Джеймс Джонсън се надява един ден отново да кара кола. Ако го направи, той ще го направи, използвайки само мислите си.
През март 2017 г. Джонсън счупи врата си при инцидент с картинг, оставяйки го почти напълно парализиран под раменете. Той разбираше новата си реалност по-добре от повечето. В продължение на десетилетия той се е грижил за хора с парализа. „Имаше дълбока депресия“, казва той. „Мислех, че когато това се случи с мен, няма нищо - нищо, което мога да направя или да дам.“
Но след това рехабилитационният екип на Джонсън го запознава с изследователи от близкия Калифорнийски технологичен институт (Caltech) в Пасадена, които го канят да се присъедини към клинично изпитване на интерфейс мозък-компютър (BCI). Това първо би наложило неврохирургия за имплантиране на две решетки от електроди в кората му. Тези електроди ще записват невроните в мозъка му, докато се задействат, и изследователите ще използват алгоритми, за да декодират неговите мисли и намерения. След това системата ще използва мозъчната дейност на Джонсън, за да работи с компютърни приложения или да премести протезно устройство. Като цяло това ще отнеме години и ще изисква стотици интензивни тренировки. „Наистина не се поколебах“, казва Джонсън.
Първият път, когато използва своя BCI, имплантиран през ноември 2018 г., Джонсън премести курсор около екрана на компютъра. „Чувствах се като Матрицата“, казва той. „Свързахме се с компютъра и ето, успях да преместя курсора само като си помислих.“
Оттогава Джонсън е използвал BCI, за да управлява роботизирана ръка, да използва софтуера Photoshop, да играе видеоигри „shoot-'em-up“ и сега да управлява симулирана кола във виртуална среда, променяйки скоростта, управлението и реагирайки опасности. „Винаги съм зашеметен от това, което можем да направим“, казва той, „и това е адски страхотно.“
Джонсън е един от приблизително 35-те души, на които е имплантиран BCI дългосрочно в мозъка им. Само около дузина лаборатории провеждат подобни изследвания, но този брой расте. И през последните пет години наборът от умения, които тези устройства могат да възстановят, се разшири неимоверно. Само миналата година учените описаха участник в проучването, използващ роботизирана ръка, която може да изпрати сензорна обратна връзка директно до мозъка му1; протезно устройство за реч за някой, който не може да говори от инсулт2; и човек, способен да комуникира с рекордна скорост, като си представя, че пише на ръка3.
Досега по-голямата част от имплантите за дългосрочно записване от отделни неврони са направени от една компания: Blackrock Neurotech, разработчик на медицински устройства, базиран в Солт Лейк Сити, Юта. Но през последните седем години търговският интерес към BCI нарасна. Най-забележителното е, че през 2016 г. предприемачът Илон Мъск стартира Neuralink в Сан Франциско, Калифорния, с цел да свърже хората и компютрите. Компанията е събрала 363 милиона щатски долара. Миналата година Blackrock Neurotech и няколко други по-нови BCI компании също привлякоха голяма финансова подкрепа.
Въвеждането на BCI на пазара обаче ще доведе до трансформиране на технология по поръчка, изпитана на пътя само при малък брой хора, в продукт, който може да бъде произведен, имплантиран и използван в мащаб. Големите изпитания ще трябва да покажат, че BCI могат да работят в условия, които не са изследователски, и очевидно да подобрят ежедневния живот на потребителите - на цени, които пазарът може да поддържа. Графикът за постигане на всичко това е несигурен, но полето е възходящо. „От хиляди години търсим някакъв начин да излекуваме хора, които имат парализа“, казва Мат Енгъл, главен изпълнителен директор на Paradromics, невротехнологична компания в Остин, Тексас. „Сега всъщност сме на прага да имаме технологии, които можем да използваме за тези неща.“
Еволюция на интерфейса
През юни 2004 г. изследователи притиснаха мрежа от електроди в моторния кортекс на мъж, който е бил парализиран от пробождане. Той беше първият човек, получил дългосрочен BCI имплант. Подобно на повечето хора, които са получили BCIs оттогава, неговото познание беше непокътнато. Можеше да си представи как се движи, но беше загубил невронните пътища между моторния кортекс и мускулите си. След десетилетия работа в много лаборатории върху маймуни, изследователите се научиха да декодират движенията на животните от записи в реално време на активност в моторния кортекс. Сега те се надяваха да изведат въображаемите движения на човек от мозъчната активност в същия регион.
