Del 1: Den menneskelige koloss
Anden del: Hjernen
Del tre: Flyver over reden af neuroner
Del fire: neurocomputer-grænseflader
Del fem: Neuaralink-problemet
Del sjette: Age of Wizards 1
Del seks: Age of Wizards 2
Del syv: Den store fusion
Salgsfremmende video:
Flyver over reden af neuroner
Dette er Bock. Bock, tak og dit folk for at opfinde sprog.
For at takke dig vil vi vise dig alle de utrolige ting, som det lykkedes os at bygge takket være din opfindelse.
Okay, lad os sætte Bock på et fly og derefter ind i en ubåd og derefter trække ham til toppen af Burj Khalifa. Lad os nu vise ham et teleskop, et tv og en iPhone. Og lad ham sidde lidt på Internettet.
Det var sjovt. Hvordan har du det, Bock?
Ja, vi forstår, at du er ret overrasket. Lad os vise ham til dessert, hvordan vi kommunikerer med hinanden.
Bock ville være chokeret, hvis han fandt ud af, at på trods af alle de magiske evner, som folk har tilegnet sig som et resultat af dialoger med hinanden, takket være evnen til at tale, er processen med vores kommunikation ikke forskellig fra, hvad den var i hans tid. Når to mennesker er ved at tale, bruger de 50.000 år gammel teknologi.
Bock vil også blive overrasket over, at i en verden, hvor fantastiske maskiner fungerer, mennesker, der fik disse maskiner til at strejfe med de samme biologiske kroppe, som Bock og hans venner gik med. Hvordan er det muligt?
Dette er grunden til, at neurocomputer-grænseflader (BCI'er) - en delmængde af det bredere felt af neuralteknik, der i sig selv er en delmængde af bioteknologi - er så interessante. Vi har gentagne gange erobret verden med vores teknologier, men når det kommer til hjerner - vores vigtigste værktøj - giver teknologiens verden os intet.
Derfor fortsætter vi med at kommunikere ved hjælp af den teknologi, Bock opfandt. Derfor skriver jeg denne sætning 20 gange langsommere, end jeg tror, og derfor kræver hjerne-relaterede sygdomme stadig for mange liv.
Men 50.000 år efter den store opdagelse kan verden ændre sig. Den næste hjerne grænse vil være sig selv.
* * *
Der er mange forskellige muligheder for mulige hjerne-computer-grænseflader (undertiden kaldet hjerne-til-computer eller hjerne-til-maskine-grænseflader), der er nyttige til forskellige ting. Men alle, der arbejder på NQI, prøver at løse et, det andet eller begge disse spørgsmål:
1. Hvordan udtrækker jeg de nødvendige oplysninger fra hjernen?
2. Hvordan sender jeg de nødvendige oplysninger til hjernen?
Den første vedrører hjernens output - det vil sige optagelsen af, hvad neuronerne siger. Det andet vedrører introduktion af information i den naturlige strøm af hjernen eller ændring af denne naturlige strøm på en eller anden måde - det vil sige stimulerende neuroner.
Disse to processer foregår konstant i dit hoved. Lige nu udfører dine øjne et specifikt sæt vandrette bevægelser, der giver dig mulighed for at læse denne sætning. Det er neuronerne i hjernen, der sender information til maskinen (dine øjne), og maskinen modtager kommandoen og reagerer. Og når dine øjne bevæger sig på en bestemt måde, trænger fotoner fra skærmen ind i din nethinde og stimulerer neuroner i den occipitale lap i din cortex, så billedet af verden kan komme ind i din bevidsthed. Billedet stimulerer derefter neuroner i en anden del af din hjerne, som giver dig mulighed for at behandle informationen på billedet og give mening i sætningen.
Input og output af information er, hvad hjernens neuroner gør. Hele NCI-branchen ønsker at deltage i denne proces.
