Част първа: Човешкият колос
Част втора: Мозъкът
Част трета: Полет над гнездото на невроните
Част четвърта: Неврокомпютърни интерфейси
Част пета: Проблемът с Neuaralink
Част шеста: Възраст на магьосниците 1
Част шеста: Възраст на магьосниците 2
Част седма: Големият синтез
Промоционално видео:
Летене над гнездото на неврони
Това е Бок. Бок, благодаря на вас и вашите хора, че сте измислили език.
За да ви благодарим, искаме да ви покажем всички невероятни неща, които успяхме да изградим благодарение на вашето изобретение.
Добре, нека сложим Бок в самолет, след това в подводница, след което го плъзнем до върха на Бурж Халифа. Сега нека му покажем телескоп, телевизор и iPhone. И го оставете да седне малко в интернет.
Беше забавно. Как си, Бок?
Да, разбираме, че сте доста изненадани. За десерт, нека му покажем как общуваме помежду си.
Бок би бил шокиран, ако разбере, че въпреки всички магически способности, които хората са придобили в резултат на диалог помежду си, благодарение на способността да говорят, процесът на нашето общуване не се различава от това, което е било по негово време. Когато двама души са на път да говорят, те използват 50 000-годишна технология.
Бок също ще бъде изненадан, че в свят, в който работят удивителни машини, хората, които са накарали тези машини да бродят със същите биологични тела, с които са ходили Бок и приятелите му. Как е възможно?
Ето защо неврокомпютърните интерфейси (BCI) - подмножество от по-широкото поле на невронното инженерство, което само по себе си е подмножество на биотехнологиите - са толкова интересни. Неведнъж сме завладявали света с нашите технологии, но що се отнася до мозъка - нашият основен инструмент - светът на технологиите не ни дава нищо.
Следователно ние продължаваме да общуваме, използвайки технологията, изобретена от Bock. Следователно пиша това изречение 20 пъти по-бавно, отколкото мисля, и следователно свързаните с мозъка заболявания все още отнемат твърде много животи.
Но 50 000 години след това голямо откритие светът може да се промени. Следващата граница на мозъка ще бъде самата тя.
* * *
Има много различни опции за възможни интерфейси мозък-компютър (понякога наричани интерфейси мозък-компютър или мозък-машина), които са полезни за различни неща. Но всеки, който работи по NCI, се опитва да реши единия, втория или и двата въпроса:
1. Как ще извлека необходимата информация от мозъка?
2. Как ще изпратя необходимата информация на мозъка?
Първият се отнася до изхода на мозъка - тоест записа на това, което казват невроните. Втората се отнася до въвеждането на информация в естествения мозъчен поток или промяната на този естествен поток по някакъв начин - т.е. стимулиране на невроните.
Тези два процеса непрекъснато се случват в главата ви. В момента очите ви изпълняват определен набор от хоризонтални движения, които ви позволяват да прочетете това изречение. Невроните в мозъка извеждат информация към машината (очите ви) и машината получава командата и реагира. И когато очите ви се движат по определен начин, фотоните от екрана проникват в ретината ви и стимулират невроните в тилната част на вашата кора, позволявайки на картината на света да влезе в съзнанието ви. След това картината стимулира невроните в друга част на мозъка ви, което ви позволява да обработите информацията в картината и да осмислите изречението.
Входът и изходът на информация е това, което правят невроните на мозъка. Цялата индустрия на NCI иска да се присъедини към този процес.
Отначало изглежда, че това не е толкова трудна задача. В крайна сметка мозъкът е просто желирана топка. А кората на мозъка - частта от мозъка, която искаме да добавим към нашия запис и стимулация - е просто салфетка, удобно разположена от външната страна на мозъка, където може да бъде лесно достъпна. Вътре в кората има 20 милиарда неврони - 20 милиарда малки транзистори, които биха могли да ни дадат съвсем нов начин да контролираме живота си, здравето и света, ако се научим да работим с тях. Наистина ли е толкова трудно да ги разберем? Невроните са малки, но ние знаем как да разделим атом. Диаметърът на неврона е 100 000 пъти по-голям от размера на атом. Ако атомът беше близалка, невронът щеше да бъде на километри в диаметър - така че определено трябва да можем да работим с такива количества. Нали?
Какъв е проблема?
От една страна, това са правилните мисли, защото те водят до напредък в тази област. Наистина можем да го направим. Но щом започнете да разбирате какво всъщност се случва в мозъка, веднага става очевидно: това е най-трудната задача за човек.
Ето защо, преди да говорим за самите NCI, трябва внимателно да проучим какво правят хората, които създават NCI. Най-хубавото е да увеличите мозъка 1000 пъти и да видите какво ще стане.
