Implan otak hari ini dan di masa depan

Sensor searah atau alat umpan balik yang ditanamkan di otak dapat digunakan untuk mengobati berbagai penyakit seperti epilepsi dan penyakit Alzheimer, untuk mengontrol prostesis ekstremitas dan exoskeleton, untuk menerima sinyal dari mata bionik , dan juga untuk melakukan fungsi otak itu sendiri.

Selama tiga puluh tahun terakhir, para ilmuwan telah mencoba untuk membuat perangkat yang mensimulasikan proses yang terjadi di hippocampus untuk mengembalikan kemampuan orang untuk membuat kenangan baru - untuk mentransfer data dari memori jangka pendek ke jangka panjang. Dalam sebuah karya baru-baru ini, sebuah tim dari beberapa universitas Amerika meningkatkan hasil memecahkan masalah menghafal sebesar 35-37%.

Mari kita bahas seberapa jauh peneliti telah datang di bidang ini dan dari siapa kita harus mengharapkan solusi baru di masa depan.


Mengambil gambar dari film "Johnny Mnemonic"

Implan otak adalah klasik dari fiksi ilmiah, mereka ditemukan dalam film ("Johnny Mnemonic") dan buku-buku ("Enclave"). Seringkali dalam fantasi penulis dan penulis skenario, mereka dirancang untuk menggantikan dan memperluas memori, meningkatkan kemampuan belajar, dan mendapatkan akses ke jaringan. Dalam Enclave, prosesor tambahan dapat dimasukkan ke dalam port di cranium, meningkatkan kemampuan otak berkali-kali.

Dalam kehidupan nyata, sudah ada contoh implan otak. Salah satu perangkat pertama yang bekerja di dalam tempurung kepala untuk mendapatkan informasi adalah implan koklea untuk mengkompensasi gangguan pendengaran dengan gangguan pendengaran sensorineural : pada gangguan ini, pendengaran hilang karena kerusakan pada alat penerima suara. Prostesis neuro mengubah impuls listrik dari mikrofon eksternal menjadi sinyal yang dapat dipahami oleh sistem saraf manusia. Teknologi ini telah digunakan sejak 1960-an.


Sumber

Prostetik mata bekerja sesuai dengan sistem yang sama: data dari kamera yang dibangun ke dalam kacamata ditransmisikan ke perangkat utama, yang mengubah gambar menjadi sinyal yang masuk ke elektroda yang terpasang pada retina atau ditanam di otak. Selama semua perangkat dari area ini memungkinkan Anda untuk hanya melihat garis besar objek, tidak ada pembicaraan warna.

Salah satu cara untuk membantu pasien epilepsi adalah pemantauan invasif. Elektroda ditanamkan ke dalam otak pasien, yang membantu dokter menentukan area timbulnya serangan epilepsi dan penyebarannya. Penentuan parameter ini secara akurat memungkinkan tindakan bedah yang efektif untuk merawat pasien. Area lain yang seharusnya membantu orang dengan penyakit Alzheimer atau depresi, di mana obat memengaruhi otak, adalah implan untuk injeksi obat langsung ke otak, yang bekerja pada tim dari Massachusetts Institute of Technology.

Ada eksperimen di bidang penyakit yang lebih jarang. Salah satu cyborg pertama, Neil Harbisson , belum melihat bunga sejak kecil karena achromatopsia . Ia mengembangkan perangkat yang memungkinkannya untuk "mendengar" warna.



Area menjanjikan lainnya adalah meningkatkan daya ingat. Para ilmuwan masih belum sepenuhnya memahami bagaimana otak manusia bekerja, tetapi mereka sudah dapat mengembalikan beberapa fungsinya - perangkat benar-benar meniru perilakunya, merekonstruksi sinyal listrik yang diterima dengan menstimulasi area yang diperlukan dalam urutan yang benar.

Theodore Berger dari University of Southern California telah mencari cara untuk meningkatkan daya ingat manusia dengan perangkat implan otak selama lebih dari 25 tahun. Pada awal 2000-an, sekelompok ilmuwan di bawah kepemimpinannya menciptakan salah satu prostesis hippocampal pertama untuk tikus percobaan. Area otak ini bertanggung jawab untuk transisi memori jangka pendek ke jangka panjang. Gejala bentuk demensia yang paling umum - penyakit Alzheimer - termasuk gangguan memori jangka pendek, dan salah satu tanda awal penyakit ini adalah penurunan volume bagian otak ini.

