Prvi del: Človeški kolos
Drugi del: Možgani
Tretji del: Letenje nad gnezdom nevronov
Četrti del: nevroračunalniški vmesniki
Peti del: Problem Neuaralink
Šesti del: Starost čarovnikov 1
Šesti del: Starost čarovnikov 2
Sedmi del: Velika fuzija
Promocijski video:
Letenje nad gnezdom nevronov
To je Bock. Bock, hvala tebi in tvojim ljudem, ker ste si izmislili jezik.
V zahvalo vam želimo pokazati vse neverjetne stvari, ki smo jih uspeli zgraditi po zaslugi vašega izuma.
V redu, postavimo Bocka na letalo, nato v podmornico, nato pa ga povlecimo na vrh Burj Khalife. Zdaj pa mu pokažimo teleskop, televizor in iPhone. In naj malo sedi na internetu.
Bilo je zabavno. Kako si, Bock?
Da, razumemo, da ste precej presenečeni. Za sladico mu pokažimo, kako komuniciramo med seboj.
Bock bi bil šokiran, če bi ugotovil, da se kljub vsem čarobnim sposobnostim, ki so jih ljudje pridobili kot rezultat medsebojnih dialogov, zahvaljujoč sposobnosti govora, proces naše komunikacije ne razlikuje od tistega, kar je bil v njegovem času. Ko se dva človeka pogovarjata, uporabljata 50.000 let staro tehnologijo.
Bock bo presenečen tudi nad tem, da v svetu, kjer delujejo neverjetni stroji, ljudje, ki so naredili te stroje, potujejo z enakimi biološkimi telesi, s katerimi so hodili Bock in njegovi prijatelji. Kako je to mogoče?
Zato so vmesniki nevroračunalnikov (BCI) - podskupina širšega področja nevrološkega inženirstva, ki je tudi sama podskupina biotehnologije - tako zanimivi. S svojimi tehnologijami smo že večkrat osvojili svet, toda ko gre za možgane - naše glavno orodje - svet tehnologije nam ne daje ničesar.
Zato še naprej komuniciramo z uporabo tehnologije, ki jo je izumil Bock. Zato ta stavek tipkam 20-krat počasneje, kot si mislim, in zato bolezni, povezane z možgani, še vedno zahtevajo preveč življenj.
Toda 50.000 let po tem velikem odkritju se lahko svet spremeni. Naslednja meja možganov bo sama.
* * *
Obstaja veliko različnih možnosti za možne vmesnike možgan-računalnik (včasih imenovane vmesniki možgan-računalnik ali možgani-stroj), ki so koristne za različne stvari. Toda vsi, ki delajo na NCI, poskušajo rešiti eno, drugo ali obe vprašanji:
1. Kako izvlečem potrebne informacije iz možganov?
2. Kako bom poslal možgane v možgane?
Prva se nanaša na izhod možganov - torej snemanje tega, kar govorijo nevroni. Druga zadeva vnos informacij v naravni pretok možganov ali spreminjanje tega naravnega toka na nek način - torej spodbujanje nevronov.
Ta dva procesa se ves čas dogajata v tvoji glavi. Trenutno vaše oči izvajajo določen niz vodoravnih gibov, ki vam omogočajo branje tega stavka. Nevroni v možganih tiskajo informacije na stroj (vaše oči), naprava pa prejme ukaz in se odzove. In ko se vaše oči premikajo na določen način, fotoni z zaslona prodrejo v mrežnico in stimulirajo nevrone v zatilnem režnju vaše skorje, kar omogoča, da slika sveta vstopi v vašo zavest. Nato slika stimulira nevrone v drugem delu možganov, kar vam omogoča obdelavo informacij na sliki in smisel stavka.
Vhod in izhod informacij je tisto, kar počnejo nevroni v možganih. Celotna industrija NCI se želi pridružiti temu procesu.
