Деятельность Neuralink последние два года держала всех нас в напряжении.
«- Что они изобрели? — Можем ли мы перенести наши разумы или ммм… подключить его к точке доступа Wi-Fi? — давайте на время отложим в сторону наши футуристические фантазии, мы рассмотрим их позже.
Недавнее объявление Илона Маска о прогрессе Neuralink в исследованиях интерфейсов мозг-машина (ИМТ) удивило количеством улучшений. Тем не менее, предстоит пройти долгий путь, прежде чем мы, наконец, поместим некоторые микроштуки в наши черепа и будем контролировать окружающую среду или (здесь * футуристическая фантазия *) читать чьи-то мысли.

В сегодняшней публикации мы подробно рассмотрим это исследование на основе официального документа Neuralink [1], опубликованного в день запуска Neuralink. Цель состоит в том, чтобы шаг за шагом представить некоторые основные моменты системы Neuralink, как это было представлено в цитируемой статье. Мы подведем итоги, обсудив возможные результаты предлагаемых решений.

Технология

Даже если вы знакомы с достижениями в области высоких технологий, стоит спросить: что такое интерфейс мозг-машина вообще? Что ж, определение может показаться широким, но ИМТ — это устройства/наборы устройств, которые находятся между мозгом и машиной (это может быть компьютер, протез, модуль для включения/выключения чего-либо — почти все подконтрольно) . Цель ИМТ — быть посредником между мозгом и машиной, передавая сигнал от одного к другому (может быть в обоих направлениях).

Что является сигналом ИМТ? Проблема расщепляется здесь на многих уровнях. ИМТ можно условно разделить на инвазивные и неинвазивные . Вы можете узнать такие методы, как электроэнцефалография (ЭЭГ) или функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) — эти два метода являются довольно хорошими примерами измерения, которые можно использовать для неинвазивного ИМТ (неинвазивный == нет необходимости в каких-либо хирургических процедурах). При использовании ЭЭГ мы регистрируем специфические изменения электрического потенциала кожи головы; с помощью фМРТ мы можем исследовать реакции, зависящие от уровня кислорода в крови (ЖИРНЫЙ) — оба сигнала могут быть записаны, обработаны и в дальнейшем использованы для целей управления.

Когда дело доходит до инвазивных ИМТ, необходимо провести операцию, чтобы поместить какой-то материал под череп — он может быть на поверхности мозга или в коре головного мозга. Да, вы можете почувствовать мурашки по коже, когда представляете это. В коре головного мозга много многоклеточных тел нейронов, а нейроны являются возбудимыми клетками , поэтому их электрическая активность меняется во времени. И это то, что мы можем записать и использовать . И это то, что Элон и Нейралинк использовали в своих исследованиях.

Шаг за шагом — что внутри Neuralink BMI?

Система состоит из хирургического робота, имплантатов и внешней электроники для обеспечения питания и сбора данных. Его модульная структура очень перспективна, так как дает возможность расширять систему, размещая имплантаты на широком диапазоне поверхностей мозга.
Давайте пробежимся по каждой части ИМТ Neuralink.

Робот — он же швейная машинка

Хирургический робот меня поразил! Он не похож на самого сложного медицинского робота в мире, но обладает множеством функций и... элегантен. Только одна часть имеет непосредственный контакт с мозговой тканью — это игла с нитью, которую ведет проводник. Игла имеет свой собственный линейный двигатель, чтобы быстро толкать и тянуть ее с поверхности коры. А как насчет других функций? Ух! Датчики положения мозга, шесть источников света различной длины волны и камеры — вместе они играют огромную роль в локализации структур головного мозга на основе известных координат и отслеживания глубины резкости, но также необходимы нейрохирургу для наблюдения за ходом процедуры. Робот может работать в автоматическом режиме (довольно впечатляюще, 6 потоков в минуту!), но эй, сейчас все еще нормально иметь эксперта на своей стороне.

Материал — от электродов до USB-C

Начнем с электродов. Авторы писали о своих испытаниях с двумя разными материалами для самих электродов — PEDOT (прочный проводящий полимер) и оксидом иридия (писали о его лучшей биосовместимости, чем у PEDOT). Электроды надеваются на полимерную нить, которая вводится в ткань головного мозга. Количество электродов впечатляет! На одном потоке их 32. Neuralink представила две системы, обозначенные как A и B, которые состоят из 1536 и 3072 электродов соответственно (рис. 2). Ух ты.