Pada tahun 2010, Berger melakukan serangkaian percobaan pada tikus dengan elektroda implan yang menangkap daerah hippocampus CA3 dan CA1. Tikus memecahkan masalah, berada di sebuah ruangan dengan dua tuas bersembunyi di dinding. Pertama, Anda harus menekan tuas, kemudian dia menarik ke dinding untuk waktu tertentu, dan setelah tikus memilih salah satu dari dua tuas yang muncul. Untuk mendapatkan air, tikus harus menekan tuas awal yang berlawanan, dan jika ia menekan yang sama, subjeknya dihukum dengan mematikan lampu. Waktu untuk menyelesaikan masalah secara bertahap ditingkatkan dari 5 menjadi 60 detik. Elektroda pada saat ini merekam sinyal neuron ketika tuas ditekan.



"Kode" yang terekam memungkinkan kami untuk membuat model stimulasi untuk meningkatkan kinerja tugas ini. Pada grafik di bagian kiri bawah gambar, hasil yang diperoleh selama stimulasi otak menggunakan model ini ditandai dengan warna oranye, dan hasil kontrol yang direkam pada tahap percobaan sebelumnya ditandai dengan warna biru. Dalam hal ini, stimulasi dilakukan bukan pada saat menebak tuas, tetapi pada saat interaksi pertama dengannya - yaitu, untuk menghafal.


Menambahkan Sinyal Buatan (Theodore W. Berger, Robert E. Hampson, Dong Song, Anushka Goonawardena, Vasilis Z. Marmarelis, Sam A. Deadwyler, 2011)

Pada tahun 2011, tim Berger menunjukkan kemampuan untuk mengaktifkan dan menonaktifkan memori hewan menggunakan sensor di otak tikus. Menggunakan obat-obatan, tikus menghalangi kemampuan untuk membuat ingatan jangka panjang - mereka memblokir pekerjaan wilayah CA3, dan kemudian memulihkannya menggunakan elektroda. Sinyal buatan yang menciptakan kembali aktivitas neuron meningkatkan persentase respons yang benar.


Mengganti sinyal hippocampal alami dengan sinyal buatan (Theodore W. Berger, Robert E. Hampson, Dong Song, Anushka Goonawardena, Vasilis Z. Marmarelis, Sam A. Deadwyler, 2011)

Pada 2017, eksperimen dimulai pada orang dengan elektroda yang ditanamkan di otak. Dua puluh sukarelawan menyelesaikan tugas menghafal. Pertama, implan merekam sinyal saraf, dan kemudian "membantu" orang tersebut untuk mengingat jawaban tugas karena stimulasi otak. Kemudian memori jangka pendek ditingkatkan sebesar 15%. Sebuah studi baru, yang diterbitkan 28 Maret 2018 , menaikkan angka ini menjadi 35-37%. Sejak 2014, agensi DARPA telah tertarik pada masalah pemulihan memori: lembaga ini mendanai penelitian ini, dan juga memberikan hibah untuk pekerjaan penelitian di bidang pembuatan sensor yang dapat ditanamkan di otak.

Untuk sebuah studi baru, tim ilmuwan dari Wake Forest Baptist Medical Center dan University of Southern California merekrut delapan pasien dengan epilepsi yang terlibat dalam prosedur pemetaan otak diagnostik. Elektroda dipasang di berbagai bagian otak peserta. Penelitian ini ditujukan pada memori episodik , yang berisi informasi yang berguna untuk periode waktu yang singkat - dengan masalah utama yang muncul pada orang dengan penyakit Alzheimer, stroke dan cedera kepala.


Sistem elektroda untuk memantau dan menduplikasi aktivitas saraf hippocampus

Dalam satu tes, pasien melakukan tugas pada bentuk geometris berwarna sementara sensor mencatat aktivitas neuron di hippocampus. Setelah melihat angka yang diberikan, mereka harus memilihnya dari empat atau lima opsi. Merangsang otak dalam urutan yang benar meningkatkan efisiensi penyelesaian masalah sebesar 37%. Tes kedua adalah menebak foto-foto satu jam setelah mereka ditampilkan. Kali ini, stimulasi meningkatkan kinerja sebesar 35%.

