Část první: Lidský kolos
Část druhá: Mozek
Část třetí: Létání nad hnízdem neuronů
Část čtvrtá: neuro-počítačová rozhraní
Část pátá: Neuaralinkův problém
Část šestá: Age of Wizards 1
Část šestá: Age of Wizards 2
Část sedm: Velká fúze
Propagační video:
Létání nad hnízdem neuronů
To je Bock. Bocku, děkuji vám a vašim lidem za vymýšlení jazyka.
Děkujeme vám, chceme vám ukázat všechny neuvěřitelné věci, které se nám díky vašemu vynálezu podařilo vybudovat.
Dobře, pojďme Bocka do letadla, pak do ponorky a přetáhneme ho na vrchol Burj Khalifa. Nyní mu ukážeme dalekohled, televizi a iPhone. A nechte ho trochu sedět na internetu.
Byla to zábava. Jak se máš, Bocku?
Ano, chápeme, že jste docela překvapeni. Jako dezert mu ukažme, jak spolu komunikujeme.
Bock by byl šokován, kdyby zjistil, že navzdory všem magickým schopnostem, které lidé díky vzájemnému dialogu získali díky schopnosti mluvit, se proces naší komunikace neliší od toho, jaký byl v jeho době. Když se dva lidé chystají mluvit, používají 50 000 let starou technologii.
Bock bude také překvapen, že ve světě, ve kterém fungují úžasné stroje, se lidé, kteří tyto stroje vytvořili, potulují stejnými biologickými těly, se kterými chodil Bock a jeho přátelé. Jak je tohle možné?
To je důvod, proč jsou tak zajímavá neuro-počítačová rozhraní (BCI) - podmnožina širší oblasti neurálního inženýrství, která je sama podmnožinou biotechnologií. Svými technologiemi jsme opakovaně dobyli svět, ale pokud jde o mozek - náš hlavní nástroj - svět technologií nám nic nedává.
Proto pokračujeme v komunikaci pomocí technologie, kterou vynalezl Bock. Proto píšu tuto větu 20krát pomaleji, než si myslím, a proto si nemoci související s mozkem stále vyžádají příliš mnoho životů.
Ale 50 000 let po tomto velkém objevu se svět může změnit. Další hranicí mozku bude sama.
* * *
Existuje mnoho různých možností pro možná rozhraní mozek-počítač (někdy nazývaná rozhraní mozek-počítač nebo mozek-stroj), které se hodí pro různé věci. Ale každý, kdo pracuje na NQI, se snaží vyřešit jednu, druhou nebo obě tyto otázky:
1. Jak extrahuji potřebné informace z mozku?
2. Jak pošlu potřebné informace do mozku?
První se týká výstupu mozku - tedy záznamu toho, co říkají neurony. Druhá se týká zavedení informací do přirozeného toku mozku nebo nějakým způsobem tento přirozený tok mění - tj. Stimuluje neurony.
Tyto dva procesy neustále probíhají ve vaší hlavě. Právě teď vaše oči provádějí specifickou sadu horizontálních pohybů, které vám umožňují přečíst tuto větu. Jsou to neurony v mozku, které vydávají informace do přístroje (vašich očí) a stroj přijímá příkaz a reaguje. A když se vaše oči pohybují určitým způsobem, fotony z obrazovky pronikají vaší sítnicí a stimulují neurony v okcipitálním laloku vaší kůry, což umožňuje obrazu světa vstoupit do vašeho vědomí. Obraz poté stimuluje neurony v jiné části mozku, což vám umožní zpracovat informace na obrázku a pochopit větu.
Vstup a výstup informací je to, co dělají neurony v mozku. K tomuto procesu se chce připojit celé odvětví NCI.
Zpočátku se zdá, že to není tak náročný úkol. Koneckonců, mozek je jen želé koule. A kůra - část mozku, kterou chceme přidat k našemu záznamu a stimulaci - je jen ubrousek vhodně umístěný na vnější straně mozku, kam je snadno přístupný. Uvnitř kůry je 20 miliard neuronů - 20 miliard malých tranzistorů, které by nám mohly poskytnout zcela nový způsob řízení našich životů, zdraví a světa, pokud se s nimi naučíme pracovat. Je opravdu tak těžké jim porozumět? Neurony jsou malé, ale víme, jak rozdělit atom. Průměr neuronu je 100 000krát větší než atom. Pokud by atom byl lízátko, byl by neuron napříč kilometry - takže bychom určitě měli být schopni pracovat s takovým množstvím. Že jo?