Спомняте ли си сравнението на мозъчната кора със салфетка?
Ако разширим салфетката от кора с 1000 пъти - а тя е била около 48 сантиметра от всяка страна - в Манхатън ще има дължина два блока. Около периметъра ще отнеме около 25 минути. И целият мозък ще бъде с размерите на Медисън Скуеър Гардън.
Нека го загасим в самия град. Сигурен съм, че няколкостотин хиляди души, които живеят там, ще ни разберат.
Избрах увеличение от 1000 пъти по няколко причини. Едно от тях е, че всички ние можем незабавно да преобразуваме размерите в главата си. Всеки милиметър от действителния мозък се е превърнал в метър. В свят на неврони, който е много по-малък, всеки микрон се е превърнал в милиметър, който е лесно да си представим. На второ място, кората става "човешка" по размер: 2 мм дебелина сега е 2 метра - като висок човек.
По този начин можем да стигнем до 29-та улица, до ръба на нашата гигантска салфетка, и е лесно да видим какво се случва в нейната дебелина от два метра. За демонстрация, нека извадим кубичен метър от нашата гигантска кора, за да я изследваме, да видим какво се случва в типичен кубичен милиметър от истинска кора.
Какво виждаме в този кубичен метър? Мешанин. Да го почистим и да го върнем обратно.
Първо, нека поставим сомите - малките тела на всички неврони, които живеят в този куб.
Сомите се различават по размер, но невролозите, с които говорих, казват, че сомите на невроните в кората най-често са с диаметър 10-15 микрона (един микрон = микрона, 1/1000 милиметра). Тоест, ако поставите 7-10 от тях в линия, тази линия ще бъде диаметърът на косата на човек. В нашия мащаб сомът ще бъде с диаметър 1-1,5 сантиметра. Близалка.
Обемът на цялата кора се побира на 500 000 кубични милиметра и това пространство ще съдържа около 20 милиарда сома. Тоест, средният кубичен милиметър на кората съдържа около 40 000 неврони. Тоест, в нашия кубичен метър има около 40 000 бонбони. Ако разделим кутията си на 40 000 кубчета, всяка с 3 см ръб, всеки от нашите бонбони сомчета ще бъде в центъра на собствения си куб 3 см, а всички останали сомове ще бъдат 3 см във всички посоки.
Тук ли сте сега? Можете ли да си представите нашия метър куб с 40 000 плаващи бонбони?
Ето микроскопично изображение на сом в истинска кора; всичко останало около нея е премахнато:
Добре, засега не изглежда толкова сложно. Но сомата е само малка част от всеки неврон. От всеки от нашите близалки се простират усукани, разклонени дендрити, които в нашия мащаб могат да се простират от три до четири метра в най-различни посоки, а в другия край може да има аксон с дължина 100 метра (ако преминава в друга част на кората) или километър (ако се спуска надолу) в гръбначния мозък и тялото). Всеки от тях е с дебелина милиметър и тези жици превръщат кората в плътно електрически фиде.
И много се случва в тази фиде. Всеки неврон има синаптични връзки с 1000 - понякога до 10 000 - други неврони. Тъй като в кората има около 20 милиарда неврони, това означава, че ще има повече от 20 трилиона отделни невронни връзки (и квадрилион връзки в целия мозък). В нашия кубичен метър ще има над 20 милиона синапса.
С всичко това не само от всеки от 40 000 близалки в нашия куб има гъсталаци от фиде, но хиляди други спагети минават през нашия куб от други части на кората. И това означава, че ако се опитаме да запишем сигнали или стимулираме неврони специално в този кубичен регион, ще трябва да бъдем много трудни, тъй като в бъркането на спагети ще бъде трудно да се определи кои нишки спагети принадлежат към нашия бонбон от сом (и не дай боже, тази паста ще съдържа Клетки от Purkinje).
И, разбира се, не забравяйте за невропластичността. Напрежението на всеки неврон постоянно се променя, стотици пъти в секунда. И десетки милиони синаптични връзки в нашия куб постоянно ще променят размера си, ще изчезнат и ще се появят отново.
Но това е само началото.
Оказва се, че глиалните клетки също съществуват в мозъка - клетки, които идват в много различни видове и изпълняват много различни функции, като измиване на химикали, отделяни в синапсите, обвиване на аксони с миелин и обслужване на имунната система на мозъка. Ето някои от най-често срещаните видове глиални клетки:
И колко глиални клетки има в кората? Приблизително същия брой като невроните. Така че добавете още 40 000 от тези неща към нашия куб.
