Marzenie Elona Muska

Utworzono: środa, 23 wrzesień 2020 Anna Leszkowska Drukuj E-mail


W końcu sierpnia (28.08.20) Elon Musk, amerykański przedsiębiorca i filantrop, wizjoner, na konferencji prasowej przedstawił prototyp urządzenia cyfrowego wszczepionego do mózgu świni. Ten interfejs mózg – komputer, który zdaniem Muska można będzie w bliskiej przyszłości wszczepiać także ludziom, mógłby pomagać w przywracaniu sprawności narządowej ludziom sparaliżowanym, tym, którzy utracili wzrok, słuch, czy cierpią na depresję i bezsenność. Urządzenie to mogłoby także podnieść inteligencję ludzi i w ten sposób zapobiec możliwej dominacji sztucznej inteligencji nad człowiekiem.
Czy to jest możliwe? Jakie są dziś ograniczenia w konstruowaniu takich urządzeń od strony technologii, a zwłaszcza naszej wiedzy o mózgu? Jakie problemy naukowe trzeba rozwiązać, aby to marzenie Elona Muska się spełniło?
Redakcja Spraw Nauki poprosiła o komentarz w tej sprawie troje naukowców: prof. Małgorzatę Kossut – neurolożkę z Instytutu Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego PAN, prof. Andrzeja Wróbla – neurofizjologa i fizykobiologa z Instytutu Filozofii Uniwersytetu Warszawskiego i Instytutu Biologii Doświadczalnej PAN oraz prof. Piotra Durkę – fizyka i neuroinformatyka z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, prezesa firmy Brain Tech.
Poniżej przedstawiamy wypowiedzi naszych gości.

 

A. Wrobel 1Prof. Andrzej Wróbel: Kolejna przygoda Muska – interfejs mózg-komputer?

Pod koniec sierpnia wiele mediów „rozgrzała” wiadomość o ostatnim dokonaniu Elona Muska – bezprzewodowym połączenia komputera z mózgiem świni. Poproszony przez Sprawy Nauki o komentarz opiszę najpierw co rzeczywiście pokazano na konferencji prasowej w Instytucie Muska – Neuralink*.

