Hva du trenger å vite om tankestyrt teknologi

Kilde: Thinkstock
Å kontrollere et objekt eller et videospill med tankene dine høres ut som noe ut av en science fiction-film, men dingser som oversetter hjernebølger til kommandoer som styrer en datamaskin, er allerede en realitet. Sinnekontrollert teknologi bruker et hjerne-datamaskingrensesnitt for å etablere en kommunikasjonsvei mellom brukerens hjerne og en ekstern enhet. Det har potensial til å forsterke eller til og med reparere pasienters skadede hørsel, syn eller bevegelse. EEG-sensorer har blitt innlemmet i spillsystemer som gjør det mulig for en spiller å kontrollere hva som skjer på skjermen med et hodesett, EEG-kontrollerte eksoskelett oversetter brukernes hjernesignaler til bevegelser, og implanterte elektroder gjør det mulig for pasienter å kontrollere bioniske lemmer.
Den sinnsstyrte teknologien som forskere jobber med i dag, startet på 1920-tallet, da forskere oppdaget den elektriske aktiviteten til den menneskelige hjerne og utviklet elektroencefalografi (EEG), praksis for å registrere den elektriske aktiviteten langs hodebunnen. Forskere oppdaget at nevroner formidler informasjon via elektriske 'pigger', som kan registreres med en tynn metalltråd eller elektrode. I 1969 hadde en forsker ved navn Eberhard Fetz koblet en enkelt nevron i hjernen til en ape til en urskive dyret kunne se. Apen lærte å få nevronen til å skyte raskere for å flytte ratten for å få en belønning, og mens Fetz ikke skjønte det på den tiden, hadde han opprettet det første hjerne-maskin-grensesnittet.
For 30 år siden begynte fysiologer å registrere fra mange nevroner hos dyr, og oppdaget at mens hele motorbarken lyser opp med elektriske signaler når et dyr beveger seg, har en enkelt nevron en tendens til å skyte raskest i forbindelse med visse bevegelser. Hvis du registrerer signaler fra nok nevroner, kan du få en grov ide om bevegelsen som en person lager eller har til hensikt å gjøre. Forskere utviklet algoritmer for å rekonstruere bevegelser fra motoriske cortexneuroner, og på 1980-tallet fant Apostolos Georgopoulos et forhold mellom den elektriske responsen til enkeltneuroner og retningen de beveget armene i. Siden midten av 1990-tallet har forskere vært i stand til å fange opp komplekse motoriske cortex-signaler registrert fra grupper av nevroner, og bruke dem til å kontrollere elektroniske enheter, bygge hjernecomputer-grensesnitt som muliggjør det vi vil kalle tankestyrt teknologi.
Mens EEG har dukket opp som en lovende måte for lammede pasienter å kontrollere enheter som datamaskiner eller rullestoler - ved å bruke hette og gjennomgå opplæring for å lære å kontrollere en enhet som rullestol ved å se for seg at de beveger seg en del av kroppen, eller utløser kommandoer med spesifikke mentale oppgaver - MITs Technology Review rapporterte i 2010 at noen forskere har lagt merke til at EEG har begrenset nøyaktighet og kan oppdage et begrenset antall kommandoer . Å opprettholde mentale øvelser mens du prøver å manøvrere en rullestol rundt et komplekst miljø kan være slitsomt, og konsentrasjonen som kreves skaper støyende signaler som kan være vanskeligere for en datamaskin å tolke. Så noen eksperimenterer med delt kontroll, som kombinerer hjernekontroll med kunstig intelligens for en annen teknikk som kan bidra til å gjøre rå hjernesignaler til mer kompliserte kommandoer. Med delt kontroll må pasientene kontinuerlig instruere en rullestol om å gå videre. De trenger bare å tenke på kommandoen en gang, og programvaren vil ta over derfra.