Co je za problém?
Na jedné straně jsou to správné myšlenky, protože vedou k pokroku v této oblasti. Opravdu to dokážeme. Ale jakmile začnete chápat, co se ve skutečnosti v mozku děje, je to okamžitě zřejmé: pro člověka je to nejtěžší úkol.
Než tedy budeme mluvit o samotných NCI, musíme pečlivě prostudovat, co dělají lidé, kteří NCI vytvářejí. Nejlepší je zvětšit mozek 1000krát a zjistit, co se stane.
Pamatujete si naše srovnání mozkové kůry s ubrouskem?
Pokud zvětšíme kůrovou ubrousku 1000krát - a na každé straně to bylo asi 48 centimetrů -, budou to nyní na Manhattanu dva bloky dlouhé. Obejít obvod bude trvat asi 25 minut. A celý mozek bude mít velikost Madison Square Garden.
Pojďme to dát do samotného města. Jsem si jistý, že několik stovek tisíc lidí, kteří tam žijí, nás pochopí.
Z několika důvodů jsem zvolil 1000x zvětšení. Jedním z nich je, že můžeme všichni okamžitě převádět velikosti v naší hlavě. Každý milimetr skutečného mozku se stal metrem. Ve světě neuronů, který je mnohem menší, se každý mikron stal milimetrem, který si lze snadno představit. Zadruhé, kůra se stává „lidskou“velikostí: tloušťka 2 mm je nyní 2 metry - jako vysoký člověk.
Můžeme tedy jít až do 29. ulice, na okraj naší obří ubrousku, a je snadné vidět, co se děje v jeho dvoumetrové tloušťce. Pro demonstraci vytáhneme kubický metr naší obří kůry, abychom ji prozkoumali, uvidíme, co se stane v typickém kubickém milimetru skutečné kůry.
Co vidíme v tomto metru krychlovém? Meshanin. Pojďme to vyčistit a vrátit zpět.
Nejprve položme soma - malá těla všech neuronů, které žijí v této krychli.
Soma se liší velikostí, ale neurologové, s nimiž jsem mluvil, říkají, že somy neuronů v kůře mají nejčastěji průměr 10-15 mikronů (jeden mikron = mikron, 1/1000 milimetru). To znamená, že pokud dáte 7-10 z nich do řady, bude tato linie průměrem vlasů člověka. V našem měřítku bude mít sumec průměr 1-1,5 centimetru. Lízátko.
Objem celé kůry zapadá do 500 000 kubických milimetrů a v tomto prostoru bude asi 20 miliard somů. To znamená, že průměrný kubický milimetr kůry obsahuje asi 40 000 neuronů. To znamená, že v našem metru krychlovém je asi 40 000 cukrovinek. Rozdělíme-li naši krabici na 40 000 kostek, každá s hranou 3 cm, bude každý z našich sladkých sumců ve středu své vlastní 3 cm kostky a všechny ostatní sumce budou 3 cm ve všech směrech.
Jsi tu teď? Dokážete si představit naši měřicí kostku se 40 000 plovoucími bonbóny?
Zde je mikroskopický obraz sumce ve skutečné kůře; všechno ostatní kolem ní bylo odstraněno:
Dobře, zatím to nevypadá tak komplikovaně. Ale soma je jen nepatrným zlomkem každého neuronu. Z každé z našich lízátek vyčnívají zkroucené, rozvětvené dendrity, které se v našem měřítku mohou táhnout tři až čtyři metry v nejrůznějších směrech a na druhém konci může být axon dlouhý 100 metrů (pokud jde do jiné části kůry) nebo kilometr (pokud sestupuje) do míchy a těla). Každý z nich je milimetr silný a tyto dráty transformují kůru na pevně tkané elektrické vermicelli.