Obecni na konferencji pracownicy Instytutu (reprezentacja ok. 100-osobowej załogi) oraz sam Elon Musk, po zademonstrowaniu czynności elektrycznej rejestrowanej z kilkudziesięciu elektrod zaimplantowanych w korze mózgu świnki biegającej w kojcu na sali konferencyjnej, skupili się na opisie potencjalnych możliwości wykorzystania tej informacji do zrozumienia aktywności mózgu i zwrotnego nią sterowania. Przywrócenie wzroku niewidomym, możliwości uruchomienia sparaliżowanych kończyn, kontrola bólu czy rozwiązanie zagadki świadomości – to są cele, do których dążą zespoły w laboratoriach neurobiologicznych na całym świecie i, na razie, są bliższe ich rozwiązania niż Neuralink, w którym fizjologów mózgu jest niewielu (w trakcie konferencji Musk zapraszał gorąco potencjalnych współpracowników z zakresu neuroinżynierii, elektroniki i informatyki słowami „nie musicie się koniecznie znać na funkcjonowaniu mózgu”).
Trzeba przyznać, że postępy Neuralink w zakresie konstrukcji wieloelektrodowego chipa do rejestracji i stymulacji aktywności elektrycznej kory mózgu są znakomite. Wyprodukowane w ostatnim roku urządzenie nie potrzebuje już przewodów łączących elektrody ze wzmacniaczem i zasilaczem, i ma wielkość monety (o średnicy 24 mm) łatwo implantowanej w czaszce dużego ssaka. Zwiększono również do ponad tysiąca liczbę elektrod, które implantuje bezkrwawo specjalnie skonstruowany robot.
Takie osiągnięcia nie są typowo dostępne laboratoriom naukowym, gdzie dobrym standardem są 100-elektrodowe „szczotki” wbijane pneumatycznie w ustaloną okolicę kory mózgu, albo elektrody rejestrujące na 25 głębokościach, w 32 miejscach kory.
Ograniczeniem obecnego rozwiązania Neuralink jest możliwość implantacji elektrod jedynie do kory mózgu, choć wiele dotychczasowych rozwiązań klinicznych wymaga, aby sięgały one do struktur podkorowych.
W odróżnieniu od wysokiej jakości technicznej nowego chipa, druga część nowego interfejsu mózg-komputer jest w powijakach. Co prawda, możliwość bezprzewodowej stymulacji (o zasięgu 5-10 m) za pomocą wszystkich zaimplantowanych elektrod jest również imponująca, ale analiza sygnałów rejestrowanych z kory w celu wybrania odpowiednich parametrów stymulacji, zmierzającej w efekcie do funkcjonalnej poprawy aktywności tkanki, nie została w ogóle poruszona.
Wiele pracy czeka jeszcze zespół Muska, aby zrozumieć rejestrowany kod neuronalny i zaprojektować odpowiednie, zwrotne pobudzanie tkanki biologicznej. Do tego nie wystarczy znajomość technologii, ale przede wszystkim poznanie mechanizmów kodowania informacji w mózgu i określenie sposobu jej modyfikacji z zewnątrz.
Miejmy nadzieję, że zapowiadany gwałtowny wzrost zatrudnienia w Neuralink obejmie również specjalistów – neurofizjologów.
Na konferencji Muska nie wspomniano o tym, że ambitne cele prezentowane przez członków załogi są od dawna realizowane w licznych światowych laboratoriach neurobiologicznych i klinikach. Implanty słuchowe stosowane są powszechnie od lat 70-tych ubiegłego wieku i choć rozmiarem większe od rozwiązania Neuralink „przywracają słuch” wielu niesłyszącym – również w Polsce, w Światowym Centrum Słuchu.
Badania na małpach pokazały, że implanty korowe mogą sterować sztucznymi kończynami u naczelnych. Prowadzi się również próby kliniczne dla uśmierzenia bólu przy pomocy stymulacji elektrycznej głębokich struktur mózgu.
Tylko sterowanie świadomością pozostaje niedostępne peregrynacjom naukowym – pewnie dlatego, że ciągle nie rozumiemy jak ona powstaje.

*(www.youtube.com/watch?time_continue=705&v=DVvmgjBL74w&feature=emb_title)

 

kossut 1Prof. Małgorzata Kossut: Odczytywanie mózgu i pisanie w mózgu - Neuralink Elona Muska

Dwudziestego ósmego sierpnia Elon Musk na pokazie połączonym z konferencją prasową zaprezentował stworzony przez swoją firmę Neuralink implant domózgowy. W implancie zamocowane są 1024 elektrody, które, wkłute w korę mózgową, mogą odbierać aktywność bioelektryczną jej neuronów .
Instalacja implantu to inwazyjny zabieg na otwartym mózgu - robi go robot skonstruowany w laboratoriach Muska. Robot wywierca w kości czaszki otwór wielkości mniej więcej pięćdziesięciogroszówki, rozcina oponę twardą mózgu i wprowadza w korę mózgową bardzo cienkie, mające 20 mikronów grubości (ludzki włos ma 100 mikronów grubości) pęczki elektrod. Następnie zaszywa oponę i wkleja głowicę implantu w powstały w czaszce otwór przy pomocy super glue.
W głowicy są procesory, które wstępnie analizują sygnały przesyłane z elektrod, dokonują ich kompresji i przesyłają drogą radiową (Bluetooth) do komputera (może być w smartfonie). Na implant naciąga się ponownie skórę z włosami, tak że jest praktycznie niewidoczny. Jego bateria wystarcza na 12 godzin pracy, w nocy ładuje się ją indukcyjnie.
Pomysł interfesjów mózg- komputer, przy pomocy których rejestruje się aktywność neuronów kory mózgowej i przetwarza ją na sygnał wysyłany do komputera, nie jest nowy. Przełomowe doświadczenia wykonał zespół Miguela Nicolelisa z Duke University w roku 2001. Polegały one na rejestracji wyładowań neuronów ze związanych z kontrolą ruchów obszarów kory mózgowej małpy, podczas kiedy zwierzę manipulowało joystickiem tak, aby ustawić kursor na ekranie komputera we właściwym miejscu.
Analiza ciągów wyładowań i skorelowanie ich z ruchami małpy pozwoliło na zrozumienie algorytmu aktywności neuronów dającą komendę do ruchu, czyli do skurczu odpowiedniego mięśnia. Wyizolowanie takich komend z zaszumionego zapisu aktywności wielu neuronów pozwoliło na przesyłanie ich do komputera bez konieczności fizycznego wykonywania ruchów przez małpę. Użyto ich też do sterowania ręką robota, to znaczy, że myślą małpy kontrolowano mechaniczny przyrząd.

