Działalność Neuralink przez ostatnie dwa lata trzymała nas wszystkich w niepewności.
„- Co oni wymyślili? — Czy możemy przenieść nasze umysły lub uhmm… połączyć je z hotspotem Wi-Fi? — odłóżmy na chwilę nasze futurystyczne fantazje, zajmiemy się nimi później.
Niedawne ogłoszenie Elona Muska o postępach Neuralink w badaniach interfejsów mózg-maszyna (BMI) było zaskakujące pod względem liczby ulepszeń. Jednak przed nami jeszcze długa droga, zanim w końcu włożymy trochę mikrocząstek do naszych czaszek i będziemy kontrolować środowisko lub (*tutaj futurystyczna fantazja*) czytać w czyimś umyśle.

W dzisiejszym poście poddamy temu badaniu analizę na podstawie białej księgi Neuralink [1] opublikowanej w dniu Neuralink Launch Event. Celem jest przedstawienie kilku najważniejszych cech systemu Neuralink, krok po kroku, tak jak zostało to przedstawione w cytowanej pracy. Podsumujemy, omawiając potencjalne wyniki proponowanych rozwiązań.

Technika

Nawet jeśli jesteś zaznajomiony z postępami w dziedzinie zaawansowanych technologii, warto zadać sobie pytanie: czym ogólnie jest interfejs mózg-maszyna? Cóż, definicja może wydawać się szeroka, ale BMI to urządzenia/zestawy urządzeń, które znajdują się między mózgiem a maszyną (może to być komputer, proteza kończyny, moduł do włączania/wyłączania czegoś — właściwie wszystko można kontrolować) . Celem BMI jest pośredniczenie między mózgiem a maszyną poprzez przekazywanie sygnału z jednego do drugiego (może to być w obie strony).

Jaki jest sygnał BMI? Sprawa rozbija się tutaj na wielu poziomach. BMI można z grubsza podzielić na inwazyjne i nieinwazyjne . Możesz rozpoznać takie techniki, jak elektroencefalografia (EEG) lub funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI) — te dwa są całkiem dobrymi przykładami pomiarów, które można wykorzystać do nieinwazyjnego BMI (nieinwazyjny == nie ma potrzeby żadnych zabiegów chirurgicznych). Za pomocą EEG rejestrujemy określone zmiany potencjału elektrycznego ze skóry głowy; za pomocą fMRI możemy badać reakcje zależne od poziomu tlenu we krwi (BOLD) — oba sygnały można rejestrować, przetwarzać i dalej wykorzystywać do celów sterowania.

W przypadku inwazyjnych BMI konieczna jest operacja polegająca na umieszczeniu czegoś pod czaszką — może to być powierzchnia mózgu lub kora mózgowa. Tak, możesz poczuć gęsią skórkę, wyobrażając to sobie. W korze mózgowej znajduje się wiele ciał komórkowych neuronów, a neurony są komórkami pobudliwymi , więc ich aktywność elektryczna zmienia się w czasie. I to właśnie możemy w zasadzie nagrywać i używać . I to właśnie Elon i Neuralink wykorzystali do swoich badań.

Krok po kroku — co zawiera wskaźnik BMI Neuralink?

System składa się z robota chirurgicznego, implantów i zewnętrznej elektroniki dostarczającej zasilanie i zbierającej dane. Jego modułowa budowa jest bardzo obiecująca, gdyż daje szansę na rozbudowę systemu poprzez umieszczanie implantów w szerokim zakresie powierzchni mózgu.
Przejrzyjmy każdą część BMI Neuralink.

Robot — czyli maszyna do szycia

Robot chirurgiczny mnie zachwycił! Nie wygląda na najbardziej skomplikowanego robota medycznego świata, ale ma wiele funkcji i jest… elegancki. Tylko jedna część ma bezpośredni kontakt z tkanką mózgową — jest to igła z nitką, prowadzona przez wprowadzającego. Igła ma własny silnik liniowy, który szybko popycha i odciąga ją od powierzchni kory mózgowej. A co z innymi funkcjami? Woo! Czujniki położenia mózgu, sześć źródeł światła o różnych długościach fal i kamery — razem odgrywają ogromną rolę w lokalizacji struktur mózgu na podstawie znanych współrzędnych i śledzenia głębi ostrości, ale są też niezbędne neurochirurgowi do monitorowania zabiegu. Robot może pracować w trybie automatycznym (całkiem imponujące, 6 wątków w minutę!), ale hej, w tej chwili nadal dobrze jest mieć eksperta po swojej stronie.

Rzeczy — od elektrod po USB-C

Zacznijmy od elektrod. Autorzy pisali o swoich próbach z dwoma różnymi materiałami na same elektrody — PEDOT (wytrzymały polimer przewodzący) i tlenkiem irydu (pisali o jego lepszej biokompatybilności niż PEDOT). Elektrody są umieszczane na nici polimerowej, która jest wprowadzana do tkanki mózgowej. Liczba elektrod jest imponująca! Na jednym wątku jest ich 32. Neuralink przedstawił dwa systemy — opisane jako A i B — które składają się odpowiednio z 1536 i 3072 elektrod (Rysunek 2). Wow.

Wynaleźli własny, wykonany na zamówienie układ ASIC (patrz rysunek 2). Posiada 256 wzmacniaczy, które mogą obsłużyć jednorazowo 8 nitek (8 nitek — 256 elektrod, następnie 1 elektroda — 1 wzmacniacz). Reszta układu to przetwornik ADC o częstotliwości próbkowania ~19 kHz oraz układy do pakowania i przesyłania danych przez złącze USB-C. USB-C zapewnia również zasilanie systemu, około 6 mW na jeden ASIC.