През 2006 г. забележителен документ4 описва как човекът се е научил да движи курсора около екрана на компютъра, да управлява телевизор и да използва роботизирани ръце и ръце само чрез мислене. Проучването е ръководено съвместно от Лий Хохберг, невролог и невролог в критични грижи в университета Браун в Провидънс, Роуд Айлънд и в Масачузетската обща болница в Бостън. Това беше първият от многоцентров набор от изпитания, наречен BrainGate, който продължава и днес.
„Това беше много проста, елементарна демонстрация“, казва Хохберг. „Движенията бяха бавни или неточни - или и двете. Но показа, че може да е възможно да се запише от кората на някой, който не може да се движи, и да се позволи на този човек да контролира външно устройство.
Днешните потребители на BCI имат много по-фин контрол и достъп до по-широк набор от умения. Отчасти това е така, защото изследователите започнаха да имплантират множество BCI в различни области на мозъка на потребителя и измислиха нови начини за идентифициране на полезни сигнали. Но Хохберг казва, че най-големият тласък идва от машинното обучение, което е подобрило способността за декодиране на невронната активност. Вместо да се опитва да разбере какво означават моделите на активност, машинното обучение просто идентифицира и свързва моделите с намерението на потребителя.
„Имаме невронна информация; знаем какво се опитва да направи този човек, който генерира невронните данни; и ние молим алгоритмите да създадат карта между двете“, казва Хохберг. „Това се оказва забележително мощна техника.“
Моторна независимост
Запитани какво искат от помощните невротехнологии, хората с парализа най-често отговарят „независимост“. За хора, които не могат да движат крайниците си, това обикновено означава възстановяване на движението.
Един подход е да се имплантират електроди, които директно стимулират мускулите на собствените крайници на човека и BCI директно ги контролира. „Ако успеете да уловите естествените кортикални сигнали, свързани с контролирането на движенията на ръцете, можете по същество да заобиколите увреждането на гръбначния мозък, за да преминете директно от мозъка към периферията“, казва Болу Аджибойе, невролог от университета Case Western Reserve в Кливланд, Охайо.
През 2017 г. Ajiboye и колегите му описаха участник, който използва тази система, за да извършва сложни движения на ръцете, включително да пие чаша кафе и да се храни сам5. „Когато за първи път започна проучването“, казва Аджибойе, „той трябваше да помисли много за това как ръката му да се движи от точка А до точка Б. Но след като придоби повече обучение, той можеше просто да помисли за движение на ръката си и тя щеше да се движи. ” Участникът също възвърна чувството за собственост на ръката.
Устройствата за четене на мисли, които могат да освободят парализирани мускули
Ajiboye сега разширява репертоара от командни сигнали, които неговата система може да декодира, като тези за сила на захващане. Той също така иска да даде на потребителите на BCI усещане за допир, цел, преследвана от няколко лаборатории.
През 2015 г. екип, ръководен от невролога Робърт Гонт от Университета на Питсбърг в Пенсилвания, съобщи за имплантиране на масив от електроди в областта на ръката на соматосензорния кортекс на човек, където се обработва информацията за допир6. Когато използвали електродите за стимулиране на неврони, човекът усетил нещо подобно на докосване.
След това Гонт обедини усилията си с колегата си от Питсбърг Дженифър Колинджър, невролог, който напредва в контрола на роботизирани ръце от BCI. Заедно те създадоха роботизирана ръка със сензори за натиск, вградени във върховете на пръстите й, които се захранваха с електроди, имплантирани в соматосензорния кортекс, за да предизвикат синтетично усещане за допир1. Това не беше съвсем естествено усещане - понякога се чувстваше като натиск или подтикване, друг път беше по-скоро като бръмчене, обяснява Гонт. Въпреки това, тактилната обратна връзка направи протезата много по-естествена за използване и времето, необходимо за вдигане на предмет, беше намалено наполовина, от приблизително 20 секунди на 10.
Имплантирането на масиви в области на мозъка, които имат различни роли, може да добави нюанс към движението по други начини. Неврологът Ричард Андерсен, който ръководи проучването в Калтех, в което Джонсън участва, се опитва да декодира по-абстрактните цели на потребителите, като се докосне до задния париетален кортекс (PPC), който формира намерението или плана за движение7 . Тоест, може да кодира мисълта „Искам питие“, докато моторният кортекс насочва ръката към кафето, след което поднася кафето към устата.
