Program penelitian baru DARPA sedang mengembangkan antarmuka otak-komputer yang dengannya akan mungkin untuk "mengendalikan kawanan drone, bekerja dengan kecepatan pemikiran." Bagaimana jika berhasil?
Pada bulan Agustus, tiga mahasiswa pascasarjana dari Universitas Carnegie Mellon menjejalkan ke dalam lab kecil, ruang bawah tanah tanpa jendela untuk menggunakan pengaturan dadakan yang dirakit dari printer 3D untuk mengejutkan sepotong otak tikus.
Bagian otak yang diukir dari
hippocampus ini seperti sepotong bawang putih yang tipis. Dia beristirahat di sebuah platform yang terletak lebih dekat ke tengah perangkat. Tabung tipis mencuci irisan dengan larutan garam, glukosa dan asam amino. Dengan demikian, ia dipertahankan dalam keadaan yang agak mirip dengan hidup: neuron di dalam dirinya terus diaktifkan, memungkinkan para peneliti untuk mengumpulkan data. Sejumlah elektroda yang terletak di bawah ini mengeluarkan muatan listrik, dan probe logam, mirip dengan jarum suntik, mengukur respons neuron. Lampu LED yang terang menyinari cangkir. Semuanya tampak terkumpul di lututnya.
Pada monitor di sebelah perangkat, rangsangan dan respons terlihat: beberapa milidetik setelah impuls listrik, neuron diaktifkan. Kemudian, para peneliti akan menempatkan bahan yang serupa dalam konduktivitas dan transparansi pada tulang-tulang tengkorak antara selembar jaringan dan elektroda untuk mencari tahu apakah mereka dapat merangsang hippocampus tikus melalui peniruan tengkorak.
Mereka melakukan ini karena mereka ingin mengenali dan mengendalikan sinyal otak manusia tanpa harus memotong tengkorak dan menyentuh jaringan otak yang halus. Tujuan mereka adalah mengembangkan
antarmuka otak-komputer yang akurat dan sensitif yang dapat dilepas dan dipakai seperti helm atau ikat kepala - tanpa operasi apa pun.
Ketebalan tulang tengkorak manusia kurang dari satu sentimeter. Jumlah pastinya bervariasi dari orang ke orang, serta dari satu tempat ke tempat lain. Mereka mengaburkan bentuk gelombang, apakah itu arus listrik, cahaya atau suara. Neuron otak dapat berukuran sekecil seperseribu milimeter, dan menghasilkan impuls listrik dengan tegangan dua puluh volt.
Dalam percobaan mahasiswa pascasarjana, itu seharusnya mengumpulkan data dasar yang dapat dibandingkan dengan hasil penerapan teknologi baru, yang berharap dikembangkan oleh Pulkit Grover, kepala konsultan ilmiah tim.
"Sejauh ini tidak mungkin untuk melakukan ini, dan itu tugas yang sangat sulit," kata Grover. Dia memimpin salah satu dari enam tim yang berpartisipasi dalam Program Nonsurgical Neurotechnology Generasi Berikutnya, atau N
3 , proyek senilai $ 104 juta yang diluncurkan tahun ini oleh DARPA. Tim Grover bekerja dengan listrik dan ultrasound, tim lain menggunakan magnet atau optik. Dan jika ada dari mereka yang berhasil, hasilnya akan revolusioner.
Pembedahan itu mahal, dan intervensi pembedahan untuk menciptakan tentara super juga secara etis sulit. Alat untuk membaca pikiran yang tidak memerlukan intervensi bedah akan membuka sejumlah besar kemungkinan. Neurocomputer interfaces (NQIs) digunakan untuk mengembalikan kontrol parsial orang lumpuh pada tubuh, dan memungkinkan veteran perang di Irak dan Afghanistan yang kehilangan anggota tubuh untuk mengontrol yang buatan. N
3 adalah upaya serius pertama oleh militer AS untuk mengembangkan NKI untuk penggunaan yang lebih agresif. "Bekerja dengan drone individual dan kawanannya, dengan kecepatan pemikiran, dan bukan pada kecepatan perangkat mekanis - itulah sebabnya perangkat ini sangat dibutuhkan," kata Al Emondi, direktur program N
3 .
Spesialis Komputer di Universitas California, Los Angeles, Jacques J. Vidal, pertama kali menggunakan istilah antarmuka otak-komputer pada awal 1970-an; dan itu ternyata menjadi salah satu ungkapan itu, seperti "kecerdasan buatan," yang definisinya berkembang secara paralel dengan pengembangan kemampuan yang diuraikannya. Electroencephalography (EEG), yang merekam aktivitas otak menggunakan elektroda yang diletakkan di tengkorak, dapat dianggap sebagai antarmuka pertama antara otak dan komputer. Menjelang akhir 1990-an, para peneliti dari Universitas Keyes di Wilayah Cadangan Barat menggunakan EEG untuk menafsirkan gelombang otak orang yang lumpuh, yang memungkinkannya untuk memindahkan kursor pada komputer menggunakan elektroda yang terhubung ke tengkoraknya.
