Akkurat som gamle grekere fantaserte om stigende flyging, drømmer dagens forestillinger om å smelte sinn og maskiner som et middel mot det irriterende problemet med menneskelig dødelighet. Kan sinnet koble seg direkte til kunstig intelligens, roboter og andre sinn gjennom hjernecomputer-teknologi (BCI) -teknologier for å overskride våre menneskelige begrensninger?
Relatert innhold
- Hvordan Amerikas første tilsettingsmaskin er koblet til 'Naked Lunch'
I løpet av de siste 50 årene har forskere ved universitetslaboratorier og selskaper over hele verden gjort imponerende fremskritt for å oppnå en slik visjon. Nylig har vellykkede gründere som Elon Musk (Neuralink) og Bryan Johnson (Kernel) kunngjort nye startups som søker å forbedre menneskelige evner gjennom hjern-datamaskin-grensesnitt.
Hvor nær er vi egentlig for å lykkes med å koble hjernen vår til teknologiene våre? Og hva kan implikasjonene ha når hodene våre er koblet til?
Opprinnelse: Rehabilitering og restaurering
Eb Fetz, en forsker her ved Center for Sensorimotor Neural Engineering (CSNE), er en av de tidligste pionerene som koblet maskiner til sinn. I 1969, før det til og med var datamaskiner, viste han at apekatter kan forsterke hjernesignalene for å kontrollere en nål som beveget seg på en skive.
Mye av det nylige arbeidet med BCI-er har som mål å forbedre livskvaliteten til mennesker som er lam eller har alvorlige motoriske funksjonshemninger. Du har kanskje sett noen siste bragder i nyhetene: Forskere fra University of Pittsburgh bruker signaler registrert inne i hjernen for å kontrollere en robotarm. Stanford-forskere kan hente ut bevegelsesintensjonen til lammede pasienter fra hjernesignalene, slik at de kan bruke en tablett trådløst.
På samme måte kan noen begrensede virtuelle sensasjoner sendes tilbake til hjernen ved å levere elektrisk strøm inne i hjernen eller til hjerneoverflaten.
Hva med de viktigste sansene for syn og lyd? Veldig tidlige versjoner av bioniske øyne for mennesker med alvorlig nedsatt syn er blitt distribuert kommersielt, og forbedrede versjoner gjennomgår menneskelige studier akkurat nå. Cochlea-implantater derimot har blitt et av de mest vellykkede og mest utbredte bioniske implantatene - over 300.000 brukere over hele verden bruker implantatene for å høre.
Et toveis hjerne-datamaskin-grensesnitt (BBCI) kan både registrere signaler fra hjernen og sende informasjon tilbake til hjernen gjennom stimulering. (Center for Sensorimotor Neural Engineering (CSNE), CC BY-ND) De mest sofistikerte BCI-ene er “toveis” -BCI-er (BBCI-er), som både kan registrere fra og stimulere nervesystemet. I senteret utforsker vi BBCI-er som et radikalt nytt rehabiliteringsverktøy for hjerneslag og ryggmargsskade. Vi har vist at en BBCI kan brukes til å styrke forbindelsene mellom to hjerneområder eller mellom hjernen og ryggmargen, og omdirigere informasjon rundt et skadeområde for å gjenvinne en lammet lem.
Med alle disse suksessene hittil, kan du tro at et hjernecomputer-grensesnitt er klar til å være den neste må-ha forbrukerapparatet.
Fortsatt tidlige dager
Et elektrokortikografisk nett, som brukes til å oppdage elektriske forandringer på overflaten av hjernen, blir testet for elektriske egenskaper. (Center for Sensorimotor Neural Engineering, CC BY-ND) Men et nøye blikk på noen av de nåværende BCI-demonstrasjonene avslører at vi fremdeles har en vei å gå: Når BCI-er produserer bevegelser, er de mye tregere, mindre presise og mindre sammensatte enn hva ustabile mennesker gjør lett hver dag med lemmene. Bioniske øyne tilbyr veldig lav oppløsningsvisjon; cochleaimplantater kan elektronisk bære begrenset taleinformasjon, men forvrenge opplevelsen av musikk. Og for å få alle disse teknologiene til å fungere, må elektroder implanteres kirurgisk - en mulighet de fleste i dag ikke vil vurdere.
Ikke alle BCI-er er imidlertid inngripende. Ikke-invasive BCI-er som ikke krever kirurgi, eksisterer; de er vanligvis basert på elektriske (EEG) -opptak fra hodebunnen og har blitt brukt til å demonstrere kontroll over markører, rullestoler, robotarmer, droner, humanoide roboter og til og med hjerne-til-hjerne-kommunikasjon.
Men alle disse demonstrasjonene har vært på laboratoriet - der rommene er stille, testpersonene ikke blir distrahert, det tekniske oppsettet er langt og metodisk, og eksperimenter varer bare lenge nok til å vise at et konsept er mulig. Det har vist seg å være veldig vanskelig å gjøre disse systemene raske og robuste nok til å være til praktisk bruk i den virkelige verden.
Selv med implanterte elektroder oppstår et annet problem med å prøve å lese tankene fra hvordan hjernen vår er strukturert. Vi vet at hvert nevron og deres tusenvis av koblede naboer danner et utenkelig stort og stadig skiftende nettverk. Hva kan dette bety for nevroingeniører?