Групата на Андерсен проучва как този двоен вход подпомага производителността на BCI, контрастирайки използването на двата кортикални региона самостоятелно или заедно. Непубликувани резултати показват, че намеренията на Джонсън могат да бъдат декодирани по-бързо в PPC, „в съответствие с кодирането на целта на движението“, казва Тайсън Афлало, старши изследовател в лабораторията на Андерсен. За разлика от това, активността на моторния кортекс продължава през цялото движение, казва той, „правейки траекторията по-малко нервна“.
Този нов тип невронни данни помага на Джонсън и други да разширят това, което могат да правят. Джонсън използва симулатора на шофиране, а друг участник може да свири на виртуално пиано, използвайки своя BCI.
Придвижване към смисъла
„Един от най-опустошителните резултати, свързани с мозъчни травми, е загубата на способността за общуване“, казва Едуард Чанг, неврохирург и невролог в Калифорнийски университет, Сан Франциско. В ранната работа по BCI участниците можеха да движат курсора около екрана на компютъра, като си представят как ръката им се движи и след това си представят как хващат, за да „щракат“ букви – предлагайки начин за постигане на комуникация. Но наскоро Чанг и други постигнаха бърз напредък, като се насочиха към движения, които хората естествено използват, за да изразят себе си.
Еталонът за комуникация чрез управление на курсора — приблизително 40 знака в минута8 — беше определен през 2017 г. от екип, ръководен от Кришна Шеной, невролог от Станфордския университет в Калифорния.
След това миналата година тази група съобщи3 за подход, който позволи на участника в проучването Денис Дегрей, който може да говори, но е парализиран от врата надолу, да удвои темпото.
Колегата на Шеной, Франк Уилет, предложи на Дегрей да си представи ръкопис, докато записват от моторния му кортекс (вижте „Превръщане на мислите в шрифт“). Системата понякога се затрудняваше да анализира сигнали, свързани с букви, които са написани на ръка по подобен начин, като r, n и h, но като цяло можеше лесно да различи буквите. Алгоритмите за декодиране бяха 95% точни в началото, но когато бяха автоматично коригирани с помощта на статистически езикови модели, които са подобни на предсказуем текст в смартфони, това скочи до 99%.
„Можете да декодирате наистина бързи, много фини движения“, казва Шеной, „и можете да правите това с 90 знака в минута.“
Degray има функционален BCI в мозъка си от близо 6 години и е ветеран от 18 проучвания от групата на Shenoy. Той казва, че е забележително колко лесни стават задачите. Той сравнява процеса с това да се научиш да плуваш, казвайки: „Първоначално се блъскаш много, но изведнъж всичко става разбираемо.“
Невронният интерфейс превежда мислите в шрифт
Подходът на Чанг за възстановяване на комуникацията се фокусира върху говоренето, а не върху писането, макар и да използва подобен принцип. Точно както писането се състои от отделни букви, речта се формира от отделни единици, наречени фонеми или отделни звуци. В английския език има около 50 фонеми и всяка е създадена от стереотипно движение на гласовия тракт, езика и устните.
Групата на Чанг първо работи върху характеризирането на частта от мозъка, която генерира фонеми и следователно речта - недобре дефинирана област, наречена дорзален ларингеален кортекс. След това изследователите приложиха тези прозрения, за да създадат система за декодиране на реч, която показва предвидената реч на потребителя като текст на екрана. Миналата година те докладваха2, че това устройство е позволило на човек, останал неспособен да говори след инсулт на мозъчния ствол, да общува, използвайки предварително избран речник от 50 думи и със скорост от 15 думи в минута. „Най-важното нещо, което научихме“, казва Чанг, „е, че това вече не е теория; наистина е възможно да се декодират цели думи.“
За разлика от други известни открития на BCI, Чанг не записва от единични неврони. Вместо това той използва електроди, поставени върху кортикалната повърхност, които откриват усреднената активност на невронните популации. Сигналите не са толкова фини като тези от електродите, имплантирани в кората на главния мозък, но подходът е по-малко инвазивен.