Sejak itu, teknologi untuk membaca sinyal dari otak kedua jenis, baik invasif dan non-invasif, telah dikembangkan secara aktif. Perangkat juga sedang dikembangkan yang merangsang otak dengan sinyal listrik untuk mengobati penyakit seperti epilepsi. Mekanisme yang paling kuat hingga saat ini adalah array microelectrode, yang dikenal sebagai array Utah. Itu tampak seperti tempat tidur kecil dengan kuku seukuran setengah kuku di jari kelingking, mampu menembus bagian otak tertentu.
Suatu hari, pada tahun 2010, ketika sedang berlibur di Outer Banks - sepotong pulau penghalang berpasir sempit di lepas pantai North Carolina - Ian Burkhart merunduk ke laut dan menabrak kepalanya di gundukan pasir. Ia merusak sumsum tulang belakang dan kehilangan fungsi dari saraf serviks keenam dan ke bawah. Dia bisa menggerakkan bahu dan sikunya, tetapi tidak dengan tangan dan kakinya. Fisioterapi tidak banyak membantu. Dia bertanya kepada dokter di Wexner Medical Center di Universitas Ohio apakah mereka bisa melakukan hal lain. Ternyata Wexner ingin melakukan penelitian bersama dengan perusahaan riset nirlaba Battelle untuk mengetahui apakah mobilitas dapat dikembalikan ke anggota tubuh lumpuh menggunakan massif Utah.
Jika EEG menunjukkan aktivitas total neuron yang tak terhitung, maka array Utah dapat merekam impuls yang berasal dari sejumlah kecil, atau bahkan dari satu neuron. Pada tahun 2014, dokter menanamkan array Utah ke kepala Burkhart. Array mengukur medan listrik pada 96 titik korteks motoriknya 30.000 kali per detik. Burkhart mengunjungi laboratorium beberapa kali seminggu selama lebih dari setahun, dan para peneliti di Battelle melatih algoritma pemrosesan sinyal untuk memahami niatnya, sementara ia secara sistematis dan intens memikirkan bagaimana ia ingin menggerakkan tangannya.
Kabel tebal yang terhubung ke platform di tengkorak Burkhart mengirim pulsa diukur oleh array Utah ke komputer. Komputer mendekripsi mereka dan mengirimkan sinyal ke selongsong yang diisi dengan elektroda dan menutupi lengan kanannya. Lengan itu mengaktifkan ototnya untuk melakukan gerakan yang diinginkan - meraih, mengangkat beban, mengosongkan botol, atau mengeluarkan kartu dari dompet.
Ini menjadikan Burkhart salah satu orang pertama yang mendapatkan kembali kendali otot melalui “bypass saraf”. Sekarang Battelle, juga berpartisipasi dalam program N
3 , bekerja dengannya, mencoba mencari tahu apakah mungkin untuk mencapai hasil yang sama tanpa implan di tengkorak.
Pertanyaannya adalah tidak hanya dalam penciptaan perangkat baru, tetapi juga dalam pengembangan teknik pemrosesan sinyal dengan kualitas yang lebih baik, yang mampu mengenali sinyal lemah dan teredam yang dirasakan dari bagian luar tengkorak. Karena itu, tim Carnegie Mellon dipimpin oleh Grover, seorang insinyur listrik, bukan seorang ilmuwan saraf.
Tak lama setelah Grover tiba di Carnegie Mellon Institute, temannya dari University of Pittsburgh Medical School mengundangnya untuk berpartisipasi dalam pertemuan klinis dengan pasien epilepsi. Dia mulai curiga bahwa lebih banyak informasi dapat diekstraksi dari EEG daripada yang diperkirakan semua orang sebelumnya - dan, karenanya, manipulasi sinyal eksternal yang cerdik dapat memengaruhi lapisan otak yang lebih dalam. Beberapa tahun kemudian, sebuah tim yang dipimpin oleh Edward Boyden dari Center for Neurobiological Engineering di MIT menerbitkan sebuah artikel penting yang jauh melampaui asumsi awal Grover.
Kelompok Boyden menerapkan dua sinyal listrik frekuensi tinggi, tetapi sedikit berbeda, ke bagian luar tengkorak. Mereka memengaruhi kerja neuron, tetapi bukan yang terletak di permukaan otak, tetapi yang terletak lebih dalam. Sebagai bagian dari fenomena yang disebut gangguan konstruktif, mereka menerima sinyal frekuensi lebih rendah, merangsang aktivasi neuron.
Grover dan timnya sekarang sedang bekerja untuk memperluas hasil Boyden, menggunakan ratusan elektroda yang terletak di permukaan tengkorak untuk secara akurat menargetkan area kecil di bagian dalam otak dan mengendalikan sinyal, mengalihkannya dari satu bagian otak ke bagian lain tanpa menggerakkan elektroda. Grover mengatakan gagasan seperti itu hampir tidak akan terjadi pada ilmuwan saraf.
Sementara itu, di Laboratorium Fisika Terapan (Johns University) Johns Hopkins, tim lain dari Proyek N
3 menggunakan pendekatan yang sama sekali berbeda: dekat dengan cahaya inframerah.