A v tomto vermicelli se toho děje hodně. Každý neuron má synaptická spojení s 1 000 - někdy až 10 000 - jinými neurony. Jelikož v kůře je asi 20 miliard neuronů, znamená to, že bude existovat více než 20 bilionů jednotlivých nervových spojení (a kvadrilionová spojení v celém mozku). V našem metru krychlovém bude více než 20 milionů synapsí.
Díky tomu všemu vyzařují nejen houby vermicelli z každých 40 000 cukrovinek v naší krychli, ale tisíce dalších špaget procházejí naší krychlí z jiných částí kůry. A to znamená, že pokud bychom se pokoušeli zaznamenávat signály nebo stimulovat neurony konkrétně v této kubické oblasti, museli bychom být velmi obtížní, protože ve spaghetti jumble by bylo obtížné určit, které prameny špaget patří k našemu sumčímu bonbónu (a nedej bože, tato pasta bude obsahovat Purkyňových buněk).
A samozřejmě nezapomeňte na neuroplasticitu. Napětí každého neuronu se neustále mění, stokrát za sekundu. A desítky milionů synaptických spojení v naší krychli budou neustále měnit velikost, zmizet a znovu se objevit.
Ale to je jen začátek.
Ukázalo se, že gliové buňky existují také v mozku - buňky, které přicházejí v mnoha různých typech a plní mnoho různých funkcí, jako je vyplavování chemikálií uvolňovaných v synapsích, balení axonů myelinem a podávání mozkovému imunitnímu systému. Zde jsou některé z nejběžnějších typů gliových buněk:
A kolik gliových buněk je v kůře? Přibližně stejný počet jako neurony. Přidejte tedy do naší krychle dalších 40 000 těchto věcí.
Konečně existují krevní cévy. Každý kubický milimetr kůry obsahuje asi metr drobných cév. V našem měřítku to znamená, že v našem metru krychlovém je kilometr krevních cév. Takto vypadají:
Odbočení v Connectomu
Takže naše měřicí skříňka je zabalena a naplněna elektrifikovanou náplní různé složitosti. Vzpomeňme si, že naše krabice má ve skutečnosti kubický milimetr.
Inženýři rozhraní Neurocomputer musí buď zjistit, co říkají mikroskopické sumce zakopané v tomto milimetru, nebo stimulovat určité sumce, aby dělali správné věci. Hodně štěstí.
S naším 1000krát zvětšeným mozkem by to bylo pro nás obtížné. S mozkem, který se dokonale promění v ubrousek. Ale ve skutečnosti takový není - tento ubrousek leží na vrcholu mozku plného záhybů (které jsou v našem měřítku hluboké 5 až 30 metrů). Ve skutečnosti je méně než třetina kůry ubrousku na povrchu mozku - většina z nich leží v záhybech.
V laboratoři navíc není tolik materiálu, se kterým by se dalo pracovat. Mozek je pokryt v mnoha vrstvách, včetně lebky - která by při 1000násobném zvětšení měla tloušťku 7 metrů. A protože většina lidí nemá opravdu ráda, když je jejich lebka otevřená příliš dlouho - a to je opravdu pochybná událost - musíte pracovat s malými mozkovými lízátky co nejopatrněji a nejjemněji.
A to vše navzdory skutečnosti, že pracujete s kůrou - ale spousta zajímavých nápadů na téma NCI se zabývá strukturami, které jsou mnohem nižší, a pokud stojíte na vrcholu našeho městského mozku, budou ležet v hloubce 50-100 metrů.
Jen si představte, kolik se toho děje v naší kostce - a to je jen jedna 500 000. část mozkové kůry. Pokud bychom celou naši gigantickou kůru rozbili na stejně velké kostky a postavili je do řady, natáhli by se 500 kilometrů - až do Bostonu. A pokud se rozhodnete udělat objížďku, která při rychlé chůzi bude trvat více než 100 hodin, můžete se kdykoli zastavit a podívat se na kostku a celá ta složitost bude v něm. To vše je nyní ve vašem mozku.
Neuralink Elona Muska. Část 3: Jak byste měli být šťastní, pokud vám na tom všem nezáleží
Vaše.
Zpět k části 3: létání nad hnízdem neuronů
Jak se k této situaci postaví vědci a inženýři?