Først ser det ud til, at dette ikke er en så vanskelig opgave. Hjernen er trods alt bare en gelékugle. Og cortex - den del af hjernen, som vi vil føje til vores optagelse og stimulering - er bare et serviet, der er bekvemt placeret på ydersiden af hjernen, hvor det er let tilgængeligt. Inde i cortexen er 20 milliarder neuroner - 20 milliarder små transistorer, der kan give os en helt ny måde at kontrollere vores liv, sundhed og verden på, hvis vi lærer at arbejde med dem. Er det virkelig så svært at forstå dem? Neuroner er små, men vi ved, hvordan man deler et atom. Diameteren på en neuron er 100.000 gange størrelsen på et atom. Hvis et atom var en slikkepind, ville en neuron være kilometer på tværs - så vi skulle bestemt være i stand til at arbejde med sådanne mængder. Ret?
Hvad er problemet?
På den ene side er dette de rigtige tanker, fordi de fører til fremskridt i marken. Vi kan virkelig gøre det. Men så snart du begynder at forstå, hvad der virkelig foregår i hjernen, bliver det straks indlysende: dette er den sværeste opgave for en person.
Derfor skal vi omhyggeligt undersøge, hvad de mennesker, der opretter NCI'er, før vi taler om NCI'er selv. Det bedste er at forstørre hjernen 1000 gange og se, hvad der sker.
Husk vores sammenligning af hjernebarken med en serviet?
Hvis vi forstørrer barkserviet 1000 gange - og det var omkring 48 centimeter på hver side - bliver det nu to blokke langt på Manhattan. Det tager cirka 25 minutter at komme rundt i omkredsen. Og hele hjernen vil være på størrelse med Madison Square Garden.
Lad os lægge det ud i selve byen. Jeg er sikker på, at flere hundrede tusinde mennesker, der bor der, vil forstå os.
Jeg valgte 1000x forstørrelse af flere grunde. En af dem er, at vi alle øjeblikkeligt kan konvertere størrelser i vores hoved. Hver millimeter af den egentlige hjerne er blevet en meter. I en verden af neuroner, der er meget mindre, er hver mikron blevet en millimeter, der er let at forestille sig. For det andet bliver barken "menneskelig" i størrelse: 2 mm tykkelse er nu 2 meter - som en høj person.
Således kan vi gå op til 29th Street, til kanten af vores kæmpe serviet, og det er let at se, hvad der sker i dens to meter tykkelse. Lad os demonstrere, lad os trække en kubikmeter ud af vores kæmpe skorpe for at undersøge den, se hvad der sker i en typisk kubikmillimeter ægte bark.
Hvad ser vi i denne kubikmeter? Meshanin. Lad os rydde op og lægge det tilbage.
Lad os først placere somaerne - de små kroppe af alle neuroner, der lever i denne terning.
Somaer varierer i størrelse, men de neurovidenskabere, jeg talte med, siger, at neuroner i cortex ofte er 10-15 mikron i diameter (en mikron = mikron, 1/1000 millimeter). Det vil sige, hvis du sætter 7-10 af disse i en linje, vil denne linje være diameteren på en persons hår. På vores skala vil havkat være 1-1,5 centimeter i diameter. Slikkepind.
Volumenet af hele skorpen passer til 500.000 kubikmillimeter, og dette rum vil indeholde omkring 20 milliarder gange. Det vil sige, den gennemsnitlige kubikmillimeter af cortex indeholder ca. 40.000 neuroner. Det vil sige, vores kubikmeter indeholder ca. 40.000 slik. Hvis vi deler vores kasse i 40.000 terninger, hver med en 3 cm kant, vil hver af vores slik havkat være i midten af sin egen 3 cm terning, og alle andre havkat vil være 3 cm i alle retninger.
Er du her nu? Kan du forestille dig vores målerterning med 40.000 flydende slik?
Her er et mikroskopisk billede af en havkat i en ægte cortex; alt andet omkring hende er fjernet:
Okay, indtil videre ser det ikke så kompliceret ud. Men somaen er kun en lille brøkdel af hver neuron. Fra hver af vores slikkepinde strækker sig snoede, forgrenede dendriter, der på vores skala kan strække sig tre til fire meter i en lang række retninger, og i den anden ende kan der være et 100 meter langt axon (hvis det går til en anden del af cortex) eller en kilometer (hvis det går ind i rygmarven og kroppen). Hver enkelt er en millimeter tyk, og disse ledninger omdanner barken til tætvævet elektrisk vermicelli.