I fjor rapporterte MIT’s Technology Review om en studie der en lammet kvinne brukte sinnet for å kontrollere en robotarm . Jan Scheuermann, en kvinne som ble diagnostisert med en sykdom som kalles spinocerebellar degenerasjon, gjennomgikk en hjerneoperasjon der leger brukte en luftpistol til å skyte to senger med silisiumnåler, kalt Utah-elektrodearray, inn i motorbarken, den slanke hjernestripen over toppen av hodet til kjevene og kontrollerer frivillig bevegelse. Implantatene gjør at hun kan plugges inn i en robotarm som hun kontrollerer med tankene sine ved University of Pittsburgh, hvor han bruker den til å flytte blokker, stable kegler eller gi høye femmere.
Utah-elektrodearrayet registrerer fra små populasjoner av nevroner for å gi signaler for et hjerne-datamaskingrensesnitt. I en Utah matrise mottas bare signaler fra spissene til hver elektrode, noe som begrenser mengden informasjon som kan oppnås på en gang. Men de 192 elektrodene på Scheuermanns implantater har registrert mer enn 270 nevroner samtidig, som er det mest noensinne målt på en gang fra et menneskes hjerne.
Forskerne i Scheuermanns tilfelle demonstrerte hennes evner med Action Research Arm Test, ved å bruke det samme settet med treklosser, marmor og kopper som leger bruker for å evaluere håndfikshet. Hun fikk 17 av 57 - omtrent like godt som noen med et alvorlig hjerneslag - mens hun uten robotarmen ville ha scoret null. Men noen av manglene ved teknologien har blitt tydelige, og å kontrollere armen har blitt vanskeligere ettersom implantatene slutter å ta opp over tid. Hjernen er et fiendtlig miljø for elektronikk, og bevegelser i matrisen kan bygge opp arrvev over tid. Over tid kan færre nevroner oppdages.
Scheuermann er en av rundt 15 til 20 lammede pasienter i langtidsstudier av implantater som kan formidle informasjon fra hjernen til en datamaskin. Ni andre har gjennomgått lignende tester i en relatert studie, kalt BrainGate, og fire 'innlåste' pasienter, som ikke klarer å bevege seg eller snakke, har gjenvunnet en viss evne til å kommunisere takket være en annen type elektrode utviklet av et selskap som heter Neural Signaler.
I 2011 sa den amerikanske mat- og medikamentadministrasjonen at de ville løsne reglene for testing av 'virkelig banebrytende teknologier' som hjernemaskingrensesnitt, og flere forskere har gjort menneskelige eksperimenter. Forskere ved Caltech ønsker å gi en pasient 'autonom kontroll over Googles Android-nettbrettoperativsystem', og et team ved Ohio State University, i samarbeid med forsknings- og utviklingsfirma Battelle, har til hensikt å bruke pasientens hjernesignaler for å kontrollere stimulatorer festet til hans arm i en prosess Battelle beskriver som “å gjenopplive et lammet lem under frivillig kontroll av deltakerens tanker.”
Disse studiene er avhengige av at registrering av den elektriske aktiviteten til noen få dusin celler i hjernen kan gi et ganske nøyaktig bilde av hvordan noen har til hensikt å bevege en lem, og mye av teknologien er fremdeles eksperimentell. John Donoghue, en neurovitenskapsmann ved Brown University, som leder BrainGate-studien, sammenligner dagens grensesnitt for hjernemaskin med de første pacemakerne, som stolte på elektronikkvogner og brukte ledninger som ble stanset gjennom huden inn i hjertet. Noen ble håndsveiv. Donoghue forklarer: 'Når du ikke vet hva som skjer, holder du så mye som mulig på utsiden og så lite som mulig på innsiden.' Dagens pacemakere er selvstendige, drevet av et batteri med lang levetid, og installert på et legekontor, og Donoghue sier at hjernemaskingrensesnitt begynner på en lignende bane.