Oczywiste zastosowanie takiej technologii to umożliwienie osobom sparaliżowanym wykonania prostych ruchów. Na przykład implant firmy Brain Gate pozwolił sparaliżowanej pacjentce na zbliżenie do ust pojemnika z wodą, naciśnięcie przycisku, odsunięcie przeszkadzających przedmiotów. Firma Blackrock Microsystems od kilku lat implantuje urządzenie o nazwie Utah Array, które jest matrycą sztywno ustawionych elektrod (nazywane jest też jeżem) na płytce połączonej z jednostką przetwarzającą sygnał, przymocowanej śrubkami do czaszki. Przykład jednego z zastosowań tego urządzenia to umożliwienie pacjentom chorym na stwardnienie zanikowe boczne (ALS) pisania myślą na komputerze. Tempo pisania dochodzi do 40 znaków na minutę.
Oprócz rejestracji sygnałów z neuronów, implant może także pobudzać neurony impulsami prądu przechodzącymi przez elektrody. Podczas swojego pokazu, Elon Musk pokazał jak pobudzenie zaimplantowanej elektrody aktywuje otaczającą ją grupę neuronów.

Elektrostymulacja wewnątrzczaszkowa jest szeroko stosowaną techniką, implanty ślimakowe ma ponad 400 000 osób na świecie a ponad 150 000 ma wprowadzone elektrody do głębokich struktur mózgu w celu łagodzenia objawów choroby Parkinsona; robione są próby stymulacji kory mózgowej w terapii zaburzenia obsesyjno-kompulsywnego.
Na razie robot Muska potrafi wprowadzać implanty tylko do kory mózgowej, nie do struktur położonych głęboko w mózgu. Musk planuje poprzez stymulacje neuronów kory przeciwdziałać utracie pamięci, słuchu i wzroku, a także leczyć depresję, bezsenność, uzależnienia, silne bóle, padaczkę, stany lękowe i naprawiać mózg po udarze. To niezwykle ambitne plany, a może raczej marzenia.
Na razie Musk na pokazie zaprezentował trzy świnki. Zachowaniem nie różniły się od siebie, mimo, że jedna była nieoperowaną kontrolną świnką, druga miał implant wszczepiony i po dwóch miesiącach usunięty, a trzecia miała implant aktywny. To miało pokazać, że implanty można wkładać i wyjmować bez szkody dla mózgu. Jak twierdzi Musk, to dowodzi, że będzie można robić update - wymieniać implant 1.0 na 2.0 i tak dalej.

Podczas pokazu obserwowano wyładowania neuronów kory czuciowej świnki powstające przy ruchach ryja, kiedy świnka szukała nim pokarmu. Widać było sygnały z kilkuset elektrod, pojawiające sie w tym samym momencie. Pokazano też zapisy z innych doświadczeń, w których świnka chodziła po bieżni, a z aktywności grup neuronów można było przewidzieć, w którym stawie jej nóg następuje zgięcie.
Takie „czytanie mózgu" efektownie wygląda, ale zadanie było tu bardzo prościutkie. Reprezentacja ruchu i dotyku w korze mózgowej jest bardzo dobrze wymapowana, wiadomo w którym miejscu dochodzą impulsy z receptorów czuciowych z nosa, a w którym z nogi.