Og der foregår meget i denne vermicelli. Hver neuron har synaptiske forbindelser med 1.000 - nogle gange op til 10.000 - andre neuroner. Da der er omkring 20 milliarder neuroner i cortexen, betyder det, at der vil være mere end 20 billioner individuelle neurale forbindelser (og en quadrillion-forbindelse i hele hjernen). Vores kubikmeter vil have over 20 millioner synapser.
Med alt dette stammer ikke kun krattet af vermicelli fra hver 40.000 slik i vores terning, men tusinder af andre spaghetti passerer gennem vores terning fra andre dele af barken. Og det betyder, at hvis vi forsøgte at optage signaler eller stimulere neuroner specifikt i denne kubiske region, ville vi være meget vanskelige, for i spaghetti-virvaret ville det være svært at bestemme, hvilke tråde af spaghetti der hører til vores havkat slik (og Gud forbyder, denne pasta indeholder Purkinje-celler).
Og, selvfølgelig, glem ikke neuroplasticitet. Spændingen i hver neuron ændrer sig konstant hundreder af gange i sekundet. Og titusindvis af synaptiske forbindelser i vores terning vil konstant ændre størrelse, forsvinde og dukke op igen.
Men dette er kun begyndelsen.
Det viser sig, at gliaceller også findes i hjernen - celler, der findes i mange forskellige typer og udfører mange forskellige funktioner, såsom at skylle ud kemikalier, der frigives ved synapser, indpakning af axoner med myelin og betjening af hjernens immunsystem. Her er nogle af de mest almindelige typer gliaceller:
Og hvor mange gliaceller er der i cortex? Omtrent det samme antal som neuroner. Så tilføj 40.000 flere af disse ting til vores terning.
Endelig er der blodkar. Hver kubik millimeter cortex indeholder ca. en meter små blodkar. På vores skala betyder det, at der er en kilometer blodkar i vores kubikmeter. Sådan ser de ud:
Digression på Connectoma
Så vores målerkasse er pakket, fyldt med elektrificeret påfyldning af forskellig kompleksitet. Lad os nu huske, at vores kasse faktisk er en kubik millimeter i størrelse.
Neurocomputer-interface-ingeniører skal enten finde ud af, hvad den mikroskopiske havkat, der er begravet i denne millimeter, siger eller stimulere visse havkat til at gøre de rigtige ting. Held og lykke til dem.
Det ville være svært for os at gøre dette med vores 1000 gange forstørrede hjerne. Med en hjerne, der perfekt bliver til en serviet. Men i virkeligheden er han ikke sådan - dette serviet ligger oven på en hjerne fuld af folder (som på vores skala er 5 til 30 meter dybe). Faktisk er mindre end en tredjedel af servietbarken på overfladen af hjernen - det meste ligger i foldene.
Derudover er der ikke så meget materiale, som det er muligt at arbejde i laboratoriet med. Hjernen er dækket i mange lag, inklusive kraniet - som ved 1000x forstørrelse ville være 7 meter tyk. Og da de fleste mennesker ikke rigtig kan lide det, når deres kranium er åben for længe - og faktisk er dette en tvivlsom begivenhed - er du nødt til at arbejde med små hjerne-slikkepinde så omhyggeligt og delikat som muligt.
Og alt dette på trods af at du arbejder med barken - men mange interessante ideer om emnet NCI beskæftiger sig med strukturer, der er meget lavere, og hvis du står oven på vores byhjerne, vil de ligge i en dybde på 50-100 meter.
Forestil dig, hvor meget der foregår i vores terning - og dette er kun en 500.000. del af hjernebarken. Hvis vi brød hele vores gigantiske skorpe i lige store terninger og stillede dem op, ville de strække sig 500 kilometer - helt til Boston. Og hvis du beslutter dig for at tage en omvej, der tager mere end 100 timer, mens du går hurtigt, kan du til enhver tid stoppe og se på terningen, og al denne kompleksitet vil være inde i ham. Alt dette er nu i din hjerne.
Elon Musks Neuralink. Del 3: hvor glad du skal være, hvis du ikke er ligeglad med alt dette
Med venlig hilsen.
Tilbage til del 3: flyver over reden af neuroner
Hvordan vil forskere og ingeniører håndtere denne situation?