Най-сериозната загуба на комуникация възниква при хора в напълно заключено състояние, които остават в съзнание, но не могат да говорят или да се движат. През март екип, включващ невролога Ujwal Chaudhary и други от университета в Тюбинген, Германия, съобщи9 за рестартиране на комуникацията с мъж, който има амиотрофична латерална склероза (ALS или заболяване на двигателния неврон). Мъжът преди това е разчитал на движенията на очите, за да общува, но постепенно е загубил способността да движи очите си.
Екипът от изследователи получи съгласието на семейството на мъжа да имплантира BCI и се опита да го помоли да си представи движения, за да използва мозъчната си дейност, за да избира букви на екрана. Когато това не успя, те се опитаха да пуснат звук, който имитира мозъчната дейност на мъжа - по-висок тон за повече активност, по-нисък за по-малко - и го научиха да модулира нервната си активност, за да повиши височината на тона, за да сигнализира „да“ и да понижи то за "не". Тази подредба му позволяваше да избира писмо на всяка минута.
Методът се различава от този в статия10, публикувана през 2017 г., в която Чаудхари и други са използвали неинвазивна техника за разчитане на мозъчната активност. Бяха повдигнати въпроси относно работата и документът беше оттеглен, но Чаудхари стои зад него.
Тези казуси предполагат, че полето се развива бързо, казва Ейми Орсборн, която изследва BCI при нечовекоподобни примати в Университета на Вашингтон в Сиатъл. „Има забележим ръст както в броя на клиничните проучвания, така и в скоковете, които те правят в клиничното пространство“, казва тя. „Това, което идва заедно с това, е индустриалният интерес“.
Лаборатория към пазара
Въпреки че подобни постижения привлякоха вълна от вниманието на медиите и инвеститорите, областта остава далеч от подобряването на ежедневния живот на хора, които са загубили способността да се движат или говорят. Понастоящем участниците в проучването работят с BCI в кратки, интензивни сесии; почти всички трябва да бъдат физически свързани към група компютри и контролирани от екип от учени, работещи постоянно за усъвършенстване и повторно калибриране на декодерите и свързания с тях софтуер. „Това, което искам“, казва Хохберг, говорейки като невролог в критично лечение, „е устройство, което е налично, което може да бъде предписано, което е „извън рафта“ и може да се използва бързо.“ Освен това такива устройства в идеалния случай биха издържали на потребителите цял живот.
Как една революционна техника изправи хората с увреждания на гръбначния стълб отново на крака
Много водещи учени вече си сътрудничат с компании за разработване на продаваеми устройства. Чаудхари, напротив, е съосновател на компания с нестопанска цел, ALS Voice, в Тюбинген, за разработване на невротехнологии за хора в напълно затворено състояние.
Съществуващите устройства на Blackrock Neurotech са опора на клиничните изследвания от 18 години и иска да пусне на пазара BCI система в рамките на една година, според председателя Флориан Солцбахер. Компанията направи крачка по-близо миналия ноември, когато Американската администрация по храните и лекарствата (FDA), която регулира медицинските устройства, подложи продуктите на компанията на бърз процес на преглед, за да улесни търговското им развитие.
Този възможен първи продукт ще използва четири имплантирани масива и ще се свързва чрез кабели към миниатюрно устройство, което Солцбахер се надява да покаже как животът на хората може да бъде подобрен. „Ние не говорим за 5, 10 или 30% подобрение на ефикасността“, казва той. „Хората могат да направят нещо, което просто не са могли преди.“
Blackrock Neurotech също разработва напълно имплантируем безжичен BCI, предназначен да бъде по-лесен за използване и да премахне необходимостта от порт в черепа на потребителя. Neuralink и Paradromics се стремят да имат тези характеристики от самото начало в устройствата, които разработват.
Тези две компании също се стремят да увеличат честотната лента на сигнала, което трябва да подобри производителността на устройството, чрез увеличаване на броя на записаните неврони. Интерфейсът на Paradromics — в момента се тества при овце — има 1600 канала, разделени между 4 модула.
Системата на Neuralink използва много фини, гъвкави електроди, наречени нишки, които са проектирани да се огъват заедно с мозъка и да намаляват имунните реакции, казва Шеной, който е консултант и съветник на компанията. Целта е устройството да бъде по-издръжливо, а записите по-стабилни. Neuralink не е публикувал рецензирани статии, но публикация в блог от 2021 г. съобщава за успешно имплантиране на нишки в мозъка на маймуна за запис на 1024 сайта (вижте go.nature.com/3jt71yq). Учените биха искали да видят технологията публикувана за цялостен контрол, а Neuralink досега е изпробвал своята система само върху животни. Но, казва Ajiboye, „ако това, което твърдят, е вярно, това променя играта“.