И накрая, има кръвоносни съдове. Всеки кубичен милиметър кора съдържа около метър малки кръвоносни съдове. В нашия мащаб това означава, че в нашия кубичен метър има километър кръвоносни съдове. Ето как изглеждат те:
Отклонение от Connectoma
И така, нашата измервателна кутия е опакована, пълна с електрифициран пълнеж с различна сложност. Нека сега си спомним, че нашата кутия всъщност е с размер кубичен милиметър.
Инженерите на неврокомпютърния интерфейс трябва или да разберат какво казват микроскопичните сомове, заровени в този милиметър, или да стимулират определени сомове да правят правилните неща. Успех за тях.
За нас би било трудно да направим това с 1000 пъти увеличения си мозък. С мозък, който идеално се превръща в салфетка. Но в действителност той не е такъв - тази салфетка лежи върху мозък, пълен с гънки (които според нашата скала са дълбоки от 5 до 30 метра). Всъщност по-малко от една трета от кората на салфетката е на повърхността на мозъка - по-голямата част се намира в гънките.
Освен това няма толкова много материали, с които е възможно да се работи в лабораторията. Мозъкът е покрит с много слоеве, включително черепа - който при 1000-кратно увеличение би бил с дебелина 7 метра. И тъй като повечето хора всъщност не харесват, когато черепът им е отворен твърде дълго - и наистина това е съмнително събитие - трябва да работите с малки мозъчни близалки възможно най-внимателно и деликатно.
И всичко това въпреки факта, че работите с кората - но много интересни идеи по темата за NCI се занимават със структури, които са много по-ниски и ако застанете на върха на нашия градски мозък, те ще лежат на дълбочина 50-100 метра.
Само си представете колко се случва в нашия куб - и това е само една 500 000-та част от мозъчната кора. Ако начупим цялата си гигантска кора на еднакви метрова кубчета и ги подредим, те ще се простират на 500 километра - чак до Бостън. И ако решите да направите обход, който ще отнеме повече от 100 часа, докато вървите бързо, по всяко време можете да спрете и да погледнете куба и цялата тази сложност ще бъде вътре в него. Всичко това вече е във вашия мозък.
Neuralink на Илон Мъск. Част 3: колко щастлив трябва да бъдеш, ако не ти пука за всичко това
Вашият.
Обратно към част 3: летене над гнездото на неврони
Как ще се справят учените и инженерите с тази ситуация?
Те се опитват да извлекат максимума от инструментите, които имат в момента - инструментите, които използват, за да записват или стимулират невроните. Нека да проучим опциите.
NCI инструменти
С вече направеното могат да се разграничат три широки критерия, по които се оценяват плюсовете и минусите на записващ инструмент:
1) Скала - колко неврони могат да бъдат записани.
2) Разделителна способност - колко подробна е информацията, която инструментът получава - пространствена (доколко вашите записи показват кои от отделните неврони изстрелват) и времева (колко добре можете да разберете кога се случва активността, която записвате).
3) Инвазивност - дали е необходима операция и ако да, колко скъпа.
Дългосрочната цел е да се събере сметаната и от трите и да се яде. Но докато въпросът неизбежно възниква, кой от тези критерии (един или два) можете да пренебрегнете? Изборът на този или онзи инструмент не е повишаване или намаляване на качеството, а компромис.
Нека да видим какви инструменти се използват в момента:
fMRI
- Мащаб: голям (показва информация от мозъка)
- Резолюция: ниска до средна - пространствена, много ниска - времева
- Инвазивност: неинвазивна
fMRI се използва по-често не в NCI, а като класически инструмент за запис - дава ви информация за случващото се в мозъка.
fMRI използва MRI, технология за ядрено-магнитен резонанс. Изобретен през 70-те години на миналия век, ЯМР е еволюцията на рентгеновото КТ сканиране. Вместо рентгенови лъчи, ЯМР използва магнитни полета (заедно с радиовълни и други сигнали), за да създаде образи на тялото и мозъка. Като този:
Пълен набор от напречни сечения, които ви позволяват да видите цялата глава.
Много необичайна технология.
fMRI ("функционален" MRI) използва MRI технология за проследяване на промените в кръвния поток. За какво? Защото, когато областите на мозъка станат по-активни, те консумират повече енергия, което означава, че се нуждаят от повече кислород - така притока на кръв се увеличава в тази област, за да достави този кислород. Ето какво може да покаже fMRI сканирането:
Разбира се, в мозъка винаги има кръв - това изображение показва къде се е увеличил притока на кръв (червен, оранжев, жълт) и къде е намалял (син). И тъй като fMRI може да сканира целия мозък, резултатите са триизмерни:
FMRI има много медицински приложения, като например информиране на лекарите дали някои области на мозъка функционират след инсулт, а fMRI е научил много на невролозите за това кои области на мозъка участват в тези функции. Сканирането също така предоставя важна информация за това, което се случва в мозъка в определен момент от времето, то е безопасно и неинвазивно.