Sprva se zdi, da to ni tako težka naloga. Navsezadnje so možgani le žele kroglica. In skorja - del možganov, ki ga želimo dodati snemanju in stimulaciji - je le prtiček, ki je na priročni lokaciji na zunanji strani možganov in je do njega zlahka dostopen. Znotraj skorje je 20 milijard nevronov - 20 milijard majhnih tranzistorjev, ki bi nam lahko dali povsem nov način nadzora nad našim življenjem, zdravjem in svetom, če se naučimo delati z njimi. Ali jih je res tako težko razumeti? Nevroni so majhni, toda vemo, kako atom razdeliti. Premer nevrona je 100.000-krat večji od atoma. Če bi bil atom lizika, bi bil nevron dolg kilometre - tako da bi zagotovo lahko delali s takšnimi količinami. Prav?
V čem je problem?
Po eni strani so to prave misli, saj vodijo k napredku na tem področju. Res lahko to storimo. Toda takoj, ko začnete razumeti, kaj se v resnici dogaja v možganih, takoj postane očitno: to je za človeka najtežja naloga.
Zato moramo, preden se pogovorimo o NCI samih, natančno preučiti, kaj počnejo ljudje, ki ustvarjajo NCI. Najbolje je, da 1000-krat povečate možgane in vidite, kaj se bo zgodilo.
Se spomnite naše primerjave skorje s prtičkom?
Če bomo prtiček za lubje 1000-krat povečali - in je bil na vsaki strani približno 48 centimetrov - bo na Manhattnu zdaj dolg dva bloka. Obvoz bo trajal približno 25 minut. In vsi možgani bodo veliki kot Madison Square Garden.
Dajmo ga v samem mestu. Prepričan sem, da nas bo razumelo nekaj sto tisoč ljudi, ki tam živijo.
Iz več razlogov sem se odločil za 1000-kratno povečavo. Eden izmed njih je, da lahko vsi takoj pretvorimo velikosti v svoji glavi. Vsak milimeter dejanskih možganov je postal meter. V svetu nevronov, ki je veliko manjši, je vsak mikron postal milimeter, ki si ga je enostavno predstavljati. Drugič, lubje postane "človeško" veliko: debelina 2 mm je zdaj 2 metra - kot visok človek.
Tako se lahko povzpnemo do 29. ulice do roba našega velikanskega prtička in zlahka opazimo, kaj se dogaja v njegovi dvometrski debelini. Za demonstracijo izvlecimo kubični meter naše orjaške skorje, da jo preučimo, poglejmo, kaj se zgodi v tipičnem kubičnem milimetru pravega lubja.
Kaj vidimo v tem kubičnem metru? Mešanin. Očistimo in vrnemo nazaj.
Najprej postavimo somas - majhna telesa vseh nevronov, ki živijo v tej kocki.
Some se razlikujejo po velikosti, toda nevroznanstveniki, s katerimi sem govoril, pravijo, da so smeri nevronov v skorji najpogosteje v premeru 10-15 mikronov (en mikron = mikron, 1/1000 milimetra). To pomeni, da če postavite 7–10 teh v vrstico, bo ta premer premera las osebe. Na naši lestvici bo som premer 1-1,5 centimetra. Lizika.
Prostornina celotne skorje znaša 500.000 kubičnih milimetrov, v tem prostoru pa bo približno 20 milijard somov. To pomeni, da povprečni kubični milimeter skorje vsebuje približno 40.000 nevronov. To pomeni, da je v našem kubičnem metru približno 40.000 bonbonov. Če svojo škatlo razdelimo na 40.000 kock, vsaka s 3 cm robom, bo vsak naš sladkarijev som v središču svoje kocke s 3 cm, vsi ostali somi pa v vseh smereh 3 cm.
Si zdaj tukaj? Si predstavljate našo metrsko kocko s 40.000 plavajočimi bonboni?
Tu je mikroskopska slika soma v resnični skorji; vse drugo okoli nje je odstranjeno:
V redu, zaenkrat ni videti tako zapleteno. Toda soma je le majhen delček vsakega nevrona. Od vsake naše lizike se razprostirajo zviti, razvejani dendriti, ki se na naši lestvici lahko raztezajo od tri do štiri metre v različnih smereh, na drugem koncu pa je lahko 100 metrov dolg akson (če preide v drug del skorje) ali kilometer (če se spusti v hrbtenjačo in telo). Vsak je debel milimeter, te žice pa lubje spremenijo v trdno tkane električne vermičelije.