Snaží se vytěžit maximum z nástrojů, které v současné době mají - nástrojů, které používají k záznamu nebo stimulaci neuronů. Pojďme prozkoumat možnosti.
Nástroje NCI
S tím, co již bylo provedeno, lze rozlišit tři široká kritéria, podle nichž se posuzují výhody a nevýhody záznamového nástroje:
1) Měřítko - kolik neuronů lze zaznamenat.
2) Rozlišení - jak podrobné jsou informace, které nástroj přijímá - prostorové (jak přesně vaše nahrávky říkají, které z jednotlivých neuronů střílejí) a časové (jak dobře poznáte, kdy dojde k aktivitě, kterou nahráváte).
3) Invazivnost - zda je nutná operace, a pokud ano, jak drahá.
Dlouhodobým cílem je shromáždit krém od všech tří a jíst. Ale i když nevyhnutelně vyvstává otázka, které z těchto kritérií (jedno nebo dvě) můžete zanedbávat? Volba toho či onoho nástroje neznamená zvýšení nebo snížení kvality, je to kompromis.
Podívejme se, jaké nástroje se aktuálně používají:
fMRI
- Měřítko: velké (zobrazuje informace z celého mozku)
- Rozlišení: nízké až střední - prostorové, velmi nízké - časové
- Invazivita: neinvazivní
fMRI se často nepoužívá v NCI, ale jako klasický záznamový nástroj - poskytuje vám informace o tom, co se děje uvnitř mozku.
fMRI používá MRI, technologii pro zobrazování magnetickou rezonancí. Vynalezeno v 70. letech 20. století bylo MRI vývojem rentgenového CT skenování. Místo rentgenového záření používá MRI magnetické pole (spolu s rádiovými vlnami a dalšími signály) k vytváření obrazů těla a mozku. Takhle:
Kompletní sada průřezů, které vám umožní vidět celou hlavu.
Velmi neobvyklá technologie.
fMRI („funkční“MRI) používá technologii MRI ke sledování změn v průtoku krve. K čemu? Vzhledem k tomu, že oblasti mozku se stávají aktivnějšími, spotřebovávají více energie, což znamená, že potřebují více kyslíku - takže se v této oblasti zvyšuje průtok krve, aby se tento kyslík dodával. Zde může ukázat fMRI sken:
Samozřejmě vždy existuje krev v mozku - tento obrázek ukazuje, kde se zvýšil průtok krve (červená, oranžová, žlutá) a kde se snížil (modrá). A protože fMRI může skenovat celý mozek, výsledky jsou trojrozměrné:
FMRI má mnoho lékařských využití, například informování lékařů o tom, zda určité oblasti mozku po cévní mozkové příhodě fungují, a fMRI naučil neurovědy hodně o tom, které oblasti mozku se na těchto funkcích podílejí. Sken také poskytuje důležité informace o tom, co se děje v mozku v určitém okamžiku, je bezpečné a neinvazivní.
Velkou nevýhodou je rozlišení. Skenování fMRI má doslovné rozlišení, jako pixely obrazovky počítače, ale místo dvourozměrného je jeho rozlišení reprezentováno trojrozměrnými kubickými objemovými pixely - voxely (voxel).
FMRI voxely se zmenšovaly s vylepšením technologie, což vedlo ke zvýšenému prostorovému rozlišení. Voldy moderního fMRI mohou být malé až kubický milimetr. Objem mozku je přibližně 1 200 000 mm3, takže skenování fMRI s vysokým rozlišením rozděluje mozek na jeden milion malých kostek. Problém je v tom, že v neurálním měřítku je to stále docela dost - každý voxel obsahuje desítky tisíc neuronů. V nejlepším případě tedy fMRI ukazuje průměrný průtok krve nasávaný každou skupinou přibližně 40 000 neuronů.
Ještě větším problémem je dočasné řešení. fMRI monitoruje průtok krve, který je nepřesný a nastává se zpožděním asi sekundy - věčnost ve světě neuronů.
