Hjernen-computer grænsefladens fremtid: udfordringer og spændende fremskridt

Uanset om det er at stikke ind i Matrix eller blive en Na’avi i Avatar, caAt forbinde hjerner med computere er en science fiction-trope, som jeg aldrig troede, jeg ville se blive til virkelighed. Men i stigende grad er BCI’er (hjerne-computer-grænseflader) blevet et seriøst studieområde i forskningslaboratorier, der hurtigt udvikler sig fra forskningslaboratorier til rigtige menneskelige forsøg – måske mest berømt af Elon Musks firma Neuralink.

Selvom dette lover personer med handicap en større grad af frihed og kontrol, sammen med potentielle anvendelser inden for spil og sundhedspleje, er der stadig betydelige tekniske, etiske og regulatoriske udfordringer. Men jo mere jeg gravede ned i emnet, jo mere fandt jeg ledere og forskere, der tog anledning til at lede os ansvarligt ind i fremtiden for denne banebrydende teknologi.

Hvad er en hjerne-computer grænseflade?

Lad os starte fra begyndelsen. I en sætning er BCI’er enheder, der bygger bro mellem din hjernes analoge elektriske signaler og eksterne digitale maskiner.

“Omgå de konventionelle kommunikationskanaler til forskellige opgaver (f.eks. syn, bevægelse og tale), forbinder BCI hjernens elektriske aktivitet og den ydre verden for at øge menneskets evner til at interagere med det fysiske miljø,” en undersøgelse fra 2024 fra tidsskriftet Hjerne informere læser. “BCI leverer en ikke-muskulær kommunikationskanal og letter optagelse, manipulation, analyse og oversættelse af hjernesignaler for at kontrollere eksterne enheder eller applikationer.”

Den tidlige BCI-udvikling begyndte faktisk tilbage i 1920’erne med fremkomsten af ​​elektroencefalogrammet (EEG), en test, der bruger elektroder til at forstærke og derefter måle elektrisk aktivitet i hjernen. Imidlertid udviklede moderne BCI’er sig i 1970’erne gennem UCLA’s arbejde Dr. Jacques Vidalmed finansiering fra National Science Foundation og DARPA. Han var den første forsker, der også opfandt udtrykket “hjerne-computer-interface”.

I løbet af det sidste halve århundrede har BCI’er fundet klinisk anvendelse i en række forskellige applikationer, lige fra kortlægning af hjernens indre funktion til forøgelse af menneskelig erkendelse og motorik. BCI’er bliver endda brugt til at genoprette fysisk mobilitet hos patienter, der lider af skader og sygdom, såsom ALS eller hjernestammeslagtilfælde, eller folk, der er “låst inde” – kognitivt intakte, men uden brugbar muskelfunktion.

Potentialet er utroligt spændende, men som du sikkert kan forestille dig, er der nogle tilsyneladende uoverstigelige udfordringer, som forskerne af denne teknologi står overfor frontalt.

Ikke-invasive BCI’er

Du kan antage, at alle moderne hjerne-computer-grænseflader involverer hjernekirurgi, men teknologien kommer faktisk i mange former, afhængigt af hvor tæt på brugerens grå substans enheden er placeret. Der er helt ikke-invasive typer, som vi alle er bekendt med, såsom EEG’er og MR’er, som blot overvåger og registrerer hjerneaktivitet. Så er der, hvad der er klassificeret som “delvist invasivt” endovaskulær EEGsom bruger et kateter til at levere elektroder ind i hjernen uden at kræve åben hjernekirurgi.

Ikke-invasive BCI’er opfanger hjernens elektriske impulser gennem patientens kranium og hovedbund og overfører dem direkte til den eksterne enhed. Selvom dette lyder tiltalende, fordi det ikke kræver hjernekirurgi, er teknologien fyldt med udfordringer.

Et af de største problemer med eksternt bårne BCI’er er for eksempel deres lave signal-til-støj-forhold. Det betyder, at de elektriske impulser, der opfanges, ofte forvirres med interferens fra kraniet og hovedbunden, hvilket gør det vanskeligt nøjagtigt at afkode hjernesignaler. Afkodning af disse signaler kompliceres yderligere af hjernens indviklede neurale mønstre, som kræver sofistikerede algoritmer og betydelige beregningsressourcer for at fortolke pålideligt.

Jeg talte med Dr. Jane Huggins direktør for University of Michigan Direct Brain Interface Laboratoryfor yderligere at forstå de udfordringer, der præsenteres i BCI’er set i dag.