Umieszczenie elektrod implantu tak, żeby odczytać pamięć w ludzkim mózgu, to zupełnie inna historia. Obwody nerwowe stanowiące ślad pamięciowy łączą wiele ośrodków mózgu i informacja o pojedynczych wyładowaniach w neuronach nie pozwoli na odczytanie śladu, na dotarcie do zawartości pamięci. Jeden milimetr sześcienny kory mózgowej to 30 - 40 tysięcy neuronów. Osiemdziesiąt procent z nich to neurony pobudzeniowe, dwadzieścia procent to neurony hamujące. Odczytanie czyichś wspomnień z losowego próbkowania aktywności w takiej grupie neuronów nie wydaje sie prawdopodobne.
Aktywność neuronów w jednym obszarze kory mózgowej zmienia się znacznie pod wpływem aktywności w innych obszarach, wywołanej na przykład ruchem, zmianą nastroju, inną aktywnością mentalną, uwagą, sygnałami ze struktur leżących pod korą itp.
Zbyt dużo niekontrolowanych zmiennych uniemożliwia zastosowanie stałego algorytmu a sztuczna inteligencja może nie mieć wystarczająco dużo powtarzalnych danych do skutecznego odczytywania myśli. Dlatego zapowiadana przez Muska fuzja odczytanej dzięki implantowi zawartości pamięci ze sztuczną inteligencją w smartfonie to science fiction.

Bardziej prawdopodobne może być „pisanie w mózgu", czyli zastosowanie elektrycznego pobudzenia neuronów, aby zapamiętywanie było lepsze. Oczywiście najważniejsze przy tym jest wybranie miejsca do stymulacji.
Amerykańska agencja wojskowa DARPA prowadzi ogromny program badawczy, który ma na celu znalezienie sposobu na usprawnienie pamięci żołnierzy, którzy w akcjach bojowych odnieśli uszkodzenia mózgu. To badanie prowadzone jest na pacjentach, którzy mają otworzoną czaszkę w celu wycięcia nowotworu lub usunięcia ogniska padaczkowego. Przy okazji takich operacji pobudzano słabymi prądami okolice mózgu, o których było wiadomo, że są związane z zapamiętywaniem. W większości przypadków stymulacje nie przynosiły spodziewanego efektu, znaleziono zaledwie dwa miejsca, w których u części pacjentów nastąpiła poprawa identyfikacji oglądanej wcześniej sceny. Co więcej, taki wynik otrzymano po zaledwie 75 minutach od momentu zapamiętywania bodźca, podczas gdy ambitnym celem tego programu DARPA jest polepszenie pamięci na przynajmniej dwa tygodnie.

Inaczej mówiąc, zadanie jest bardzo trudne, ale nie niemożliwe. Trzeba się jednak zastanowić, czy nie da się podobnego polepszenia pamięci osiągnąć przy pomocy nieinwazyjnej, przezczaszkowej stymulacji prądowej. Ostatnie doniesienia o działaniu na zapamiętywanie przezczaszkowej stymulacji prądem zmiennym są bardzo obiecujące. Każdy by chyba wolał nie mieć dziury w czaszce. Zabieg implantacji, nawet robiony wspaniałym robotem Muska, jest obarczony ryzykiem. Wstrząsy głowy mogą powodować mikroruchy i przemieszczanie się elektrod w korze mózgowej oraz niespodziewane uszkodzenia naczynia krwionośnego, a sam implant może wywoływać stan zapalny. Komórki gleju mogą obrastać elektrody i w ten sposób je unieczynniać. Takie przypadki zdarzały sie przy stosowanych u ludzi implantach.

Wśród wielu ambitnych celów, do których Neuralink dąży jest terapia uzależnień, bezsenności i stanów lękowych poprzez stymulację elektrodami implantu. Nie ma dotąd wystarczającej wiedzy neurobiologicznej, na której można by taką terapię oprzeć. Do tego robot nie potrafi jeszcze umieszczać implantów w strukturach podkorowych, a wydaje się, że taka lokalizacja byłaby do tych celów potrzebna.
W firmie Neuralink nad projektem pracuje 100 osób. Stworzony przez nich implant to wspaniały wyczyn inżynierski. Być może dopracują potrzebne technologie - udoskonalą izolację elektrod, pokrycie ich materiałem biokompatybilnym, tak żeby tkanka nie uznała ich za obce ciało, stworzą robota do implantacji w głębokich strukturach mózgu. Będziemy mogli, po naciśnięciu apki w smartfonie, naprawdę na długo zapamiętać twarz i nazwisko naszego rozmówcy. A wraz z postępami neuronauki, gdy przyjdzie wiedza, której na razie brakuje do zrealizowania tego projektu, będziemy wymieniać nasz implant na nowszy model.