Големият недостатък е резолюцията. Сканирането на fMRI има буквална разделителна способност, подобно на пикселите на екрана на компютъра, само вместо двуизмерна, неговата резолюция е представена от триизмерни кубични обемни пиксели - воксели (воксели).
FMRI вокселите стават по-малки, тъй като технологията се подобрява, което води до повишена пространствена разделителна способност. Вокселите на съвременния fMRI могат да бъдат колкото кубичен милиметър. Обемът на мозъка е около 1 200 000 mm3, така че fMRI сканирането с висока резолюция разделя мозъка на един милион малки кубчета. Проблемът е, че в невронна скала това все още е доста - всеки воксел съдържа десетки хиляди неврони. Така че, в най-добрия случай, fMRI показва средния приток на кръв, привличан от всяка група от 40 000 неврони или така.
Още по-голям проблем е временното разрешаване. fMRI наблюдава кръвния поток, който е неточен и се случва със закъснение от около секунда - цяла вечност в света на невроните.
ЕЕГ
- Скала: висока
- Резолюция: много ниска в пространството, средно-висока във времето
- Инвазивност: неинвазивна
Изобретена преди почти век, ЕЕГ (електроенцефалография) поставя много електроди на главата. Като този:
ЕЕГ определено е технология, която ще изглежда абсурдно примитивна за хората през 2050 г., но в момента тя е един от малкото инструменти, които могат да се използват с напълно неинвазивен NCI. ЕЕГ записва електрическа активност в различни области на мозъка, като показва резултатите, както следва:
ЕЕГ диаграмите могат да разкрият информация за медицински проблеми като епилепсия, да проследят режима на сън или да определят състоянието на дозата на анестезия.
За разлика от fMRI, ЕЕГ има доста добра времева разделителна способност, като получава електрически сигнали от мозъка, както се появяват - въпреки че черепът значително разрежда времевата точност (костта е лош проводник).
Основният недостатък е пространствената разделителна способност. ЕЕГ го няма. Всеки електрод регистрира само средната стойност - векторната сума от заряди от милиони или милиарди неврони (замъглени поради черепа).
Представете си, че мозъкът е бейзболен стадион, неговите неврони са хора в тълпа и информацията, която искаме да получим, вместо електрическа активност, ще бъде производно на гласните струни. В този случай ЕЕГ ще бъде група микрофони извън стадиона, извън външните му стени. Ще можете да чуете кога тълпата ще започне да скандира и дори можете да предскажете за какво ще викат. Ще можете да различите отличителните сигнали, ако има близък бой или някой печели. Можете също така да подредите, ако се случи нещо необичайно. Това е всичко.
ECoG
- Скала: висока
- Резолюция: ниско пространствено, високо времево
- Инвазивност: присъства
ECoG (електрокортикография) е подобен на ЕЕГ, тъй като той също използва електроди на повърхността - той просто ги поставя под черепа на повърхността на мозъка.
Тъпо. Но ефективно - много по-ефективно от ЕЕГ. Без намесата от черепа, ECoG покрива по-високи пространствени (около 1 см) и времеви разделителни способности (5 милисекунди). ECoG електродите могат да бъдат поставени над или под твърдата мозъчна обвивка:
Слоеве отляво, отгоре надолу: скалп, череп, твърда мозъчна обвивка, арахноид, пиа матер, кора, бяло вещество. Източник на десен сигнал: EEG, ECoG, интрапаренхимен (LFP и др.)
Връщайки се към аналогията с нашия стадион, микрофоните ECoG са разположени вътре в стадиона и по-близо до тълпата. Следователно звукът ще бъде много по-ясен от този на ЕЕГ микрофоните извън стадиона и EKoG ще може да прави разлика между звуците на отделни сегменти от тълпата. Но това подобрение струва пари - изисква инвазивна хирургия. Но според стандартите на инвазивната хирургия тази намеса не е чак толкова лоша. Както ми каза един хирург, „сравнително неинвазивно е поставянето на пломбата под твърдата мозъчна обвивка. Трябва да си пробиеш дупка в главата, но не е толкова страшно."
Потенциал на местното поле (LFP)
- Мащаб: малък
- Резолюция: средно-ниско пространствено, високо времево
- Инвазивност: висока
Нека да преминем от дискове с повърхностни електроди към микроелектроди - малки иглички, които хирурзите залепват в мозъка.