Они изобрели собственную специализированную схему ASIC (см. рис. 2). Имеет 256 усилителей, которые могут одновременно служить для 8 нитей (8 нитей — 256 электродов, тогда 1 электрод — 1 усилитель). Остальная часть схемы — это преобразователь АЦП с частотой дискретизации ~ 19 кГц и схемы для упаковки и отправки данных через USB-C. USB-C также обеспечивает питание системы, около 6 мВт на один ASIC.

Что было записано до сих пор?

Одной из целей этого поста было краткое объяснение того, что было записано во время экспериментов Neuralink, потому что некоторые понятия из нейрофизиологии не были определены в опубликованном официальном документе. Авторы написали, что интересующий их сигнал бывает двух видов: пики и потенциалы локального поля (LFP) . Что это?

• Спайки (более формально: потенциалы действия ) — это быстрые изменения полярности, например, мембраны нейрона. Как известно, каждая клетка имеет границу — в случае животных это мембрана, состоящая из различных белков, фосфолипидов и т. д., которая избирательно пропускает продукты внутрь или наружу клетки. Внешняя и внутренняя среды клеток различаются по распределению ионов — если оно стабильно, мы говорим, что это потенциал покоя . Когда дело доходит до нейронов, если каналы на мембране открываются (из-за возбуждения), в клетке происходят быстрые изменения, приводящие к деполяризации или гиперполяризации . Если он накапливается и достигает порогового значения, срабатывает спайк. [2]
• Потенциал локального поля (LFP) регистрируется от группы нервных клеток в районе электрода. Это сумма электрической активности пучка нейронов, хотя источник регистрируемой электрической активности лежит не в индивидуальном потенциале действия, а в синаптических и дендритных токах. [3]

Neuralink использовала этот подход для изучения их ИМТ на крысах, в то время как они свободно исследовали пространство. Авторы регистрировали сигналы с помощью систем А и Б с онлайн-обнаружением некоторых структур (например, спайков). Швейный робот провел 19 операций на крысах с вероятностью успеха 87%, хотя не было описано, как измерялась производительность (удачная глубина введения? ошибки робота? обрыв нити?).

Во время запуска Neuralink состоялась презентация будущих идей по применению ИМТ у людей. Общая идея заключается в том, что система будет состоять из имплантатов (подобных тем, что представлены в цитируемой статье [1]), которые будут подключаться к внешнему носимому устройству, похожему на слуховой аппарат. Это носимое устройство будет подключаться через Bluetooth к приложению Neuralink на вашем iPhone. Это круто. Но также возникает много сомнений? Как насчет безопасности данных? А как насчет хранения данных? Объем данных от мозга будет наверное огромен и не полезен в целом, но какие-то специфические тенденции или информация о своем мозге/психическом здоровье - это нечто. Что-то, что мы хотели бы защитить.

Выводы? Инсайты?

• Много и мало. Сделано много улучшений. Нить с электродами кажется быстрым и надежным решением при рассмотрении некоторых будущих клинических применений. Есть и инновационная система его применения — как я писал выше, скорость робота и его дополнительные возможности вместе взятые впечатляют. Но тем не менее, если мы хотим получить полный ИМТ, предстоит еще многое сделать — в частности, с интерпретацией внеклеточного сигнала, поскольку нам нужно назначить его для конкретных задач, выполняемых машиной.
• Модуляция нейронов. Мне это нравится. Я не упоминал об этом ранее, но команда Neuralink утверждает, что электроды смогут как записывать, так и стимулировать мозговую ткань. Он открывает широкий спектр возможностей, особенно при нарушениях, связанных с изменением концентрации определенных веществ. Замкнутая кибернетическая система.
• Много каналов и модульная система. Это огромное преимущество, так как можно спроектировать смещение электродов для конкретных клинических или неклинических целей (в будущем :-)).

использованная литература

[1] Маск, Э., Neuralink (2019) Интегрированная платформа интерфейса мозг-машина с тысячами каналов . (белая бумага)
[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

Первоначально опубликовано на https://annastroz.com 21 июля 2019 г.