Menurut konsep modern, jaringan saraf membengkak dan berkontraksi ketika neuron memancarkan sinyal listrik. Para ilmuwan juga merekam sinyal-sinyal ini menggunakan EEG, array Utah atau teknologi lainnya. APL Dave Blodget mengklaim bahwa pembengkakan dan kontraksi jaringan mungkin bukan sinyal kualitas terburuk, dan ingin membuat sistem optik yang mengukur perubahan ini.
Teknologi masa lalu tidak bisa menangkap gerakan fisik sekecil itu. Tapi Blodget dan tim sudah menunjukkan bahwa mereka dapat mendaftarkan aktivitas saraf mouse ketika memindahkan salah satu antena. Sepuluh milidetik setelah pergerakan antena, Blodget mencatat aktivasi neuron terkait menggunakan teknologi optisnya. Dan di jaringan saraf yang terbuka, timnya mencatat aktivitas neuron dalam 10 mikrodetik - dengan kecepatan yang sama dengan array Utah atau metode listrik lainnya.
Tugas selanjutnya yang harus diselesaikan adalah merekam melalui tulang tengkorak. Kedengarannya seperti sesuatu yang mustahil: bagaimanapun, tengkorak itu buram terhadap cahaya tampak. Namun, cahaya yang dekat dengan inframerah dapat melewati tulang. Tim Blodgett memindai tengkorak dengan laser inframerah berenergi rendah, dan mengukur hamburan cahaya dari laser ini. Dia berharap bahwa dari ini akan mungkin untuk mengekstrak informasi tentang aktivitas neuron. Pendekatan ini memiliki lebih sedikit bukti daripada penggunaan sinyal listrik, namun justru pada risiko itulah program DARPA dirancang.
Di Battelle, Gaurav Sharma sedang mengembangkan jenis nanopartikel baru yang mampu menembus
sawar darah-otak . Teknologi ini disebut invasif minimal di DARPA. Dalam nanopartikel, inti yang sensitif terhadap medan magnet dikelilingi oleh cangkang material yang menghasilkan listrik pada tekanan. Jika nanopartikel ini ditempatkan di medan magnet, maka inti partikel akan menekan shell, yang akan menghasilkan arus kecil. Sebuah medan magnet jauh lebih cocok untuk bersinar melalui tengkorak daripada cahaya, kata Sharma. Kumparan magnet yang berbeda memungkinkan para ilmuwan untuk menargetkan bagian-bagian tertentu dari otak, dan proses ini dapat dibalik - mengubah arus listrik menjadi medan magnet dengan membaca sinyal.
Belum diketahui pendekatan mana yang akan berhasil, dan apakah. Tim lain dari N
3 menggunakan berbagai kombinasi gelombang cahaya, listrik, magnetik, dan ultrasonik untuk mengirimkan sinyal ke otak dan membacanya dari luar. Semua ini, tidak diragukan lagi, sangat menarik. Namun, untuk semua antusiasme ini, orang tidak boleh lupa betapa buruknya situasi di Pentagon dan di perusahaan-perusahaan seperti Facebook (yang juga mengembangkan NCI), dengan sejumlah besar masalah etika, hukum dan sosial yang ditimbulkan oleh NCI non-invasif. Bagaimana kawanan drone yang dikendalikan oleh otak manusia mengubah sifat perang? Emondi, bab
3 , mengatakan bahwa NKI akan digunakan sesuai kebutuhan. Namun, kebutuhan militer adalah konsep yang longgar.
Pada bulan Agustus, saya mengunjungi laboratorium di Battelle, tempat Burkhart bekerja selama beberapa jam dengan selongsong baru yang dilengkapi dengan 150 elektroda yang merangsang otot-otot lengan. Dia dan para peneliti berharap mereka dapat membuat selongsong bekerja tanpa bergantung pada serangkaian sinyal otak Utah.
Ian Burkhart dan Peneliti
Array UtahDengan kerusakan pada sumsum tulang belakang, sangat sulit untuk memikirkan pergerakan lengan. Burkhart lelah. "Semuanya berjalan dalam langkah - semakin aktif saya pikir, semakin kuat gerakannya," katanya kepada saya. - Sebelumnya, saya tidak perlu berpikir "buka tangan saya" - Saya hanya mengambil dan mengangkat botol. Tapi saya sangat termotivasi oleh hasilnya - lebih dari yang hadir semua orang Berkat dia, mudah untuk melihat potensi teknologi ini.
Dia mengatakan bahwa sejak awal bekerja dengan massif Utah, dia menjadi lebih kuat dan lincah, bahkan pada periode-periode ketika dia tidak menggunakannya. Dia sudah dapat hidup hampir sendiri, dan dia hanya membutuhkan bantuan beberapa jam sehari. “Aku bisa bicara lebih banyak dengan tanganku. "Aku bisa memegang telepon," katanya. "Jika proyek ini tumpah menjadi sesuatu yang bisa digunakan setiap hari, aku akan memakainya selama aku bisa."