Докато някои електроди са все още ръчно изработени днес, новите технологии използват силиконови пластини и производствени техники, заимствани от индустрията на интегралните схеми.
Начинът, по който локалните полеви потенциали работят, е прост - вземете една такава ултратънка игла с накрайник на електрода и я вкарайте един или два милиметра в кората. Там той събира средната стойност на електрическите заряди от всички неврони в определен радиус на електрода.
LFP ви дава не толкова лоша пространствена fMRI разделителна способност, комбинирана с моментна ECoG временна разделителна способност. Според стандартите за резолюция това е може би най-добрият вариант от всички изброени по-горе.
За съжаление е ужасно и по други начини.
За разлика от fMRI, EEG и ECoG, LFP микроелектродът няма мащаб - той само ви казва какво прави малката сфера около него. И е много по-инвазивен, тъй като всъщност влиза в мозъка.
В бейзболен стадион LFP е единичен микрофон, висящ над една част от седалките, улавящ чист звук в тази област и може би улавящ отделен глас тук-там за секунда или две - но в по-голямата си част усеща обща вибрация.
И изцяло ново развитие е многоелектродният масив, който в основата си е идеята за LFP, само че се състои от 100 LFP едновременно. Многоелектродният масив изглежда така:
Малък квадрат 4 х 4 мм със 100 силициеви електроди върху него. Ето още един, тук можете да видите колко са остри електродите - няколко микрона на самия връх:
Регистрация на отделни единици
- Мащаб: мъничък
- Резолюция: ултра висока
- Инвазивност: много висока
За да се запише по-широк LFP, върхът на електрода е леко заоблен, за да придаде на електрода по-голяма повърхност, а съпротивлението (неправилен технически термин) е намалено, за да улови много слаби сигнали от широк кръг места. В резултат на това електродът събира хор от активност от локалното поле.
Регистрацията на отделни единици също включва иглени електроди, но върховете им са направени много остри и съпротивлението също се увеличава. Поради това по-голямата част от шума се измества и електродът не улавя почти нищо, докато не е много близо до неврона (някъде на 50 микрона), а сигналът от този неврон е достатъчно силен, за да преодолее стената на електрода с високо съпротивление. Получавайки отделни сигнали от един неврон и без фонов шум, този електрод може да наблюдава личния живот на този неврон. Най-малката възможна скала, възможно най-висока разделителна способност.
Някои електроди искат да пренесат връзките на следващото ниво и използват метода на пластирната скоба, който ви позволява да премахнете върха на електрода и да оставите само малка тръбичка, стъклена пипета, която директно ще засмуче клетъчната мембрана на неврона и ще направи по-фини измервания.
Патч скобата също има това предимство: за разлика от всички други методи, тя физически докосва неврона и може не само да записва, но и да стимулира неврона чрез инжектиране на ток или поддържане на напрежението на определено ниво за извършване на специфични тестове (други методи могат да стимулират само цели групи цели неврони).
И накрая, електродите могат напълно да подчинят неврона и всъщност да проникнат през мембраната, за да запишат. Ако върхът е достатъчно остър, той няма да унищожи клетката - мембраната ще бъде уплътнена около електрода и ще бъде много лесно да се стимулира невронът или да се запише разликата в напрежението между външната и вътрешната среда на неврона. Но това е краткосрочна техника - пробит неврон няма да живее дълго.
На нашия стадион регистрацията на отделни единици ще изглежда като еднопосочен микрофон, прикрепен към яката на един дебелак. Локалното затягане на потенциала е микрофон в нечие гърло, който записва точното движение на гласните струни. Това е чудесен начин да научите за чувствата на човека към играта, но те ще бъдат извадени от контекста и не могат да бъдат използвани за преценка на случващото се в играта или за самия човек.
Това е всичко, което имаме. Поне това, което използваме доста често. Тези инструменти са в същото време много напреднали и ще изглеждат като технологии от каменната ера на хората от бъдещето, които няма да повярват, че е трябвало да изберем една от технологиите, за да отворим черепа, за да получим висококачествени записи на мозъка.
Но при всичките си ограничения тези инструменти ни научиха много за мозъка и доведоха до създаването на първите любопитни интерфейси мозък-компютър. Повече за тях в следващата част.
ИЛЯ ХЕЛ
Част първа: Човешкият колос
Част втора: Мозъкът
Част трета: Полет над гнездото на невроните
Част четвърта: Неврокомпютърни интерфейси
Част пета: Проблемът с Neuaralink
Част шеста: Възраст на магьосниците 1
Част шеста: Възраст на магьосниците 2
Част седма: Големият синтез