Seks veje til den ikke-kirurgiske fremtid for hjerne-maskine-grænseflader

DARPA har tildelt midler til seks organisationer for at støtte Next-Generation Nonsurgical Neurotechnology (N ³ ) program, først annonceret i marts 2018. Battelle Memorial Institute, Carnegie Mellon University, Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, Palo Alto Research Center (PARC), Rice University, og Teledyne Scientific leder tværfaglige teams til at udvikle høj opløsning, tovejs hjerne-maskine-grænseflader til brug for raske servicemedlemmer. Disse bærbare grænseflader kan i sidste ende muliggøre forskellige nationale sikkerhedsapplikationer såsom kontrol af aktive cyberforsvarssystemer og sværme af ubemandede luftfartøjer, eller samarbejde med computersystemer for at multitaske under komplekse missioner.

"DARPA forbereder sig på en fremtid, hvor en kombination af ubemandede systemer, kunstig intelligens, og cyberoperationer kan få konflikter til at udspille sig på tidslinjer, der er for korte til, at mennesker effektivt kan klare sig med den nuværende teknologi alene, " sagde Al Emondi, derefter ³ programleder. "Ved at skabe en mere tilgængelig hjerne-maskine grænseflade, der ikke kræver operation for at bruge, DARPA kunne levere værktøjer, der gør det muligt for missionsbefalingsmænd at forblive meningsfuldt involveret i dynamiske operationer, der udfolder sig med høj hastighed."

I løbet af de sidste 18 år, DARPA har demonstreret stadig mere sofistikerede neuroteknologier, der er afhængige af kirurgisk implanterede elektroder til at interagere med det centrale eller perifere nervesystem. Agenturet har demonstreret resultater såsom neural kontrol af protetiske lemmer og genoprettelse af følesansen for brugerne af disse lemmer, lindring af ellers vanskelige neuropsykiatriske sygdomme såsom depression, og forbedring af hukommelsesdannelse og genkaldelse. På grund af de iboende risici ved kirurgi, disse teknologier har hidtil været begrænset til brug af frivillige med kliniske behov.

For at militærets primært arbejdsdygtige befolkning skal drage fordel af neuroteknologi, ikke-kirurgiske grænseflader er påkrævet. Endnu, faktisk, lignende teknologi kan også i høj grad gavne kliniske populationer. Ved at fjerne behovet for operation, N ³ systemer søger at udvide puljen af ​​patienter, som kan få adgang til behandlinger såsom dyb hjernestimulering for at håndtere neurologiske sygdomme.

Derefter ³ teams forfølger en række tilgange, der bruger optik, akustik, og elektromagnetik til at registrere neural aktivitet og/eller sende signaler tilbage til hjernen med høj hastighed og opløsning. Forskningen er delt op i to spor. Holdene forfølger enten fuldstændigt ikke-invasive grænseflader, der er helt eksterne i forhold til kroppen, eller minutiøst invasive grænsefladesystemer, der inkluderer nanotransducere, der midlertidigt og ikke-kirurgisk kan leveres til hjernen for at forbedre signalopløsningen.

• Battelle-holdet, under hovedefterforsker Dr. Gaurav Sharma, har til formål at udvikle et minutiøst invasivt grænsefladesystem, der parrer en ekstern transceiver med elektromagnetiske nanotransducere, der ikke-kirurgisk leveres til neuroner af interesse. Nanotransducerne ville konvertere elektriske signaler fra neuronerne til magnetiske signaler, der kan optages og behandles af den eksterne transceiver, og omvendt, for at muliggøre tovejskommunikation.
• Carnegie Mellon University-teamet, under hovedforsker Dr. Pulkit Grover, har til formål at udvikle en fuldstændig ikke-invasiv enhed, der bruger en akusto-optisk tilgang til at optage fra hjernen og forstyrre elektriske felter til at skrive til specifikke neuroner. Holdet vil bruge ultralydsbølger til at lede lys ind og ud af hjernen for at detektere neural aktivitet. Holdets skrivetilgang udnytter neuronernes ikke-lineære respons på elektriske felter for at muliggøre lokaliseret stimulering af specifikke celletyper.
• Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory team, under hovedefterforsker Dr. David Blodgett, har til formål at udvikle en fuldstændig ikke-invasiv, sammenhængende optisk system til optagelse fra hjernen. Systemet vil direkte måle ændringer i optisk vejlængde i neuralt væv, der korrelerer med neural aktivitet.
• PARC-teamet, under hovedefterforsker Dr. Krishnan Thyagarajan, har til formål at udvikle en fuldstændig ikke-invasiv akusto-magnetisk enhed til at skrive til hjernen. Deres tilgang parrer ultralydsbølger med magnetiske felter for at generere lokaliserede elektriske strømme til neuromodulation. Den hybride tilgang giver mulighed for lokaliseret neuromodulation dybere i hjernen.
• Rice University-holdet, under hovedforsker Dr. Jacob Robinson, har til formål at udvikle en minutiøst invasiv, tovejs system til optagelse fra og skrivning til hjernen. Til optagefunktionen, grænsefladen vil bruge diffus optisk tomografi til at udlede neural aktivitet ved at måle lysspredning i neuralt væv. For at aktivere skrivefunktionen, holdet vil bruge en magnetogenetisk tilgang til at gøre neuroner følsomme over for magnetiske felter.
• Teledyne-holdet, under hovedefterforsker Dr. Patrick Connolly, har til formål at udvikle en fuldstændig ikke-invasiv, integreret enhed, der bruger mikrooptisk pumpede magnetometre til at detektere små, lokaliserede magnetfelter, der korrelerer med neural aktivitet. Holdet vil bruge fokuseret ultralyd til at skrive til neuroner.

Gennem hele programmet, forskningen vil drage fordel af indsigt leveret af uafhængige juridiske og etiske eksperter, som har accepteret at give indsigt om N ³ fremskridt og overveje potentielle fremtidige militære og civile anvendelser og implikationer af teknologien. Derudover Føderale tilsynsmyndigheder samarbejder med DARPA for at hjælpe holdene med bedre at forstå godkendelse af menneskelig brug, efterhånden som forskningen går i gang. Efterhånden som arbejdet skrider frem, disse tilsynsmyndigheder vil hjælpe med at vejlede strategier for indsendelse af ansøgninger om undtagelser til undersøgelsesudstyr og nye undersøgelsesmedicin for at muliggøre forsøg med N ³ systemer i den sidste fase af det fireårige program.

"Hvis N ³ er vellykket, vi ender med bærbare neurale grænsefladesystemer, der kan kommunikere med hjernen fra en rækkevidde på blot et par millimeter, flytte neuroteknologi ud over klinikken og til praktisk brug for national sikkerhed, " sagde Emondi. "Ligesom servicemedlemmer tager beskyttende og taktisk udstyr på som forberedelse til en mission, i fremtiden kan de tage et headset på, der indeholder en neural grænseflade, brug teknologien, som den er nødvendig, læg derefter værktøjet til side, når missionen er fuldført."