Se for deg at du prøver å forstå en samtale mellom en stor vennegjeng om et komplisert emne, men du får bare høre på en enkelt person. Du kan kanskje finne ut det veldig røffe temaet det samtalen handler om, men definitivt ikke alle detaljene og nyansene i hele diskusjonen. Fordi selv de beste implantatene bare tillater oss å lytte til noen få små flekker i hjernen om gangen, kan vi gjøre noen imponerende ting, men vi er ikke i nærheten av å forstå hele samtalen.
Det er også det vi tenker på som en språkbarriere. Nevroner kommuniserer med hverandre gjennom et sammensatt samspill av elektriske signaler og kjemiske reaksjoner. Dette innfødte elektrokjemiske språket kan tolkes med elektriske kretsløp, men det er ikke lett. På samme måte når vi snakker tilbake til hjernen ved hjelp av elektrisk stimulering, er det med en tung elektrisk "aksent." Dette gjør det vanskelig for nevroner å forstå hva stimuleringen prøver å formidle midt i all den andre pågående nevrale aktiviteten.
Endelig er det problemet med skader. Hjernevev er mykt og fleksibelt, mens de fleste av våre elektrisk ledende materialer - ledningene som kobles til hjernevev - har en tendens til å være veldig stive. Dette betyr at implantert elektronikk ofte forårsaker arrdannelse og immunreaksjon, noe som betyr at implantatene mister effektiviteten over tid. Fleksible biokompatible fibre og matriser kan til slutt hjelpe i denne forbindelse.
Samtilpassing, samliv
Til tross for alle disse utfordringene, er vi optimistiske om vår bioniske fremtid. BCI-er trenger ikke å være perfekte. Hjernen er utrolig tilpasningsdyktig og i stand til å lære å bruke BCI-er på en måte som ligner på hvordan vi lærer nye ferdigheter som å kjøre bil eller bruke et berøringsskjermgrensesnitt. På samme måte kan hjernen lære å tolke nye typer sensorisk informasjon selv når den blir levert ikke-invasivt ved hjelp av for eksempel magnetiske pulser.
Til syvende og sist tror vi at en “ko-adaptiv” toveis BCI, der elektronikken lærer med hjernen og snakker tilbake til hjernen konstant under læringsprosessen, kan vise seg å være et nødvendig skritt for å bygge den nevrale broen. Å bygge slike ko-adaptive toveis BCI er målet for vårt senter.
Vi er på samme måte begeistret for de nylige suksessene i målrettet behandling av sykdommer som diabetes ved å bruke “elektrokemikalier” - eksperimentelle små implantater som behandler en sykdom uten medisiner ved å kommunisere kommandoer direkte til indre organer.
Og forskere har oppdaget nye måter å overvinne den elektrisk-biokjemiske språkbarrieren. Injiserbar “nevral blonder”, for eksempel, kan vise seg å være en lovende måte å gradvis la neuroner vokse langs implanterte elektroder i stedet for å avvise dem. Fleksible nanowire-baserte sonder, fleksible neuron stillaser og glassaktig karbongrensesnitt kan også tillate biologiske og teknologiske datamaskiner til å glede sameksistere i kroppen vår i fremtiden.
Fra hjelpemiddel til augmentativ
Elon Musks nye oppstart Neuralink har det uttalte endelige målet å styrke mennesker med BCI for å gi hjernen vår et ben opp i det pågående våpenløpet mellom menneskelig og kunstig intelligens. Han håper at den menneskelige hjernen med muligheten til å koble seg til teknologiene våre kan styrke sine egne evner - muligens gi oss muligheten til å unngå en potensiell dystopisk fremtid der AI langt har overgått naturlige menneskelige evner. En slik visjon kan sikkert virke fjern eller fantasifull, men vi bør ikke avfeie en ide om fremmedhet alene. Tross alt ble selvkjørende biler relatert til science fiction-området for enda halvannet tiår siden - og deler nå veiene våre.
En BCI kan variere langs flere dimensjoner: enten det er grensesnitt mot det perifere nervesystemet (en nerve) eller sentralnervesystemet (hjernen), om det er invasivt eller ikke-invasivt og om det hjelper til med å gjenopprette tapt funksjon eller forbedrer evnene. (James Wu; tilpasset fra Sakurambo, CC BY-SA) I en nærmere fremtid, når hjerne-datamaskin-grensesnitt går utover å gjenopprette funksjon hos funksjonshemmede til å forsterke funksjonshemmede personer utover deres menneskelige kapasitet, må vi være akutt klar over en rekke spørsmål knyttet til samtykke, personvern, identitet, byrå og ulikhet. . I vårt senter jobber et team med filosofer, klinikere og ingeniører aktivt for å ta opp disse etiske, moralske og sosiale rettferdighetsspørsmålene og tilby nevroetiske retningslinjer før feltet går for langt fremover.
Å koble hjernen vår direkte til teknologi kan til syvende og sist være en naturlig progresjon av hvordan mennesker har forsterket seg med teknologi gjennom tidene, fra å bruke hjul for å overvinne våre bipedale begrensninger til å lage notater på leirtavler og papir for å styrke minnene våre. På samme måte som datamaskiner, smarttelefoner og virtual reality-headset i dag, vil augmentative BCI-er, når de endelig ankommer forbrukermarkedet, være spennende, frustrerende, risikofylte og samtidig full av løfte.
Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på The Conversation.
James Wu, Ph.D. Student i bioingeniør, forsker ved Center for Sensorimotor Neural Engineering, University of Washington
Rajesh PN Rao, professor i informatikk og ingeniørvitenskap og direktør for Center for Sensorimotor Neural Engineering, University of Washington