Durka 2Prof. Piotr Durka: Interfejs mózg-komputer, Neuralink, science fiction i rzeczywistość

Po raz kolejny zostałem wywołany do tablicy, aby skomentować ostatnio nagłaśniane dokonanie Elona Muska — tym razem pytanie Redakcji Spraw Nauki dotyczy połączenia komputera z mózgiem świni oraz obietnic konstruktora, co dzięki temu można będzie osiągnąć w przypadku człowieka? Na ile to rozwiązanie jest przełomowe i co w rzeczywistości oznacza ta informacja? Musk obiecuje możliwości naprawy np. utraty słuchu, węchu, itd. To marzenia, czy możliwe do zrobienia przy pomocy takiego chipa, skoro wiemy że przyczyny niepełnosprawności są bardzo różne?

Odpowiedź na te pytania wymaga niestety konkretnego wprowadzenia, gdyż mamy tu do czynienia nie tylko z najbardziej zaawansowaną technologią, ale też z największymi zagadkami współczesnej nauki związanymi z fenomenem świadomości i działaniem mózgu.
Zacząć należy od wyjaśnienia pojęcia „interfejs mózg-komputer” (ang. Brain-Computer Interface, BCI). Jest to realizacja jednego z odwiecznych marzeń ludzkości, aby wpływać na rzeczywistość fizyczną samymi tylko myślami, bez pośrednictwa mięśni. Jak magowie w baśniach fantasy i powieściach science fiction. W ostatnich dziesięcioleciach idea przeszła z literatury do laboratoriów naukowych, ale w trochę innej formie. I właśnie to „trochę” musimy dokładnie wyjaśnić.

Siedliskiem myśli jest mózg, którego aktywność potrafimy śledzić na wiele sposobów. Na przykład funkcjonalny jądrowy rezonans magnetyczny (fMRI) pokazuje, w których rejonach mózgu występuję wzmożone zapotrzebowanie na energię — w konsekwencji intensywnego przetwarzania informacji. Odbywa się ono głównie drogą przekazywania impulsów elektrycznych między miliardami neuronów. Ich ślady możemy mierzyć w postaci prądów na powierzchni głowy (elektroencefalogram, EEG), pól elektromagnetycznych nad czaszką (magnetoencefalogram, MEG) czy wreszcie pomiaru potencjałów bezpośrednio z powierzchni kory mózgowej lub głębszych struktur mózgowych (elektrokortykogram, ECoG). Ta ostatnia technika wymaga oczywiście operacji otwarcia czaszki i wszczepienia elektrod, i to właśnie usprawnia Neuralink.

Niestety, od odczytu potencjałów mózgowych — czy to z powierzchni głowy czy z jej wnętrza — do odczytu myśli, jest jeszcze bardzo daleko. Być może tak daleko, jak do ,,granic Wszechświata”. Problem jest podobny do sytuacji, w której mierząc pole elektryczne komputera czy nawet procesora chcemy odgadnąć, jakie dokładnie obliczenia procesor wykonuje. Można badać wzorce zmian takiego pola, zapewne różne przy odtwarzaniu filmów i obliczeniach naukowych, ale już treści filmu raczej nie odgadniemy. Ale możemy próbować. Jeśli zapiszemy takie pola z wystarczająco dużej liczby doświadczeń, to zauważymy zapewne różnice w odtwarzaniu filmów akcji i statycznych wywiadów. Podobnie z mózgiem — inaczej wygląda pole elektryczne gdy śpi, relaksuje się lub intensywnie pracuje.

