يزرع الدماغ اليوم وفي المستقبل

يمكن استخدام المستشعرات أحادية الاتجاه أو أجهزة التغذية الراجعة المزروعة في الدماغ لعلاج أمراض مختلفة مثل الصرع ومرض الزهايمر ، والتحكم في الأطراف الصناعية والهيكل الخارجي ، وتلقي إشارات من العين الإلكترونية ، وكذلك لأداء وظائف الدماغ نفسه.

على مدى الثلاثين عامًا الماضية ، حاول العلماء إنشاء جهاز يحاكي العمليات التي تحدث في الحصين من أجل استعادة قدرة الناس على إنشاء ذكريات جديدة - لنقل البيانات من الذاكرة قصيرة المدى إلى طويلة المدى. في عمل حديث ، قام فريق من عدة جامعات أمريكية بتحسين نتائج حل مشكلات الحفظ بنسبة 35-37٪.

دعونا نناقش إلى أي مدى وصل الباحثون في هذا المجال ومن يجب أن نتوقع حلولًا جديدة في المستقبل.


صوره من فيلم "جوني ميمونيك"

غرسات الدماغ هي كلاسيكيات الخيال العلمي ، وهي موجودة في الأفلام ("جوني ميمونيك") والكتب ("الجيبات"). في كثير من الأحيان في أوهام الكتاب وكتاب السيناريو ، تم تصميمهم لاستبدال وتوسيع الذاكرة ، وزيادة القدرة على التعلم ، والوصول إلى الشبكة. في الجيوب ، يمكن إدخال معالج إضافي في المنفذ في الجمجمة ، مما يزيد من قدرة الدماغ عدة مرات.

في الحياة الواقعية ، هناك بالفعل أمثلة لزراعة الدماغ. كان أحد الأجهزة الأولى التي تعمل داخل الجمجمة للحصول على المعلومات هو غرسة قوقعة الأذن للتعويض عن فقدان السمع مع فقدان السمع الحسي العصبي : في هذا الاضطراب ، يُفقد السمع بسبب تلف جهاز استقبال الصوت. يقوم الطرف العصبي بتحويل النبضات الكهربائية من ميكروفون خارجي إلى إشارات مفهومة للجهاز العصبي البشري. تم استخدام التكنولوجيا منذ الستينيات.


المصدر

تعمل الأطراف الصناعية للعين وفقًا لنظام مماثل: يتم نقل البيانات من الكاميرا المضمنة في النظارات إلى الجهاز الرئيسي ، والذي يحول الصورة إلى إشارة تذهب إلى الأقطاب الكهربائية المتصلة بالشبكية أو يتم زرعها في الدماغ. طالما أن جميع الأجهزة من هذه المنطقة تتيح لك رؤية الخطوط العريضة للكائنات فقط ، فلا يوجد حديث عن الألوان.

إحدى الطرق لمساعدة مرضى الصرع هي المراقبة الغازية. يتم زرع الأقطاب الكهربائية في دماغ المرضى ، مما يساعد الأطباء على تحديد منطقة بداية نوبة الصرع وانتشارها. يسمح التحديد الدقيق لهذه المعايير باتخاذ إجراءات جراحية فعالة لعلاج المريض. هناك مجال آخر يجب أن يساعد الأشخاص المصابين بمرض الزهايمر أو الاكتئاب ، حيث تؤثر الأدوية على الدماغ ، وهو زرع الحقن المباشر للدواء في الدماغ ، الذين يعملون على فريق من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

هناك تجارب في مجال الأمراض النادرة. نيل هاربيسون ، أحد أول السايبورج ، لم ير زهورًا منذ الطفولة بسبب اضطراب الألوان . طور جهازًا يتيح له "سماع" الألوان.



مجال آخر واعد هو تحسين الذاكرة. لا يزال العلماء لا يفهمون بشكل كامل كيفية عمل الدماغ البشري ، لكنهم قادرون بالفعل على استعادة بعض وظائفه - الأجهزة تحاكي سلوكها حرفيا ، وإعادة بناء الإشارات الكهربائية المستلمة عن طريق تحفيز المناطق الضرورية في التسلسل الصحيح.

يبحث ثيودور بيرغر من جامعة جنوب كاليفورنيا عن طريقة لتحسين الذاكرة البشرية بأجهزة زرع الدماغ لأكثر من 25 عامًا. في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين ، أنشأت مجموعة من العلماء تحت قيادته واحدة من أول الأطراف الاصطناعية للحصين للقوارض التجريبية. هذه المنطقة من الدماغ هي المسؤولة عن انتقال الذاكرة قصيرة المدى إلى طويلة المدى. تشمل أعراض أكثر أشكال الخرف شيوعًا - مرض الزهايمر - اضطرابًا في الذاكرة على المدى القصير ، وأحد العلامات المبكرة للمرض هو انخفاض حجم هذا الجزء من الدماغ.