De prøver at få mest muligt ud af de værktøjer, de har i øjeblikket - de værktøjer, de bruger til at registrere eller stimulere neuroner. Lad os undersøge mulighederne.
NCI-værktøjer
Med det, der allerede er gjort, kan der skelnes mellem tre brede kriterier, ved hvilke fordele og ulemper ved et optageinstrument vurderes:
1) Skala - hvor mange neuroner der kan registreres.
2) Opløsning - hvor detaljeret informationen instrumentet modtager - rumlig (hvor tæt dine optagelser fortæller hvilke individuelle neuroner der skyder) og tidsmæssig (hvor godt kan du fortælle hvornår den aktivitet, du optager, finder sted).
3) Invasivitet - om operation er nødvendig, og i bekræftende fald hvor dyrt.
Det langsigtede mål er at samle cremen fra alle tre og spise. Men mens spørgsmålet uundgåeligt opstår, hvilket af disse kriterier (et eller to) kan du forsømme? Valget af dette eller det andet værktøj er ikke en forøgelse eller nedsættelse af kvaliteten, det er et kompromis.
Lad os se, hvilke værktøjer der i øjeblikket er i brug:
fMRI
- Skala: stor (viser information fra hele hjernen)
- Opløsning: lav til medium - rumlig, meget lav - tidsmæssig
- Invasivitet: ikke-invasiv
fMRI bruges oftere ikke i NCI, men som et klassisk optageværktøj - det giver dig information om, hvad der sker inde i hjernen.
fMRI bruger MR, en teknologi til magnetisk resonansbilleddannelse. Opfundet i 1970'erne var MR udviklingen af røntgen CT-scanning. I stedet for røntgenstråler bruger MR magnetfelter (sammen med radiobølger og andre signaler) til at skabe billeder af kroppen og hjernen. Sådan her:
Komplet sæt tværsnit, så du kan se hele hovedet.
En meget usædvanlig teknologi.
fMRI ("funktionel" MR) bruger MR-teknologi til at spore ændringer i blodgennemstrømningen. Hvorfor? Fordi når områder af hjernen bliver mere aktive, forbruger de mere energi, hvilket betyder, at de har brug for mere ilt - så blodgennemstrømningen stiger i dette område for at levere det ilt. Her er hvad en fMRI-scanning kan vise:
Selvfølgelig er der altid blod i hjernen - dette billede viser, hvor blodgennemstrømningen er steget (rød, orange, gul), og hvor den er faldet (blå). Og da fMRI kan scanne hele hjernen, er resultaterne tredimensionelle:
FMRI har mange medicinske anvendelser, såsom at informere læger om, hvorvidt visse områder af hjernen fungerer efter et slagtilfælde, og fMRI har lært neurovidenskabere meget om, hvilke områder af hjernen der er involveret i disse funktioner. Scanningen giver også vigtig information om, hvad der sker i hjernen på et bestemt tidspunkt, det er sikkert og ikke-invasivt.
Den store ulempe er opløsningen. fMRI-scanning har bogstavelig opløsning, ligesom en computerskærmspixel, men i stedet for to-dimensionel er dens opløsning repræsenteret af tredimensionelle kubiske volumetriske pixels - voxels (voxel).
FMRI voxels er blevet mindre, efterhånden som teknologien er forbedret, hvilket resulterer i øget rumlig opløsning. Voxels af moderne fMRI kan være så små som en kubik millimeter. Hjernevolumenet er ca. 1.200.000 mm3, så en fMRI-scanning med høj opløsning opdeler hjernen i en million små terninger. Problemet er, at dette i neural skala stadig er ret meget - hver voxel indeholder titusinder af neuroner. Så når det er bedst, viser fMRI den gennemsnitlige blodgennemstrømning trukket af hver gruppe på 40.000 neuroner eller deromkring.
Et endnu større problem er midlertidig løsning. fMRI overvåger blodgennemstrømningen, som er unøjagtig og halter bagefter i ca. et sekund - en evighed i neuronernes verden.