In v tej vermicelli se veliko dogaja. Vsak nevron ima sinaptične povezave s 1.000 - včasih tudi do 10.000 - drugimi nevroni. Ker je v skorji približno 20 milijard nevronov, to pomeni, da bo posameznih nevronskih povezav več kot 20 bilijonov (in v celotnih možganih kvadrilion povezav). Naš kubični meter bo imel več kot 20 milijonov sinaps.
Ob vsem tem ne le od vsake od 40.000 lizik v naši kocki obstajajo goščave vermicelli, ampak skozi našo kocko prehaja na tisoče drugih špagetov iz drugih delov lubja. In to pomeni, da če bi poskušali posneti signale ali spodbuditi nevrone posebej v tej kubični regiji, bi morali biti zelo težki, saj bi bilo v špagetnem mešalniku težko ugotoviti, katere špagete spadajo v našo sladkarije soma (in bog ne daj, ta pasta bo vsebovala Purkinjejeve celice).
In seveda ne pozabite na nevroplastičnost. Napetost vsakega nevrona se nenehno spreminja, stotine krat na sekundo. In več deset milijonov sinaptičnih povezav v naši kocki bo nenehno spreminjalo velikost, izginilo in se ponovno pojavilo.
Toda to je šele začetek.
Izkazalo se je, da glijske celice obstajajo tudi v možganih - celice, ki prihajajo v različnih vrstah in opravljajo številne različne funkcije, kot so izpiranje kemikalij, ki se sproščajo v sinapsah, zavijanje aksonov z mielinom in oskrba možganskega imunskega sistema. Tu je nekaj najpogostejših vrst glialnih celic:
In koliko glialnih celic je v skorji? Približno enako število kot nevronov. Torej v našo kocko dodajte še 40.000 teh stvari.
Končno so tu še krvne žile. Vsak kubični milimeter skorje vsebuje približno meter drobnih krvnih žil. Na naši lestvici to pomeni, da je v našem kubičnem metru kilometer krvnih žil. Takole izgledajo:
Digresija o Connectomi
Naša škatla z merilniki je torej zapakirana, napolnjena z elektrificiranim polnilom različnih zahtevnosti. Spomnimo se zdaj, da je naša škatla v resnici velika kubični milimeter.
Inženirji nevroračunalniškega vmesnika morajo bodisi ugotoviti, kaj pravijo mikroskopski somi, pokopani v tem milimetru, bodisi spodbuditi nekatere somove, da delajo prave stvari. Srečno jim.
Težko bi to storili s svojimi 1000-krat povečanimi možgani. Z možgani, ki se popolnoma spremenijo v prtiček. Toda v resnici ni tak - ta prtiček leži na možganih, polnih gub (ki so na naši lestvici globoke od 5 do 30 metrov). Dejansko je manj kot tretjina prtične skorje na površini možganov - večina leži v gubah.
Poleg tega ni toliko materiala, s katerim bi bilo mogoče delati v laboratoriju. Možgani so pokriti v več plasteh, vključno z lobanjo - ta bi bila pri 1000-kratni povečavi debela 7 metrov. In ker večina ljudi v resnici ne mara, če je njihova lobanja predolgo odprta - in to je res dvomljiv dogodek - morate z drobnimi možganskimi lizikami delati čim bolj previdno in občutljivo.
In vse to kljub dejstvu, da delate z lubjem - vendar se veliko zanimivih idej na temo NCI ukvarja s strukturami, ki so precej nižje in če stojite na vrhu naših mestnih možganov, bodo ležale na globini 50-100 metrov.
Samo predstavljajte si, koliko se dogaja v naši kocki - in to je le en 500 000. del možganske skorje. Če bi vso velikansko skorjo razbili na enake metrske kocke in jih postavili v vrsto, bi se raztezali za 500 kilometrov - vse do Bostona. In če se odločite za ovinek, ki bo med hitro hojo trajal več kot 100 ur, se lahko kadar koli ustavite in si ogledate kocko in vsa ta zapletenost bo v njem. Vse to je zdaj v vaših možganih.
Neuralink Elona Muska. 3. del: kako srečni bi morali biti, če vas vse to ne zanima
Vaš.
Nazaj na 3. del: letenje nad gnezdom nevronov
Kako se bodo znanstveniki in inženirji spopadli s to situacijo?
Trudijo se kar najbolje izkoristiti orodja, ki jih trenutno imajo - orodja, s katerimi beležijo ali stimulirajo nevrone. Raziščimo možnosti.