Są jeszcze inne podobne spostrzeżenia, na przykład widoczna w zapisach aktywności elektrycznej silna reakcja na bodźce, na których koncentrujemy uwagę. Widać ją najwcześniej po kilku powtórzeniach takiego bodźca, ale możemy w ten sposób odróżnić bodźce, na które badany (mózg) zwraca uwagę od tych, które takiej reakcji nie wywołują. Jest to tzw. uwagowy potencjał wywołany, który można wykorzystać w BCI: pokazujemy na przemian różne bodźce i odczytujemy z potencjałów, na który bodziec badany zwracał uwagę. Taka koncentracja na bodźcu może być automatyczna (to wykorzystują detektory kłamstw) lub świadoma. W tym drugim przypadku wybieramy jeden z bodźców, bez użycia mięśni, tylko za pomocą świadomie kontrolowanej czynności mózgu. Czyli mamy do czynienia z przekazem informacji bez pośrednictwa mięśni, prosto z mózgu.

Jak widać, nie jest to „czytanie w myślach”. Mniej więcej w ten sposób działają współczesne BCI, oparte o odczyt świadomie generowanych intencji czy świadomą koncentrację uwagi na wybranych symbolach. Do ich odczytu najczęściej korzystamy z sygnału EEG — w warunkach laboratoryjnych teoretycznie osiągamy nawet ponad 100 bitów na minutę, w praktyce nie należy liczyć na więcej niż kilka liter na minutę. Dokładniejszy, ale wciąż popularnonaukowy, opis działania współczesnych interfejsów mózg-komputer można znaleźć na stronie https://braintech.pl/bci

Jak widać, głównym wyzwaniem jest odkodowanie ukrytej w zapisach czynności elektrycznej mózgu informacji. Sam sposób jej rejestracji nie jest, delikatnie mówiąc, nowy. Rejestracje z powierzchni kory mózgowej zwierząt wykonywano już pod koniec XIX wieku — na tym polu jednymi z pionierów byli polscy naukowcy Adolf Beck i Napoleon Nikodem Cybulski. Pierwsze rejestracje z powierzchni głowy człowieka wykonał niemiecki psychiatra Hans Berger w roku 1924. Konkretny rozwój BCI to koniec XX wieku, pierwszy w Polsce publiczny pokaz działania interfejsu mózg-komputer odbył się na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego w roku 2008. BCI oparte o EEG — zarówno sprzęt do rejestracji, jak i oprogramowanie do interpretacji fal mózgowych — rozwija w Polsce firma BrainTech.

I teraz dopiero możemy wrócić do osiągnięć firmy Neuralink. To, co zaprezentowano, jest znaczącym usprawnieniem procesu rejestracji czynności mózgu, techniki znanej od końca XIX wieku, współcześnie stosowanej powszechnie w uzasadnionych klinicznie przypadkach, kiedy dokładny odczyt potencjałów z wnętrza czaszki jest konieczny, na przykład do przygotowania operacji padaczki. Prezentowany przez Neuralink robot chirurgiczny ma omijać naczynia krwionośne, cały układ ma być mniejszy od stosowanych aktualnie i zapewniać transmisję bezprzewodową, a więc po operacji nie trzeba wyprowadzać na zewnątrz kabli. Ale to tylko usprawnienia, choć znaczące.
Do kolejnego przełomu jakościowego potrzeba jeszcze dużo badań podstawowych w dziedzinie neuronauk, prowadzonych w laboratoriach na całym świecie. Najczęściej opieramy je o nieinwazyjny odczyt potencjałów z powierzchni głowy (EEG). Być może dzięki urządzeniom takim jak pokazane przez Neuralink, częściej będziemy korzystać z sygnałów odczytywanych z wnętrza czaszki, które zwykle bywają łatwiejsze do analizy i interpretacji niż EEG.

Przyszłość pokaże, która droga będzie sensowniejsza. Jedyne co można stwierdzić już dzisiaj, to pozytywny wpływ „mody na interfejsy mózg-komputer” na badania mózgu i neuronauki.

 

 

 

 

Odsłony: 192
DMC Firewall is developed by Dean Marshall Consultancy Ltd