoren helemaal niet nodig zijn om een goed zicht te krijgen - modellering heeft gesuggereerd dat 600-1000 elektroden voldoende zullen zijn voor gezichtsherkenning en lezen.
Eerste NCI type # 3: diepe hersenstimulatie
Sinds het einde van de jaren tachtig is diepe hersenstimulatie een ander ruw hulpmiddel geworden dat voor veel mensen nog steeds levensveranderend is.
Dit is ook een categorie van NCI's die geen verband houden met de buitenwereld - dit is het gebruik van neurocomputerinterfaces om zichzelf te genezen of te verbeteren door iets van binnen te veranderen.
Wat hier gebeurt, zijn een of twee elektrodedraden, meestal met vier afzonderlijke elektrodeplaatsen, die de hersenen binnenkomen en vaak ergens in het limbisch systeem terechtkomen. Een kleine pacemaker wordt vervolgens in de borstkas geïmplanteerd en op de elektroden aangesloten. Zoals dit:
Dan kunnen de elektroden indien nodig een kleine lading afgeven, wat handig is voor veel belangrijke dingen. Bijvoorbeeld:
- vermindering van tremor bij mensen met de ziekte van Parkinson
- het verminderen van de ernst van aanvallen
- vermindering van obsessief-compulsieve stoornis
Door middel van experimenten (dat wil zeggen, tot dusver zonder goedkeuring van de FDA), zijn wetenschappers in staat geweest om bepaalde soorten chronische pijn te verlichten, zoals migraine of fantoompijn in de ledematen, angst of depressie bij PTSD te genezen, of, in combinatie met spierstimulatie, bepaalde verstoorde hersenpatronen te herstellen die zijn afgebroken na beroerte of neurologische ziekte.
* * *
Dit is de toestand van het nog onderontwikkelde gebied van de NCI. En op dit moment komt Elon Musk erin. Voor hem en voor Neuralink is de moderne NCI-industrie punt A. Terwijl we het verleden in deze artikelen hebben bestudeerd om tot het huidige moment te komen. Nu is het tijd om in de toekomst te kijken - om erachter te komen wat punt B is en hoe we er kunnen komen.
ILYA KHEL
Deel een: The Human Colossus
Deel twee: The Brain
Deel drie: vliegen over het nest van neuronen
Deel vier: neurocomputerinterfaces
Deel vijf: het Neuaralink-probleem
Deel zes: Age of Wizards 1
Deel zes: Age of Wizards 2
Deel zeven: The Great Fusion
