Hvorfor hjerne-til-hjernekommunikation ikke længere kan tænkes

Telepathy, det 23. århundrede: Vulcan mind mind, opnået ved at berøre templerne med fingerspidserne, er en accepteret teknik til at fremme plot af en "Star Trek" -episode med et minimum af dialog ved at dele sanseindtryk, erindringer og tanker mellem ikke-menneskelige karakterer.

Relaterede læser

Ud over grænser

Købe

Relateret indhold

• Dette slagtilfælde kan give dig mulighed for at skrive med din hjerne

Telepati, 2015: I Center for Sensorimotor Neural Engineering på University of Washington, droner en ung kvinde en elektroencefalogramhætte, besat med elektroder, der kan læse minutsspændingssvingningerne over hendes hjerne. Hun spiller et spil og svarer på spørgsmål ved at vende blikket mod et af to strobelys mærket “ja” og “nej.” “Ja” -lyset blinker 13 gange i sekundet, “nej” klokken 12 og forskellen er for lille til, at hun kan opfatte, men tilstrækkelig til, at en computer kan opdage ved affyringen af ​​neuroner i hendes visuelle cortex. Hvis computeren bestemmer, at hun ser på ”ja” -lyset, sender den et signal til et rum i en anden bygning, hvor en anden kvinde sidder med en magnetisk spole placeret bag hovedet. Et "ja" -signal aktiverer magneten, hvilket forårsager en kort forstyrrelse i det andet motivs synsfelt, en virtuel flash (en "phosphen"), som hun beskriver som beslægtet med udseende af lynnedslag i horisonten. På denne måde formidles den første kvindes svar til en anden person på tværs af campus og går “Star Trek” en bedre: udveksling af information mellem to sind, der ikke engang er på samme sted.

I næsten hele menneskets historie var det kun de fem naturlige sanser, der var kendt for at tjene som en vej ind i hjernen, og sprog og gestus som kanalerne ud. Nu overtræder forskere sindets grænser, flytter information ind og ud og på tværs af rum og tid, manipulerer den og potentielt forbedrer den. Dette eksperiment og andre har været en "demonstration for at få samtalen i gang, " siger forsker Rajesh Rao, der gennemførte den sammen med sin kollega Andrea Stocco. Samtalen, som sandsynligvis vil dominere neurovidenskaben i store dele af dette århundrede, indeholder løftet om ny teknologi, der dramatisk vil påvirke, hvordan vi behandler demens, slagtilfælde og rygmarvsskader. Men det vil også handle om etikken i kraftfulde nye værktøjer til at styrke tankegang og i sidste ende selve naturen af ​​bevidsthed og identitet.

Den nye undersøgelse voksede ud af Raos arbejde i ”hjernecomputergrænseflader”, der behandler neurale impulser til signaler, der kan kontrollere eksterne enheder. Brug af en EEG til at kontrollere en robot, der kan navigere i et rum og hente objekter - som Rao og hans kolleger demonstrerede så langt tilbage som 2008 - kan være almindeligt en dag for quadriplegics.

Robotskeletter med taktile sensorer, der holdes her af Miguel Nicolelis, opdager ændringer i position, temperatur og tryk og sender denne information til hjernen. (Paulo Whitaker / Reuters / Corbis) For at overvåge hjernen ikke-invasivt, passer Rajesh Rao undersøgelsesdeltagere med EEG-hætter og tilføjer ledende gel, så hovedbunden og elektroderne får god kontakt. (Jose Mandojana) Udstyret, som forskerne brugte i demonstrationen, omfattede en EEG-dæksel, EEG-elektroder, kabler, en kontrolboks og en signalforstærker. (Jose Mandojana) Aber i en nylig undersøgelse brugte deres hjerner til at kontrollere en virtuel arm og manipulere virtuelle objekter. Elektriske signaler, der føres tilbage til hjernen, efterligner følelsen af ​​berøring. (Nicolelis Lab) Forskere bryder sindets grænser, flytter information ind og ud og på tværs af rum og tid. (Jose Mandojana) University of Washington-forskere Rajesh Rao (til venstre) og Andrew Stocco (højre) deltager i den første demonstration af hjerne-til-hjerne-grænseflade. (University of Washington)

I det, Rao siger, var den første forekomst af en meddelelse, der blev sendt direkte fra en menneskelig hjerne til en anden, indrullerede han Stocco til at hjælpe med at spille et grundlæggende “Space Invaders” -typespil. Da en person så angrebet på en skærm og kommunikerede ved kun at tænke det bedste øjeblik at skyde på, fik den anden en magnetisk impuls, der fik hans hånd uden bevidst indsats til at trykke på en knap på et tastatur. Efter nogle øvelser, siger Rao, blev de ganske gode til det.

”Det er rart, ” sagde jeg, da han beskrev proceduren for mig. ”Kan du få ham til at spille klaver?”