Forskere har bygget bedre og bedre dekodere - programvare for å tolke nevronale signaler - gjennom årene, noe som har gjort det mulig for dem å eksperimentere med mer ambisiøse kontrollopplegg. Forskere må lage et grensesnitt som vil vare i 20 år. Å løse problemet ville gjøre det mulig for tusenvis av pasienter å kontrollere rullestoler, datamaskinmarkører eller til og med sine egne lemmer. Forskere jobber med å utvikle ultratynne elektroder, lage versjoner som er mer kompatible med menneskekroppen, eller lage ark med fleksibel elektronikk som kan vikle rundt toppen av hjernen.
Nye medisinske apparater må være trygge, nyttige og økonomisk levedyktige - krav som hjernemaskin-grensesnitt for øyeblikket ikke oppfyller. Det er foreløpig ikke klart nøyaktig hvilken form et potensielt produkt skal ha. Det høynivåproduktet de fleste forskere har i tankene, er en teknologi som vil gjøre livet lettere for quadriplegics. Men det er bare rundt 40.000 pasienter i USA med fullstendig quadriplegia, og færre med avansert ALS. Men noen tror teknologien kan ha bredere anvendelser, for eksempel å hjelpe til med å rehabilitere pasienter med hjerneslag. Og noen opptaksteknologier kan være nyttige for å forstå psykiatriske sykdommer, som depresjon eller tvangslidelse.
Det er mulig at forbedring av hjernedatamaskingrensesnitt ikke vil innebære å forbedre ikke bare teknologien, men hjernen til menneskene som bruker den. I september fant en studie utført av forskere ved University of Minnesota at folk som praktiserer yoga og meditasjon på lang sikt, kan lære å kontrollere en datamaskin med hodet raskere og mer effektivt enn personer med liten eller ingen yoga- eller meditasjonserfaring. Som Science Daily rapporterte på den tiden, involverte studien 36 deltakere: 24 som hadde lite eller ingen yoga eller meditasjonsopplevelse , og 12 som hadde minst ett års erfaring med å praktisere yoga eller meditasjon minst to ganger per uke i en time.
gjorde peyton manning friidrett
Begge gruppene av deltakere var nye for systemer som bruker hjernen til å kontrollere en datamaskin, og begge deltok i tre to-timers eksperimenter der de hadde på seg en ”høyteknologisk, ikke-invasiv” hette som plukket opp hjerneaktivitet. De ble bedt om å flytte en datamaskinpeker over en skjerm ved å forestille seg venstre- eller høyrebevegelser. Forskerne fant at deltakerne med yoga eller meditasjonserfaring var dobbelt så sannsynlig å være i stand til å fullføre hjernedatamaskingrensesnittoppgaven ved slutten av 30 studier, og lærte tre ganger raskere enn sine kolleger for eksperimenter med venstre-høyre markørbevegelse .
Den ledende forskeren på studien var Bin He, en professor i biomedisinsk ingeniør ved University of Minnesota's College of Science and Engineering og direktør for University's Institute for Engineering in Medicine, som vekket internasjonal oppmerksomhet i 2013, da medlemmer av hans forskerteam var i stand til å kontrollere en flygende robot med hodet. Imidlertid fant de ut at ikke alle like lett kan lære å kontrollere en datamaskin med hjernen deres, og mange lyktes ikke etter enda flere forsøk.
Det neste trinnet for Han og hans forskerteam er å studere en gruppe deltakere over tid som praktiserer yoga eller meditasjon for første gang, for å se om deres evne til å kontrollere hjerne-datamaskingrensesnittet forbedres. 'Vårt endelige mål er å hjelpe mennesker som er lammet eller har hjernesykdommer med å få tilbake mobilitet og uavhengighet,' sa han. 'Vi må se på alle muligheter for å forbedre antallet mennesker som kan dra nytte av forskningen vår.'
Mer fra Tech Cheat Sheet:
- Denne nye typen billig dataplan kan skade netto nøytralitet
- Hvem bygger Apples elektriske bil?
- 43 Toppledere som brakte teknologien til moderne tid