في عام 2010 ، أجرى بيرجر سلسلة من التجارب على الفئران باستخدام أقطاب كهربائية مزروعة استولت على مناطق CA3 و CA1 من الحُصين. حلت القوارض المشاكل ، في غرفة مع رافعين يختبئون في الجدار. كان عليك أولاً الضغط على الرافعة ، ثم تراجع إلى الحائط لفترة معينة ، وبعد أن اختار الجرذ أحد العتفين اللذين ظهران. للحصول على الماء ، كان على القوارض الضغط على ذراع البدء المعاكس ، وإذا ضغط على نفس العارضة ، عوقب الهدف بإطفاء الضوء. تم زيادة وقت حل المشكلة تدريجيًا من 5 إلى 60 ثانية. سجلت الأقطاب الكهربائية في هذا الوقت إشارات الخلايا العصبية عند الضغط على الرافعة.



سمح لنا "الرمز" المسجل بإنشاء نموذج تحفيز لتحسين أداء هذه المهمة. على الرسم البياني في الجزء الأيسر السفلي من الصورة ، يتم تمييز النتائج التي تم الحصول عليها أثناء تحفيز الدماغ باستخدام هذا النموذج باللون البرتقالي ، وتكون نتائج التحكم المسجلة في المرحلة السابقة من التجربة باللون الأزرق. في هذه الحالة ، تم تنفيذ التحفيز ليس في لحظة تخمين الرافعة ، ولكن في لحظة التفاعل الأول معها - أي للحفظ.


إضافة إشارات اصطناعية (Theodore W. Berger ، Robert E. Hampson ، Dong Song ، Anushka Goonawardena ، Vasilis Z. Marmarelis ، Sam A. Deadwyler ، 2011)

في عام 2011 ، أظهر فريق بيرغر القدرة على تمكين وتعطيل ذاكرة الحيوان باستخدام أجهزة الاستشعار في دماغ الفئران. باستخدام المخدرات ، عرقلت القوارض القدرة على إنشاء ذكريات طويلة المدى - حظروا عمل منطقة CA3 ، ثم استعادتها باستخدام أقطاب كهربائية. تحسن الإشارات الاصطناعية التي تعيد إنشاء نشاط الخلايا العصبية النسبة المئوية للاستجابات الصحيحة.


استبدال إشارة الحصين الطبيعية بإشارة اصطناعية (ثيودور دبليو بيرغر ، روبرت إي هامبسون ، دونغ سونغ ، أنوشكا جوناواردينا ، فاسيليس ز. مارماريليس ، سام أ. ديدويلر ، 2011)

في عام 2017 ، بدأت التجارب على الأشخاص الذين لديهم أقطاب كهربائية مزروعة في الدماغ. حل 20 متطوعًا مهام الحفظ. أولاً ، سجلت الغرسة إشارات عصبية ، ثم "ساعدت" الشخص على تذكر إجابة المهمة بسبب تحفيز الدماغ. ثم تم تحسين الذاكرة قصيرة المدى بنسبة 15٪. وقد رفعت دراسة جديدة ، نُشرت في 28 مارس 2018 ، هذا الرقم إلى 35-37٪. منذ عام 2014 ، اهتمت وكالة DARPA بقضية استعادة الذاكرة: فقد مولت هذا البحث ، كما قدمت منحًا للعمل البحثي في ​​مجال إنشاء أجهزة استشعار قابلة للزرع في الدماغ.

لدراسة جديدة ، قام فريق من العلماء من مركز ويك فورست المعمداني الطبي وجامعة جنوب كاليفورنيا بتجنيد ثمانية مرضى يعانون من الصرع المشاركين في إجراء رسم الخرائط التشخيصية للدماغ. تم تثبيت الأقطاب الكهربائية في أجزاء مختلفة من أدمغة المشاركين. هدفت الدراسة إلى الذاكرة العرضية ، التي تحتوي على معلومات مفيدة لفترة قصيرة من الزمن - ومعها تنشأ المشاكل الرئيسية في الأشخاص المصابين بمرض الزهايمر والسكتة الدماغية وإصابات الرأس.