NCI orodja
Glede na že narejeno obstajajo trije široki kriteriji, po katerih se ocenjujejo prednosti in slabosti snemalnega instrumenta:
1) Lestvica - koliko nevronov je mogoče zabeležiti.
2) Ločljivost - kako podrobne so informacije, ki jih instrument dobi - prostorske (kako natančno vaši posnetki povedo, kateri od posameznih nevronov streljajo) in časovne (kako dobro lahko ugotovite, kdaj se zgodi aktivnost, ki jo snemate).
3) Invazivnost - ali je operacija nujna in če je tako draga.
Dolgoročni cilj je zbrati kremo od vseh treh in jesti. Toda medtem ko se neizogibno postavlja vprašanje, katerega od teh kriterijev (enega ali dveh) lahko zanemarite? Izbira tega ali onega orodja ni povečanje ali zmanjšanje kakovosti, je kompromis.
Poglejmo, katera orodja se trenutno uporabljajo:
fMRI
- Lestvica: velika (prikazuje informacije iz možganov)
- Ločljivost: nizka do srednja - prostorska, zelo nizka - časovna
- Invazivnost: neinvazivna
fMRI se pogosto ne uporablja v NCI, ampak kot klasično snemalno orodje - daje informacije o dogajanju v možganih.
fMRI uporablja MRI, tehnologijo za slikanje z magnetno resonanco. MRI, izumljen v sedemdesetih letih, je bil razvoj rentgenskega CT skeniranja. Namesto rentgenskih žarkov MRI za ustvarjanje slik telesa in možganov uporablja magnetna polja (skupaj z radijskimi valovi in drugimi signali). Všečkaj to:
Popoln komplet prerezov, ki vam omogočajo, da vidite celotno glavo.
Zelo nenavadna tehnologija.
fMRI ("funkcionalni" MRI) uporablja tehnologijo MRI za sledenje spremembam v pretoku krvi. Kaj za? Ker ko področja možganov postanejo bolj aktivna, porabijo več energije, kar pomeni, da potrebujejo več kisika - zato se na tem območju poveča pretok krvi, da dovede kisik. Tukaj lahko pokaže skeniranje fMRI:
V možganih je seveda vedno kri - ta slika prikazuje, kje se je pretok krvi povečal (rdeča, oranžna, rumena) in kje se je zmanjšal (modra). In ker lahko fMRI skenira celotne možgane, so rezultati tridimenzionalni:
FMRI ima veliko medicinskih uporab, na primer obveščanje zdravnikov o tem, ali določena področja možganov delujejo po možganski kapi, fMRI pa je nevroznanstvenike veliko naučil o tem, katera področja možganov so vključena v te funkcije. Skeniranje vsebuje tudi pomembne informacije o tem, kaj se v določenem trenutku dogaja v možganih, je varno in neinvazivno.
Velika pomanjkljivost je ločljivost. Pregledovanje fMRI ima dobesedno ločljivost, tako kot slikovne pike na računalniškem zaslonu, le da je namesto dvodimenzionalne ločljivost predstavljena s tridimenzionalnimi kubičnimi volumetričnimi slikovnimi pikami - vokseli (vokseli).
FMRI-vokseli so postali manjši, ko se je tehnologija izboljšala, kar je povzročilo večjo prostorsko ločljivost. Vokseli sodobnega fMRI so lahko tako majhni kot kubični milimeter. Prostornina možganov je približno 1.200.000 mm3, zato fMRI skeniranje z visoko ločljivostjo deli možgane na milijon majhnih kock. Težava je v tem, da je na nevronski lestvici tega še vedno precej - vsak voksel vsebuje več deset tisoč nevronov. Torej, v najboljšem primeru fMRI prikazuje povprečni pretok krvi, ki ga vnese vsaka skupina 40.000 nevronov ali tako.
Še večji problem je začasna rešitev. fMRI spremlja pretok krvi, ki je netočen in zaostaja približno sekundo - celo večnost v svetu nevronov.