“Lad os lave en liste over de ting, der påvirker din hjerneaktivitet … ja, lad os måske lave en liste over de ting, der ikke gør, fordi det bliver en kortere liste,” sagde Huggins. “Alt fra det, patienten ser i øjeblikket, til mængden af ​​lys i rummet til det, de lige har spist til frokost, til deres følelsesmæssige tilstand, kan alt sammen påvirke amplituden af ​​signalerne og kompleksiteten af, hvad der foregår. Det er svært at udvælge de stykker, du har brug for.”

I mellemtiden, hvad angår komfort og brugervenlighed, kan ikke-invasive BCI’er være ubehagelige at have på i længere perioder på grund af omfangsrige elektroder og headset.

Det er grunden til, at ideen om invasive hjerneimplantater er blevet fremtiden for, hvor denne teknologi er på vej hen, en fremtid, der kom ind i nutiden i 2024 som aldrig før.

Direkte adgang til hjernen

Implanterbare BCI’er tager impulserne direkte fra hjernestoffet, chippen sidder på, og omsætter dem til kommandoer. Det videresender derefter disse kommandosignaler trådløst til en ekstern enhed, som udfører dem.

Dr. Huggins hævder, at selvom nogle mennesker altid vil være urolige over ideen om at implantere en enhed i din hjerne, er det i det lange løb den mest bekvemme mulighed.

“Folk har en tendens til at henvise til implanterede BCI’er som ‘invasive’,” fortalte hun mig. “Der er bestemt kirurgi involveret, hvis du implanterer en BCI, og det kan være en ganske dramatisk operation.” På den anden side sammenligner Huggins det med sin egen kunstige hofteoperation, hun modtog for et par år siden. Invasiv kirurgi? Ja. Men i hverdagen kan de blive glemt helt.

For det første kræver implanterede BCI’er ikke den 10- til 20-minutters opsætning, der er nødvendig for at betjene dem dagligt. De kræver heller ikke opladning og rengøring, som eksterne BCI’er gør. Huggins hævdede, at fremtidige BCI-enheder kunne tilbyde fordelene fra både eksternt slidte og implanterede BCI’er, svarende til hvordan nutidens cochlearimplantater fungerer.

“Hvis du kunne implantere disse EEG-elektroder under hovedbunden, ville du ikke skulle tage dem på og tage dem af hver dag, og de ville være usynlige.”

Desuden har det grundlæggende i teknologien eksisteret længere, end du måske antager. Det er årtier siden, de første neuroproteser blev installeret hos mennesker, og feltet fortsætter med at udvide sig i et hurtigt tempo.

Det fører os til, hvor vi er i dag, med de første patienter, der modtager disse implanterede chips. Efter en seks-årig undersøgelse og opnåelse af FDA-godkendelse i 2024, lancerede Neuralink sit kliniske forsøg med sin første implanterbare chip og afsluttede operationen i januar 2024 på sin første patient.

På blot et par måneder havde Neuralink postet en opdatering, der viste patienten styre en bærbar computer for kun at spille online med sin hjerne, som han sammenlignede med at “bruge kraften på markøren.”

Nu har Neuralinks BCI-forsøg fundet en anden patientmens den første er gået fra at spille skak at spille Civilisation VI.

Neuralink får al opmærksomheden på grund af sin højprofilerede grundlægger, men det er langt fra alene. Brooklyn New Yorks Synchron, som udvikler en enhed, der sikkert kan implanteres i hjernens blodkar, begyndte sin seks patienter klinisk forsøg sidste år. BrainGate, en forskningskadre sammenlagt fra universiteter i hele USA, implanterede verdens første trådløse BCI med høj båndbredde i 2024. Blackrock Neurotechpå den anden side, har hovedkvarter i Salt Lake City, Utah, og har kørt menneskelige forsøg med sin Utah-array BCI i mere end to årtier med nul FDA-rapporterede “alvorlige bivirkninger” i den tid.

I disse applikationer gør enhederne brugere i stand til effektivt at omgå beskadigede og ikke-reagerende lemmer for at styre eksterne enheder direkte med deres tanker og udføre aktiviteter uden at være afhængige af raske menneskervæsentligt at forbedre kvaliteten af ​​deres liv. Teknologien har allerede revolutioneret en række forskningsfelter, herunder underholdning og spil, industriel automation, undervisningog neuromarketing.

Fortsatte udfordringer

Mens implanterede BCI’er føles som fremtiden for feltet, men de kommer bestemt med deres egne udfordringer. For eksempel, selv med implanterede BCI’er, som giver en højere signalkvalitet, forbliver langsigtet stabilitet et problem. Disse enheder kan nedbrydes over tid på grund af biologiske vævsreaktioner eller mekaniske fejl, hvilket begrænser deres anvendelighed og levetid til kontinuerlige applikationer.