EEG
- Skala: høj
- Opløsning: meget lavt rumligt, mellemhøjt temporal
- Invasivitet: ikke-invasiv
Opfundet for næsten et århundrede siden placerer EEG (elektroencefalografi) mange elektroder på hovedet. Sådan her:
EEG er bestemt en teknologi, der vil se latterligt primitiv ud for mennesker i 2050, men i øjeblikket er det et af de få instrumenter, der kan bruges med en fuldstændig ikke-invasiv NCI. En EEG registrerer elektrisk aktivitet i forskellige områder af hjernen og viser resultaterne som følger:
EEG-diagrammer kan afsløre oplysninger om medicinske problemer såsom epilepsi, spore søvnmønstre eller bestemme anæstesidosisstatus.
I modsætning til fMRI har EEG en temmelig god tidsopløsning, der modtager elektriske signaler fra hjernen, som de ser ud - selvom kraniet fortynder tidsmæssig nøjagtighed betydeligt (knogle er en dårlig leder).
Den største ulempe er rumlig opløsning. EEG har det ikke. Hver elektrode registrerer kun gennemsnitsværdien - vektorsummen af ladninger fra millioner eller milliarder neuroner (sløret på grund af kraniet).
Forestil dig, at hjernen er et baseballstadion, dens neuroner er mennesker i en menneskemængde, og de oplysninger, vi ønsker at modtage, vil i stedet for elektrisk aktivitet være et derivat af stemmebåndene. I dette tilfælde vil EEG være en gruppe mikrofoner uden for stadionet uden for dets ydre vægge. Du vil være i stand til at høre, når publikum begynder at synge og endda kan forudsige, hvad de er ved at råbe om. Du vil være i stand til at skabe markante signaler, hvis der er en tæt kamp, eller nogen vinder. Du kan også ordne, hvis der sker noget ud over det sædvanlige. Det er alt.
ECoG
- Skala: høj
- Opløsning: lav rumlig, høj tidsmæssig
- Invasivitet: til stede
Et ECoG (elektrokortikografi) svarer til et EEG, idet det også bruger elektroder på overfladen - det placerer dem bare under kraniet på hjernens overflade.
Dum. Men effektiv - meget mere effektiv end EEG. Uden interferens fra kraniet dækker ECoG højere rumlige (ca. 1 cm) og tidsmæssige opløsninger (5 millisekunder). ECoG-elektroder kan placeres over eller under dura mater:
Lag til venstre, fra top til bund: hovedbund, kranium, dura mater, arachnoid, pia mater, cortex, hvid substans. Højre signalkilde: EEG, ECoG, intraparenchymal (LFP osv.)
Når vi vender tilbage til analogien med vores stadion, er ECoG-mikrofoner placeret inde i stadionet og tættere på publikum. Derfor vil lyden være meget klarere end EEG-mikrofoner uden for stadionet, og EKoG vil være i stand til at skelne mellem lydene fra individuelle segmenter i mængden. Men denne forbedring koster penge - det kræver invasiv kirurgi. Men ifølge standarderne for invasiv kirurgi er denne intervention ikke så dårlig. Som en kirurg fortalte mig,”Det er relativt ikke-invasivt at placere fyldet under duraen. Du er nødt til at stikke et hul i hovedet, men det er ikke så skræmmende."
Lokalt feltpotentiale (LFP)
- Skala: lille
- Opløsning: mellem-lav rumlig, høj tidsmæssig
- Invasivitet: høj
Lad os flytte fra overfladeelektrodeskiver til mikroelektroder - små nåle, som kirurger stikker ind i hjernen.
Mens nogle elektroder stadig er håndlavede i dag, bruger nye teknologier siliciumskiver og fremstillingsteknikker lånt fra den integrerede kredsløbsindustri.
Den måde, som lokale feltpotentialer fungerer på, er enkel - du tager en sådan ultratynd nål med en elektrodespids og indsætter den en eller to millimeter i cortex. Der samler den gennemsnitsværdien af elektriske ladninger fra alle neuroner i en bestemt radius af elektroden.
LFP giver dig ikke så dårlig rumlig fMRI-opløsning kombineret med øjeblikkelig ECoG-tidsopløsning. Efter resolutionsstandarder er dette sandsynligvis den bedste mulighed ud af alt ovenstående.
Desværre er det forfærdeligt efter andre kriterier.