Co nagrano do tej pory?

Jednym z celów tego wpisu było krótkie wyjaśnienie, co zostało zarejestrowane podczas eksperymentów Neuralink, ponieważ niektóre pojęcia z neurofizjologii nie zostały zdefiniowane w opublikowanym white paper. Autorzy napisali, że interesujący ich sygnał występuje w dwóch postaciach: skokach i lokalnych potencjałach polowych (LFP) . Co to są?

• Igły (bardziej formalne: potencjały czynnościowe ) to gwałtowne zmiany polaryzacji np. błony neuronu. Jak wiadomo każda komórka ma swoją granicę — w przypadku zwierząt jest to błona złożona z różnych białek, fosfolipidów itp., która selektywnie przenosi produkty wewnątrz lub na zewnątrz komórki. Środowisko zewnętrzne i wewnętrzne komórek różnią się rozkładem jonów — jeśli jest stabilny, mówimy, że jest to potencjał spoczynkowy . Jeśli chodzi o neurony, jeśli kanały na błonie otworzą się (z powodu pobudzenia), w komórce zachodzą gwałtowne zmiany, które skutkują depolaryzacją lub hiperpolaryzacją . Jeśli gromadzi się i osiąga próg, wyzwalany jest skok. [2]
• Lokalny potencjał pola (LFP) jest rejestrowany z grupy komórek nerwowych w sąsiedztwie elektrody. Jest to suma aktywności elektrycznej wiązki neuronów, choć źródłem zarejestrowanej aktywności elektrycznej nie jest indywidualny potencjał czynnościowy, ale prądy synaptyczne i dendrytyczne. [3]

Neuralink zastosował to podejście do badania swoich BMI na szczurach, podczas gdy oni swobodnie badali przestrzeń. Autorzy rejestrowali sygnały za pomocą systemów A i B z detekcją online niektórych struktur (np. kolców). Robot szyjący wykonał 19 operacji na szczurach ze skutecznością 87%, chociaż nie opisano, w jaki sposób mierzono wydajność (udana głębokość wkłucia? błędy robota? zrywanie nici?).

Podczas Neuralink Launch Event miała miejsce prezentacja przyszłych pomysłów na zastosowanie BMI u ludzi. Ogólna idea jest taka, że ​​system będzie się składał z implantów (podobnych do przedstawionych w cytowanej pracy, [1]), które będą połączone z zewnętrznym urządzeniem do noszenia, przypominającym aparat słuchowy. To urządzenie do noszenia będzie łączyć się przez Bluetooth z aplikacją Neuralink na Twoim iPhonie. To jest fajne. Ale rodzi się też wiele wątpliwości? A co z bezpieczeństwem danych? Co z przechowywaniem danych? Ilość danych z mózgu będzie prawdopodobnie ogromna i jako całość nieprzydatna, ale jakieś konkretne tendencje czy informacje o czyimś mózgu/zdrowiu psychicznym to już coś. Coś, co chcielibyśmy chronić.

Wnioski? spostrzeżenia?

• Dużo i trochę. Zrobiono wiele ulepszeń. Nici z elektrodami wydają się być szybkim i solidnym rozwiązaniem, biorąc pod uwagę niektóre przyszłe zastosowania kliniczne. Jest też innowacyjny system jego aplikacji — tak jak pisałem powyżej, szybkość robota i jego dodatkowe funkcje razem robią wrażenie. Ale wciąż jest wiele do zrobienia, jeśli chcemy uzyskać pełne BMI — w szczególności z interpretacją sygnału pozakomórkowego, ponieważ musimy przypisać go do konkretnych zadań wykonywanych przez maszynę.
• Modulacja neuronów. Lubię to. Nie wspominałem o tym wcześniej, ale zespół Neuralink twierdzi, że elektrody będą w stanie zarówno rejestrować, jak i stymulować tkankę mózgową. Otwiera szerokie możliwości, szczególnie w przypadku zaburzeń związanych ze zmianami stężeń określonych substancji. System cybernetyczny o zamkniętej pętli.
• Wiele kanałów i system modułowy. Jest to ogromna zaleta, ponieważ można zaprojektować przemieszczenie elektrod do określonych celów klinicznych lub nieklinicznych (w przyszłości :-)).

Bibliografia

[1] Musk, E., Neuralink (2019) Zintegrowana platforma interfejsu mózg-maszyna z tysiącami kanałów . (biała księga)
[2]https://en.wikipedia.org/wiki/Action_potential
[3]https://en.wikipedia.org/wiki/Local_field_potential
[4]https://www.technologyreview.com/f/613969/elon-musks-neuralink-says-its-nearly-ready-for-the-first-human-volunteers/?utm_campaign=the_download.unpaid.engagement&utm_source=hs_email&utm_medium=email&utm_content=74731923&_hsenc=p2ANqtz-9otWbhoo4oj2wzQuNcnI-XaM_K98vE3h6Um6UI4mQuIrWw24eApb0ZtPmfoiCrVzw2oUzKy1zQyW2gd7C-oFP3HYiiQ&_hsmi=74731923
[5]https://dzienniknaukowy.pl/nowe-technologie/elon-musk-przedstawil-szczegoly-interfejsu-mozg-komputer-od-neuralink
[6]https://www.youtube.com/watch?v=r-vbh3t7WVI

Pierwotnie opublikowany na https://annastroz.com 21 lipca 2019 r.