EEG
- Lestvica: visoka
- Ločljivost: zelo nizka prostorsko, srednje visoka časovna
- Invazivnost: neinvazivna
Izumljen pred skoraj stoletjem, EEG (elektroencefalografija) na glavo postavi veliko elektrod. Všečkaj to:
EEG je vsekakor tehnologija, ki se bo človeku leta 2050 zdela smešno primitivna, a trenutno je eden redkih instrumentov, ki se lahko uporablja s popolnoma neinvazivnim NCI. EEG beleži električno aktivnost na različnih področjih možganov in prikazuje rezultate na naslednji način:
Grafikoni EEG lahko razkrijejo informacije o zdravstvenih težavah, kot so epilepsija, sledijo vzorcem spanja ali določijo stanje odmerka anestezije.
Za razliko od fMRI ima EEG dokaj dobro časovno ločljivost, tako da sprejema električne signale iz možganov, ko se pojavijo - čeprav lobanja časovno natančnost precej zmanjša (kost je slab prevodnik).
Glavna pomanjkljivost je prostorska ločljivost. EEG je nima. Vsaka elektroda zabeleži le povprečno vrednost - vektorsko vsoto nabojev iz milijonov ali milijard nevronov (zamegljenih zaradi lobanje).
Predstavljajte si, da so možgani baseball stadion, njihovi nevroni so ljudje v množici in informacije, ki jih želimo prejeti, bodo namesto električne aktivnosti derivat glasilk. V tem primeru bo EEG skupina mikrofonov zunaj stadiona, zunaj njegovih zunanjih sten. Slišali boste lahko, kdaj bo množica začela skandirati in lahko celo predvideli, o čem bodo kričali. Razlikovalne signale boste lahko prepoznali, če gre za prepir ali če nekdo zmaga. Lahko tudi uredite, če se zgodi kaj nenavadnega. To je vse.
ECoG
- Lestvica: visoka
- Ločljivost: nizka prostorska, visoka časovna
- Invazivnost: prisotna
ECoG (elektrokortikografija) je podoben EEG, ker uporablja tudi elektrode na površini - le postavi jih pod lobanjo na površini možganov.
Neumno. Toda učinkovito - veliko bolj učinkovito kot EEG. Brez motenj lobanje ECoG pokriva višje prostorske (približno 1 cm) in časovne ločljivosti (5 milisekund). Elektrode ECoG lahko namestite nad ali pod trdno oblogo:
Plasti na levi, od zgoraj navzdol: lasišče, lobanja, trda možganovka, arahnoid, pia mater, skorja, bela snov. Desni vir signala: EEG, ECoG, intraparenhimski (LFP itd.)
Če se vrnemo po analogiji z našim stadionom, so mikrofoni ECoG nameščeni znotraj stadiona in bližje množici. Zato bo zvok veliko bolj jasen kot pri mikrofonih EEG zunaj stadiona, EKoG pa bo lahko ločeval med zvoki posameznih segmentov množice. Toda to izboljšanje stane - zahteva invazivno operacijo. Toda po standardih invazivne kirurgije ta poseg ni tako slab. Kot mi je rekel nek kirurg, »razmeroma neinvazivno je, da zalivko postavimo pod duro. V glavo si je treba zabiti luknjo, a to ni tako strašljivo."
Potencial lokalnega polja (LFP)
- Lestvica: majhna
- Ločljivost: srednje nizka prostorska, visoka časovna
- Invazivnost: visoka
Premaknimo se s površinskih elektrodnih diskov na mikroelektrode - drobne igle, ki jih kirurgi zataknejo v možgane.
Medtem ko so nekatere elektrode še danes ročno izdelane, nove tehnologije uporabljajo silicijeve rezine in proizvodne tehnike, izposojene v industriji integriranih vezij.
Delovanje potencialov lokalnih polj je preprosto - vzamete eno tako tanko iglo s konico elektrode in jo vstavite za en ali dva milimetra v skorjo. Tam zbira povprečno vrednost električnih nabojev vseh nevronov v določenem polmeru elektrode.
LFP vam daje ne tako slabo prostorsko ločljivost fMRI v kombinaciji s takojšnjo časovno ločljivostjo ECoG. Po standardih ločljivosti je to verjetno najboljša možnost od vsega naštetega.
Na žalost je grozno tudi drugače.
Za razliko od fMRI, EEG in ECoG, mikroelektroda LFP nima lestvice - pove le, kaj počne majhna krogla, ki jo obdaja. In je veliko bolj invaziven, saj dejansko vstopi v možgane.