Само още една компания освен Blackrock Neurotech е имплантирала BCI дългосрочно в хора — и може да се окаже по-лесна за продажба от други масиви. Synchron в Ню Йорк разработи „стентрод“ – набор от 16 електрода, оформени около стент за кръвоносни съдове11. Монтирано за един ден в амбулаторна среда, това устройство се прокарва през югуларната вена до вена на върха на моторния кортекс. Първоначално имплантирана в човек с ALS през август 2019 г., технологията беше поставена на бърз преглед от FDA година по-късно.
Подобно на електродите, които Чанг използва, стентродът няма разделителна способност на други импланти, така че не може да се използва за управление на сложни протези. Но позволява на хора, които не могат да се движат или говорят, да контролират курсора на компютърен таблет и така да изпращат текстови съобщения, да сърфират в интернет и да контролират свързани технологии.
Съоснователят на Synchron, неврологът Томас Оксли, казва, че компанията сега представя резултатите от изпитание за осъществимост с четирима души за публикуване, в което участниците са използвали безжичното устройство у дома, когато решат. „Нищо не стърчи от тялото. И винаги работи“, казва Оксли. Следващата стъпка преди кандидатстване за одобрение от FDA, казва той, е по-мащабно изпитване, за да се прецени дали устройството смислено подобрява функционалността и качеството на живот.
Предстоящи предизвикателства
Повечето изследователи, работещи върху BCI, са реалисти по отношение на предизвикателствата пред тях. „Ако направите крачка назад, то наистина е по-сложно от всяко друго неврологично устройство, създавано някога“, казва Шеной. „Вероятно ще има няколко трудни години на растеж, за да узреем още повече технологията.“
Етиката на интерфейсите мозък-компютър
Орсборн подчертава, че търговските устройства ще трябва да работят без експертен надзор в продължение на месеци или години — и че трябва да функционират еднакво добре при всеки потребител. Тя очаква, че напредъкът в машинното обучение ще се справи с първия проблем, като предостави стъпки за повторно калибриране, които потребителите да прилагат. Но постигането на последователна производителност сред потребителите може да представлява по-голямо предизвикателство.
„Променливостта от човек на човек е тази, при която не мисля, че знаем какъв е обхватът на проблема“, казва Орсборн. При нечовекоподобни примати, дори малки вариации в позиционирането на електродите могат да повлияят на това кои вериги се подслушват. Тя подозира, че има и важни особености в това как точно различните индивиди мислят и учат - и начините, по които мозъците на потребителите са били засегнати от различните им състояния.
Накрая, има широко разпространено признание, че етичният надзор трябва да е в крак с тази бързо развиваща се технология. BCI представляват множество проблеми, от поверителността до личната автономия. Етиците подчертават, че потребителите трябва да запазят пълен контрол върху изходите на устройствата. И въпреки че настоящите технологии не могат да декодират личните мисли на хората, разработчиците ще имат записи на всяка комуникация на потребителите и важни данни за здравето на мозъка им. Освен това BCI представляват нов тип риск за киберсигурността.
Съществува и риск за участниците техните устройства да не се поддържат завинаги или компаниите, които ги произвеждат, да се откажат. Вече има случаи, в които потребителите са били разочаровани, когато техните имплантирани устройства са били оставени без поддръжка.
Degray обаче няма търпение BCI да достигнат до повече хора. Това, което би искал най-много от помощните технологии, е да може да почеше веждата си, казва той. „Всички ме гледат на стола и винаги казват: „О, горкият човек, той не може повече да играе голф.“ Това е лошо. Но истинският ужас е посред нощ, когато паяк се разхожда по лицето ви. Това е лошото.“
За Джонсън става дума за човешка връзка и тактилна обратна връзка; прегръдка от любим човек. „Ако успеем да картографираме невроните, които са отговорни за това, и по някакъв начин да ги филтрираме в протезно устройство някой ден в бъдещето, тогава ще се почувствам доволен от усилията си в тези проучвания.“