I modsætning til fMRI, EEG og ECoG har LFP-mikroelektroden ingen skala - den fortæller dig kun, hvad den lille sfære omkring den gør. Og det er meget mere invasivt, da det rent faktisk kommer ind i hjernen.
I et baseballstadion er LFP en enkelt mikrofon, der hænger over en sektion af sæderne, der opfanger en klar lyd i dette område og måske opfanger en separat stemme her og der i et sekund eller to - men for det meste registrerer det en generel vibration.
Og en helt ny udvikling er et multielektrodearray, som grundlæggende er ideen om en LFP, kun den består af 100 LFP'er ad gangen. Multielektrodearrayet ser sådan ud:
En lille 4 x 4 mm firkant med 100 siliciumelektroder på. Her er en anden, her kan du se, hvor skarpe elektroderne er - et par mikroner helt i spidsen:
Registrering af individuelle enheder
- Skala: lille
- Opløsning: ultrahøj
- Invasivitet: meget høj
For at optage en bredere LFP afrundes spidsen af elektroden let for at give elektroden mere overfladeareal, og modstanden (forkert teknisk betegnelse) reduceres til at fange meget svage signaler fra en lang række placeringer. Som et resultat samler elektroden et aktivitetskor fra det lokale felt.
Registrering af individuelle enheder bruger også en nålelektrode, men deres spidser gøres meget skarpe, og modstanden øges også. På grund af dette forskydes det meste af støj, og elektroden samler næsten intet op, indtil den er meget tæt på neuronen (et eller andet sted på 50 mikron), og signalet fra denne neuron er stærkt nok til at overvinde den høje modstandselektrodevæg. Modtagelse af separate signaler fra en neuron og uden baggrundsstøj, denne elektrode kan observere dette neurons private liv. Mindst mulig skala, højest mulig opløsning.
Nogle elektroder vil tage forholdet til det næste niveau og bruge patchklemme-metoden, som giver dig mulighed for at fjerne spidsen af elektroden og kun efterlade et lille rør, en glaspipette, som direkte suger neuronens cellemembran og tager finere målinger.
Patchklemme har også denne fordel: i modsætning til alle andre metoder rører den fysisk neuronen og kan ikke kun registrere, men stimulerer også neuronen ved at injicere strøm eller opretholde spændingen på et bestemt niveau for at udføre specifikke tests (andre metoder kan kun stimulere hele grupper hele neuroner).
Endelig kan elektroderne fuldstændigt dæmpe neuronen og faktisk trænge ind i membranen for at optage. Hvis spidsen er skarp nok, ødelægger den ikke cellen - membranen er forseglet omkring elektroden, og det vil være meget let at stimulere neuronen eller registrere spændingsforskellen mellem det eksterne og det indre miljø i neuronen. Men dette er en kortvarig teknik - en punkteret neuron vil ikke leve længe.
På vores stadion vil registreringen af individuelle enheder se ud som en ensrettet mikrofon, der er fastgjort til kraven på en fed mand. Lokal potentiel fastspænding er en mikrofon i andres hals, der registrerer den nøjagtige bevægelse af stemmebåndene. Dette er en fantastisk måde at lære om en persons følelser omkring spillet, men de bliver taget ud af sammenhæng og vil ikke blive brugt til at bedømme, hvad der sker i spillet eller om personen selv.
Det er alt, hvad vi har. I det mindste bruger vi ret ofte. Disse værktøjer er samtidig meget avancerede og vil virke som stenalderteknologier for fremtidens mennesker, som ikke vil tro, at vi var nødt til at vælge en af teknologierne for at åbne kraniet for at få hjerneoptegnelser af høj kvalitet.
Men på trods af alle deres begrænsninger lærte disse værktøjer os meget om hjernen og førte til oprettelsen af de første nysgerrige hjerne-computer-grænseflader. Mere om dem i den næste del.
ILYA KHEL
Del 1: Den menneskelige koloss
Anden del: Hjernen
Del tre: Flyver over reden af neuroner
Del fire: neurocomputer-grænseflader
Del fem: Neuaralink-problemet
Del sjette: Age of Wizards 1
Del seks: Age of Wizards 2
Del syv: Den store fusion