Den implanterede BCI overvinder heller ikke forhindringen med al den nødvendige træning og kalibrering, hvilket udgør en betydelig udfordring for BCI-teknologien. Brugere har ofte brug for omfattende praksis for at opnå effektiv kontrol over disse enheder, hvilket gør processen både tidskrævende og nogle gange frustrerende, som Dr. Huggins forklarede.

Neuralink har en app under udvikling for at hjælpe med denne proces, der hjælper patienter med at træne deres sind til bedre at kontrollere digitale enheder, som allerede er blevet testet med aber.

Ud over bekvemmelighed og omkostninger udgør teknologiens etiske og privatlivsmæssige konsekvenser betydelige udfordringer for BCI’s videre udvikling. De data, der genereres af BCI’er – vores følelser, hensigter og tanker – er iboende personlige og øger risikoen for, at sådanne data kan blive utilsigtet indsamlet og misbrugt.

BCI’s vedtagelse skaber også problemer med autonomi, samtykke og tilgængelighed. Hvad skal forhindre nogen i at blive tvunget til at bruge en BCI mod deres vilje eller uden fuldt ud at forstå dens konsekvenser?

“Jeg kan ikke komme i tanke om noget mere skræmmende end at få nogen til at beslutte for dig, at du vil have en implanteret BCI og give den til dig,” sagde Huggins. “Og du kan ikke stille nogen spørgsmål om, hvad der foregår, eller give udtryk for din mening.”

Det samme gælder for at udnytte AI og maskinlæringssystemer til at hjælpe BCI-patienter. ”Vi kan kombinere meget af det [functions of] kunstig intelligens og BCI’er, men det begynder at rejse den samme slags spørgsmål, som du støder på med enhver form for deling og kontrol: Hvem bestemmer? Hvad vil der blive sagt?”

“Og det kommer tilbage til de etiske spørgsmål, vi talte om tidligere om selvbestemmelse. Hvis du har nogen, hvis evner forringes [such as ALS patients]er der en balance? Vil den balance ændre sig over tid? Eller vil jeg bare give op og begynde at lade AI autofuldføre mine sætninger?”

Det er alvorlige bekymringer for fremtiden, selvom vi stadig er langt væk fra virkelig at skulle se dem i øjnene.

“Jeg er kun i stand til at opfange det med, du ved, 90 % nøjagtighed, måske 95 % nøjagtighed på en god dag. På en dårlig dag, ja, du kan gå så lavt så lavt som muligt på en dårlig dag. Men det er en, der aktivt frivilligt forsøger at kommunikere et budskab.”

Huggins gør opmærksom på at dæmpe en af ​​de største udfordringer for fremtiden for BCI: frygt og misforståelser.

“Det skræmmer mange mennesker,” indrømmede Huggins. »Jeg fik engang nogen til at spørge mig, om regeringen kunne læse deres tanker fra satellitter. Og jeg tænkte: ‘Jamen, du ved, jeg har problemer med at få det rigtige svar, når jeg har nogen siddende i mit laboratorium, som lader mig tage dette headset på og aktivt forsøger at være opmærksom på en tast på tastaturet. Du skal ikke bekymre dig om, at folk læser dine tanker fra satellitter.”

Ser frem til en lysere BCI fremtid

BCI-forskere står bestemt over for betydelige udfordringer med at bringe denne revolutionerende teknologi til den brede offentlighed, måske ikke mere end at håndtere forventningerne. Huggins bemærker, at hendes kolleger, der arbejder med implanterede forskningsundersøgelser, gennemgår en meget streng proces for at sikre, at deltagerne i disse undersøgelser forstår, hvad planen er, samt en realistisk forståelse af fordelene og risiciene.

De samme høfligheder udbredes sjældent til den brede offentlighed, som bliver bombarderet med fantastiske løfter om telepatisk kommunikationperfekt hukommelse og genkaldelse, og endda en sammensmeltning af menneskelige og robotiske sind.

Med hensyn til, hvor BCI er på vej hen i vores liv, indrømmede Huggins, at en nedsættelse af forventningerne ville være nødvendig for virkelig at se fremskridtene.

“Jeg tror, ​​der vil være ting tilgængelige, jeg tror bare ikke, det vil leve op til al hypen. Det vil ændre forventningerne. Man skal have forventninger, der er realistiske, og forstå, at dette er ny teknologi. Vi er stadig ved at lære, hvordan det virker, hvorfor det virker, hvornår det virker, hvornår det ikke virker, hvilken slags støtte det har brug for, og hvor mange steder der vil være i stand til at levere det.”

Så nej, vi vil sandsynligvis ikke opleve “Whoa, I know Kung Fu”-øjeblikke inden for en overskuelig fremtid. Men dermed ikke sagt, at den næste generation ikke vil. Vi har måske en lang vej at gå, men grundlaget for disse fremtidige oplevelser bygges i dag – og det er grund til at være spændt.