EEG
- Měřítko: vysoké
- Rozlišení: velmi nízké prostorově, středně vysoké časové
- Invazivita: neinvazivní
EEG (elektroencefalografie), který byl vynalezen před téměř stoletím, umisťuje na hlavu mnoho elektrod. Takhle:
EEG je určitě technologie, která bude v roce 2050 vypadat pro člověka směšně primitivně, ale v současné době je to jeden z mála nástrojů, které lze použít se zcela neinvazivními NCI. EEG zaznamenává elektrickou aktivitu v různých oblastech mozku a výsledky zobrazuje následovně:
Grafy EEG mohou odhalit informace o zdravotních problémech, jako je epilepsie, sledovat spánkové vzorce nebo určit stav dávky anestezie.
Na rozdíl od fMRI má EEG poměrně dobré časové rozlišení, přičemž přijímá elektrické signály z mozku, jak se objevují - i když lebka časovou přesnost značně oslabuje (kost je špatný vodič).
Hlavní nevýhodou je prostorové rozlišení. EEG to nemá. Každá elektroda registruje pouze průměrnou hodnotu - vektorový součet nábojů z milionů nebo miliard neuronů (rozmazaný kvůli lebce).
Představte si, že mozek je baseballový stadion, jeho neurony jsou lidé v davu a informace, které chceme přijímat, budou místo elektrické aktivity derivátem hlasivek. V tomto případě bude EEG skupina mikrofonů mimo stadion, mimo jeho vnější stěny. Budete slyšet, kdy dav začne skandovat, a můžete dokonce předpovědět, na co se chystají křičet. Budete-li mít těsný boj nebo někdo vyhraje, budete schopni rozeznat výrazné signály. Můžete také vyřešit, pokud se stane něco neobvyklého. To je vše.
ECoG
- Měřítko: vysoké
- Rozlišení: nízké prostorové, vysoké časové
- Invazivita: přítomna
ECoG (elektrokortikografie) je podobný EEG v tom, že také používá elektrody na povrchu - pouze je umisťuje pod lebku na povrch mozku.
Němý. Ale efektivní - mnohem efektivnější než EEG. Bez rušení lebky pokrývá ECoG vyšší prostorové (asi 1 cm) a časové rozlišení (5 milisekund). Elektrody ECoG lze umístit nad nebo pod tvrdou plenu:
Vrstvy vlevo, shora dolů: pokožka hlavy, lebka, dura mater, pavoukovec, pia mater, kůra, bílá hmota. Zdroj pravého signálu: EEG, ECoG, intraparenchymální (LFP atd.)
Vracíme se k analogii s naším stadionem, mikrofony ECoG jsou umístěny uvnitř stadionu a blíže k davu. Zvuk bude tedy mnohem jasnější než zvuk EEG mikrofonů mimo stadion a EKoG bude schopen rozlišovat mezi zvuky jednotlivých segmentů davu. Ale toto vylepšení stojí peníze - vyžaduje invazivní chirurgii. Ale podle standardů invazivní chirurgie není tento zásah tak špatný. Jak mi řekl jeden chirurg: „Je poměrně neinvazivní umístit výplň pod tvrdost. Musíte si strčit díru do hlavy, ale není to tak děsivé. “
Potenciál místního pole (LFP)
- Měřítko: malé
- Rozlišení: středně nízké prostorové, vysoké časové
- Invazivita: vysoká
Pojďme přejít od povrchových elektrodových disků k mikroelektrodám - malým jehličkám, které chirurgové vpíchnou do mozku.
Zatímco některé elektrody jsou dodnes vyráběny ručně, nové technologie využívají křemíkové destičky a výrobní techniky vypůjčené z průmyslu integrovaných obvodů.
Způsob práce místních potenciálů pole je jednoduchý - vezmete si jednu takovou ultratenkou jehlu s hrotem elektrody a vložíte ji jeden nebo dva milimetry do kůry. Tam shromažďuje průměrnou hodnotu elektrických nábojů ze všech neuronů v určitém poloměru elektrody.
LFP vám dává ne tak špatné prostorové rozlišení fMRI v kombinaci s okamžitým dočasným rozlišením ECoG. Podle standardů řešení je to pravděpodobně nejlepší volba ze všech výše uvedených.
Bohužel je to hrozné i jinými způsoby.
Na rozdíl od fMRI, EEG a ECoG nemá mikroelektroda LFP žádnou stupnici - pouze vám řekne, co dělá malá sféra kolem ní. A je mnohem invazivnější, protože ve skutečnosti vstupuje do mozku.