Na baseball stadionu je LFP en sam mikrofon, ki visi nad enim delom sedežev, na tem območju pobere jasen zvok in morda tu ali tam za sekundo ali dve ujame ločen glas - toda večinoma zazna splošne vibracije.
Popolnoma nov razvoj je večelektrodni niz, kar je v bistvu ideja LFP, le da je hkrati sestavljen iz 100 LFP. Niz z več elektrodami je videti takole:
Majhen kvadrat 4 x 4 mm s 100 silicijevimi elektrodami. Tu je še ena, tukaj lahko vidite, kako ostre so elektrode - nekaj mikronov na samem koncu:
Registracija posameznih enot
- Lestvica: majhna
- Ločljivost: izjemno visoka
- Invazivnost: zelo visoka
Za snemanje širšega LFP se konica elektrode rahlo zaokroži, da ima elektroda večjo površino, in upor (nepravilen tehnični izraz) se zmanjša, da zajame zelo šibke signale s številnih lokacij. Kot rezultat, elektroda zbira zbor aktivnosti iz lokalnega polja.
Pri registraciji posameznih enot je potrebna tudi igelna elektroda, vendar so njihovi konici zelo ostri in povečana je tudi odpornost. Zaradi tega se večina hrupa premakne in elektroda skoraj nič ne pobere, dokler ni zelo blizu nevrona (nekje v 50 mikronih), signal tega nevrona pa je dovolj močan, da premaga visokoodporno steno elektrode. Ko elektroda sprejema ločene signale iz enega nevrona in nima hrupa v ozadju, lahko opazuje zasebno življenje tega nevrona. Najmanjša možna lestvica, najvišja možna ločljivost.
Nekatere elektrode želijo dvigniti razmerja na naslednjo stopnjo in uporabiti metodo pritrdilne objemke, ki vam omogoča, da odstranite konico elektrode in pustite le drobno cevko, stekleno pipeto, ki bo neposredno vsesala celično membrano nevrona in opravila natančnejše meritve.
Patch clamp ima tudi to prednost: v nasprotju z vsemi drugimi metodami se fizično dotakne nevrona in ne more samo snemati, ampak tudi stimulirati nevrone z vbrizgavanjem toka ali vzdrževanjem napetosti na določeni ravni za izvajanje določenih testov (druge metode lahko stimulirajo le celotne skupine celotni nevroni).
Končno lahko elektrode popolnoma podredijo nevrone in dejansko prodrejo skozi membrano za snemanje. Če je konica dovolj ostra, celice ne bo uničila - membrana je zaprta okoli elektrode in zelo enostavno bo spodbudil nevrona ali zapisal napetostno razliko med zunanjim in notranjim okoljem nevrona. Toda to je kratkoročna tehnika - predrt nevron ne bo dolgo živel.
Na našem stadionu bo registracija posameznih enot videti kot enosmerni mikrofon, pritrjen na ovratnik enega debeluha. Lokalno potencialno vpenjanje je mikrofon v grlu nekoga, ki beleži natančno gibanje glasilk. To je odličen način za spoznavanje človekovih občutkov do igre, vendar bodo odstranjeni iz konteksta in ne bodo uporabljeni za presojo dogajanja v igri ali same osebe.
To je vse, kar imamo. Vsaj to, kar uporabljamo precej pogosto. Ta orodja so hkrati zelo napredna in se bodo ljudem prihodnosti zdela kot tehnologije iz kamene dobe, ki ne bodo verjeli, da smo morali izbrati eno od tehnologij, da bi odprli lobanjo, da bi dobili kakovostne zapise o možganih.
Toda ob vseh njihovih omejitvah so nas ta orodja naučila veliko o možganih in privedla do ustvarjanja prvih radovednih vmesnikov med možgani in računalnikom. O njih več v naslednjem delu.
ILYA KHEL
Prvi del: Človeški kolos
Drugi del: Možgani
Tretji del: Letenje nad gnezdom nevronov
Četrti del: nevroračunalniški vmesniki
Peti del: Problem Neuaralink
Šesti del: Starost čarovnikov 1
Šesti del: Starost čarovnikov 2
Sedmi del: Velika fuzija