نظام القطب الكهربائي لرصد وتكرار النشاط العصبي للحُصين

في أحد الاختبارات ، قام المرضى بمهام على أشكال هندسية ملونة بينما سجلت أجهزة الاستشعار نشاط الخلايا العصبية في الحصين. بعد عرض الرقم المعين ، كان عليهم اختياره من أربعة أو خمسة خيارات. إن تحفيز الدماغ بالتسلسل الصحيح زاد من كفاءة حل مثل هذه المشاكل بنسبة 37٪. كان الاختبار الثاني هو تخمين الصور بعد ساعة من عرضها. هذه المرة ، أدى التحفيز إلى تحسين الأداء بنسبة 35٪.

في الجزء العلوي الأيسر من الصورة المميزة بعلامة "فعلي" توجد إشارات الخلايا العصبية المسجلة بين منطقتي الحصين المعروفة باسم CA3 و CA1. هذا ما تتبعه المستشعرات عندما نظر المشاركون إلى الصور المحددة. قام العلماء بتحليل السجلات التي تم إجراؤها أثناء الإجابات الصحيحة ، وإعادة إنشائها باستخدام الملاحظات.


المصدر

"أثبتنا أنه يمكننا الدخول إلى ذاكرة المريض وتسجيل الإشارة وإرسالها مرة أخرى. حتى في الحالات التي تكون فيها الذاكرة البشرية ضعيفة ، من الممكن تحديد أنماط الإشارات العصبية وفصل الأنماط الصحيحة عن الإشارات الخاطئة. ثم يمكننا مساعدة دماغ المريض في تكوين ذكريات جديدة - ليس لاستبدال وظيفة الذاكرة نفسها ، ولكن لتعزيزها. الآن نحن نحاول تحديد مدى إمكانية تحسين وظيفة الذاكرة ، ولكننا نأمل في المستقبل أن نساعد الأشخاص على تسجيل ذكريات محددة - على سبيل المثال ، أين يعيشون ، كيف يبدو أحفادهم عندما تتوقف ذاكرتهم عن العمل "، كما يقول روبرت هامبسون ، أستاذ علم وظائف الأعضاء ، علم الأدوية والأعصاب مركز ويك فورست المعمداني الطبي ، أحد مؤلفي الدراسة.



تعمل شركة KerNEL الناشئة على تسويق تقنية Berger. لا يرغب مؤسس الشركة Brian Johnson في بدء بيع أجهزة استعادة الذاكرة فحسب ، بل يريد أيضًا إنشاء غرسات جديدة لتحسين انتباه الإنسان وإبداعه ، وهذا في الواقع يتجاوز الاستخدام الطبي للأجهزة. في هذه الحالة ، تتمتع الأجهزة بفرصة للابتعاد عن الحاجة إلى الامتثال لجميع متطلبات المعدات الطبية والوقوف على قدم المساواة مع أساور اللياقة البدنية.

لدى جونسون أموال للمشروع بفضل بيع PayPal مقابل 800 مليون دولار في عام 2013. قام شخص آخر مرتبط بهذا المشروع ، Ilon Musk ، بتسجيل Neuralink في عام 2016 وقام بتعيين موظفين متعلقين بأبحاث الدماغ. على المدى القصير ، يريد Musk إنتاج أجهزة لعلاج أمراض الدماغ المختلفة ، ولكن في المستقبل ، مثل جونسون ، يريد تحسين الأشخاص. بما في ذلك - منحهم قدرات التخاطر. في مارس 2018 ، أصبح من المعروف أن شركة Mask حصلت على إذن للتجربة مع الحيوانات في سان فرانسيسكو. تواصل Neurlalink البحث عن متخصصين في الفريق - يحتوي الموقع على وظائف شاغرة للمهندسين في مجال الروبوتات والإلكترونيات الدقيقة ومطوري البرامج وغيرهم. أحد المتطلبات الرئيسية هو الرغبة في التغلب على التحديات الكبيرة.

على مدار العامين الماضيين ، عملت DARPA على إنشاء واجهات عصبية قابلة للغرس للحصول على "دقة إشارة غير مسبوقة وعرض النطاق الترددي لنقل المعلومات بين الدماغ البشري والأنظمة الإلكترونية" . هناك أمثلة مثيرة للاهتمام على الأقطاب الكهربائية المرنة ، مثل الجهاز الذي طوره علماء من جامعة لينكوبنج (السويد): على أساسه ، طور باحثون من جامعة لوند في السويد حلاً يمكنه تخزين ومعالجة البيانات من أكثر من مليون خلية عصبية في الوقت الفعلي وتقديم تعليقات بسرعة 25 مللي ثانية.

سيسمح لنا المزيد من تطوير حلول الأجهزة والمعالجة بنقل جزء من أبحاث الدماغ إلى مجال البرمجيات. لزيادة الكفاءة ، من الضروري توحيد جميع عناصر أنظمة الكمبيوتر العصبية. ولكن في الوقت الحالي ، هذا هو الخيال العلمي.