Na baseballovém stadionu je LFP jediný mikrofon visící nad jednou částí sedadel, který v této oblasti zachytí jasný zvuk a možná na druhou nebo dvě zachytí samostatný hlas sem a tam - ale většinou snímá obecnou vibraci.
A zcela novým vývojem je pole s více elektrodami, což je v podstatě myšlenka LFP, pouze se skládá ze 100 LFP najednou. Pole více elektrod vypadá takto:
Malý čtverec 4 x 4 mm se 100 křemíkovými elektrodami. Zde je další, zde můžete vidět, jak ostré jsou elektrody - několik mikronů na samém konci:
Registrace jednotlivých jednotek
- Měřítko: malé
- Rozlišení: velmi vysoké
- Invazivita: velmi vysoká
Chcete-li zaznamenat širší LFP, je špička elektrody mírně zaoblená, aby měla elektroda větší plochu, a odpor (nesprávný technický výraz) se sníží, aby se zachytily velmi slabé signály ze širokého rozsahu míst. Výsledkem je, že elektroda sbírá sbor aktivity z místního pole.
Registrace jednotlivých jednotek zahrnuje také jehlovou elektrodu, ale jejich hroty jsou velmi ostré a zvyšuje se také odpor. Díky tomu je většina šumu přemístěna a elektroda prakticky nic nezachytí, dokud není velmi blízko neuronu (někde v 50 mikronech), a signál z tohoto neuronu je dostatečně silný, aby překonal stěnu elektrody s vysokým odporem. Tato elektroda, která přijímá samostatné signály z jednoho neuronu a nemá žádný hluk pozadí, může pozorovat soukromý život tohoto neuronu. Nejmenší možné měřítko, nejvyšší možné rozlišení.
Některé elektrody chtějí posunout vztahy na další úroveň a použít metodu patch clamp, která vám umožní odstranit špičku elektrody a ponechat jen malou trubičku, skleněnou pipetu, která přímo nasaje buněčnou membránu neuronu a provede jemnější měření.
Patch clamp má také tuto výhodu: na rozdíl od všech ostatních metod se fyzicky dotýká neuronu a může nejen zaznamenávat, ale také stimulovat neuron injektováním proudu nebo udržováním napětí na určité úrovni za účelem provedení konkrétních testů (jiné metody mohou stimulovat pouze celé skupiny celé neurony).
Nakonec mohou elektrody zcela podmanit neuron a skutečně proniknout membránou, aby mohly zaznamenávat. Pokud je špička dostatečně ostrá, nezničí to buňku - membrána se nějak utěsní kolem elektrody a bude velmi snadné stimulovat neuron nebo zaznamenat rozdíl napětí mezi vnějším a vnitřním prostředím neuronu. Jedná se ale o krátkodobou techniku - propíchnutý neuron nebude dlouho žít.
Na našem stadionu bude registrace jednotlivých jednotek vypadat jako jednosměrný mikrofon připevněný k límci jednoho tlustého muže. Lokálním upínáním potenciálu je mikrofon v krku někoho, který zaznamenává přesný pohyb hlasivek. Je to skvělý způsob, jak se dozvědět o pocitech člověka ze hry, ale budou vytrženy z kontextu a nelze je použít k posouzení toho, co se ve hře děje nebo o osobě samotné.
To je vše, co máme. Alespoň to používáme docela často. Tyto nástroje jsou zároveň velmi pokročilé a budou lidem budoucnosti vypadat jako technologie doby kamenné, kteří nebudou věřit, že jsme museli zvolit jednu z technologií, abychom otevřeli lebku, abychom získali vysoce kvalitní záznamy o mozku.
Ale se všemi svými omezeními nás tyto nástroje hodně naučily o mozku a vedly k vytvoření prvních kuriózních rozhraní mozek-počítač. Více o nich v další části.
ILYA KHEL
Část první: Lidský kolos
Část druhá: Mozek
Část třetí: Létání nad hnízdem neuronů
Část čtvrtá: neuro-počítačová rozhraní
Část pátá: Neuaralinkův problém
Část šestá: Age of Wizards 1
Část šestá: Age of Wizards 2
Část sedm: Velká fúze