Di bagian kiri atas gambar bertanda "Aktual" adalah sinyal rekaman neuron antara daerah hippocampal yang dikenal sebagai CA3 dan CA1. Ini adalah apa yang dilacak sensor ketika peserta melihat gambar yang diberikan. Para ilmuwan menganalisis catatan yang dibuat selama jawaban yang benar, dan membuatnya kembali menggunakan umpan balik.


Sumber

“Kami membuktikan bahwa kami dapat masuk ke dalam memori pasien, merekam sinyal dan mengirimkannya kembali. Bahkan dalam kasus di mana ingatan manusia terganggu, dimungkinkan untuk mengidentifikasi pola sinyal saraf dan memisahkan pola yang benar dari sinyal yang salah. Kemudian kita dapat membantu otak pasien dalam pembentukan ingatan baru - bukan untuk menggantikan fungsi ingatan itu sendiri, tetapi untuk meningkatkannya. Sekarang kami mencoba untuk menentukan seberapa besar kemungkinan untuk meningkatkan fungsi memori, tetapi di masa depan kami berharap dapat membantu orang-orang merekam memori spesifik - misalnya, di mana mereka tinggal, bagaimana cucu mereka terlihat ketika ingatan mereka sendiri berhenti bekerja, "kata Robert Hampson, profesor fisiologi, Farmakologi dan Neurologi Wake Forest Baptist Medical Center, salah satu penulis penelitian.



KerNEL startup sedang mengerjakan komersialisasi teknologi Berger. Pendiri perusahaan Brian Johnson ingin tidak hanya mulai menjual perangkat pemulihan memori, tetapi juga untuk menciptakan implan baru untuk meningkatkan perhatian dan kreativitas manusia, yang pada kenyataannya, melampaui penggunaan perangkat medis. Dalam hal ini, perangkat memiliki kesempatan untuk menjauh dari kebutuhan untuk mematuhi semua persyaratan untuk peralatan medis dan setara dengan gelang kebugaran.

Johnson memiliki uang untuk proyek ini berkat penjualan PayPal sebesar $ 800 juta pada 2013. Orang lain yang terkait dengan proyek ini, Ilon Musk, mendaftarkan Neuralink pada 2016 dan merekrut orang-orang yang terkait dengan penelitian otak. Dalam jangka pendek, Musk ingin memproduksi perangkat untuk mengobati berbagai penyakit otak, tetapi di masa depan, seperti Johnson, ia ingin meningkatkan orang. Termasuk - memberi mereka kemampuan telepati. Pada bulan Maret 2018, diketahui bahwa perusahaan Topeng menerima izin untuk bereksperimen dengan hewan di San Francisco. Neurlalink terus mencari spesialis dalam tim - situs ini berisi lowongan untuk insinyur di bidang robotika, mikroelektronika, pengembang perangkat lunak, dan lainnya. Salah satu syarat utama adalah keinginan untuk mengatasi tantangan besar.

Selama dua tahun terakhir, DARPA telah bekerja pada penciptaan antarmuka saraf implan untuk mendapatkan "resolusi sinyal dan bandwidth yang belum pernah terjadi sebelumnya untuk mentransmisikan informasi antara otak manusia dan sistem elektronik . " Ada contoh menarik elektroda elastis, seperti perangkat yang dikembangkan oleh para ilmuwan dari Linkoping University (Swedia): atas dasar itu, para peneliti dari Lund University di Swedia telah mengembangkan solusi yang dapat menyimpan dan memproses data dari lebih dari 1 juta neuron secara real time dan memberikan umpan balik dengan kecepatan 25 milidetik.

Pengembangan lebih lanjut dari solusi perangkat keras dan pemrosesan akan memungkinkan kita untuk mentransfer bagian dari riset otak ke bidang perangkat lunak. Untuk meningkatkan efisiensi, diperlukan standarisasi semua elemen sistem neurokomputer. Tetapi untuk sekarang, ini adalah fiksi ilmiah.