Rao sukkede. "Ikke med noget, vi bruger nu."

For alt det, videnskaben har studeret og kortlagt hjernen i de seneste årtier, forbliver sindet en sort kasse. Et berømt essay fra 1974 af filosofen Thomas Nagel spurgte: "Hvordan er det at være en flagermus?" Og konkluderede, at vi aldrig vil vide; en anden bevidsthed - en anden persons, og ikke mindst et medlem af en anden art - kan aldrig forstås eller fås adgang til. For Rao og et par andre til at åbne denne dør en lille revne er en bemærkelsesværdig præstation, selv om arbejdet for det meste har understreget, hvor stor en udfordring det er, både konceptuelt og teknologisk.

Computerkraften og programmeringen er op til udfordringen; problemet er grænsefladen mellem hjerne og computer, og især den der går i retning fra computer til hjerne. Hvordan leverer du et signal til den rigtige gruppe nerveceller blandt de anslåede 86 milliarder i en menneskelig hjerne? Den mest effektive tilgang er en implanteret transceiver, der kan kabelforbindes for at stimulere små regioner i hjernen, endda ned til en enkelt neuron. Sådanne apparater er allerede i brug til ”dyb hjernestimulering”, en teknik til behandling af patienter med Parkinsons og andre lidelser med elektriske impulser. Men det er en ting at udføre hjernekirurgi for en uhelbredelig sygdom, og noget andet at gøre det som en del af et eksperiment, hvis fordele i bedste fald er spekulative.

Så Rao brugte en teknik, der ikke involverer åbning af kraniet, et svingende magnetfelt for at inducere en lille elektrisk strøm i et område af hjernen. Det ser ud til at være sikkert - hans første frivillige var hans samarbejdspartner, Stocco - men det er en rå mekanisme. Det mindste område, der kan stimuleres på denne måde, siger Rao, er ikke helt en halv tomme. Dette begrænser dens anvendelse til store motoriske bevægelser, såsom at trykke på en knap eller simpel ja-eller-nej-kommunikation.

En anden måde at overføre information, kaldet fokuseret ultralyd, ser ud til at være i stand til at stimulere et område i hjernen så lille som et riskorn. Mens de medicinske applikationer til ultralyd, såsom billeddannelse og vævsablation, bruger høje frekvenser fra 800 kilohertz til megahertz-området, fandt et team ledet af Harvard-radiolog Seung-Schik Yoo, at en frekvens på 350 kilohertz fungerer godt, og tilsyneladende sikkert, for at sende et signal til hjernen til en rotte. Signalet stammer fra en menneskelig frivillig udstyret med en EEG, som prøvede hans hjernebølger; da han fokuserede på et specifikt lysmønster på en computerskærm, sendte en computer et ultralydsignal til rotten, der flyttede halen i respons. Yoo siger, at rotten ikke viste nogen dårlige virkninger, men sikkerheden ved fokuseret ultralyd på den menneskelige hjerne er ikke beviset. En del af problemet er, at i modsætning til magnetisk stimulering, den mekanisme, hvormed ultralydbølger - en form for mekanisk energi - skaber et elektrisk potentiale, ikke er fuldt ud forstået. En mulighed er, at det opererer indirekte ved at "sprænge" åbne vesiklerne eller sækkene i cellerne i hjernen og oversvømme dem med neurotransmittere, som at levere et skud med dopamin til nøjagtigt det rigtige område. Alternativt kan ultralydet inducere kavitation - boblende - i cellemembranen og ændre dets elektriske egenskaber. Yoo har mistanke om, at hjernen indeholder receptorer for mekanisk stimulering, herunder ultralyd, som i vid udstrækning er overset af neurovidenskabsfolk. Sådanne receptorer kan forklare fænomenet ”at se stjerner” eller for lysglimt fra et slag mod hovedet. Hvis fokuseret ultralyd er bevist sikkert og bliver en gennemførlig tilgang til en computer-hjerne-grænseflade, ville det åbne op for en lang række uudforskede - faktisk kun næppe forestillede - muligheder.

Direkte verbal kommunikation mellem individer - en mere sofistikeret version af Raos eksperiment, hvor to forbundne mennesker udveksler eksplicitte udsagn bare ved at tænke dem - er den mest åbenlyse anvendelse, men det er ikke klart, at en art, der har sprog, har brug for en mere teknologisk avanceret måde at sige ” Jeg løber for sent, ”eller endda” Jeg elsker dig. ”John Trimper, en doktorgradskandidat fra Emory University i psykologi, der har skrevet om de etiske implikationer af hjerne-til-hjerne-grænseflader, spekulerer i, at teknologien, “ især gennem trådløs transmissioner, kunne til sidst give soldater eller politi - eller kriminelle - mulighed for at kommunikere lydløst og skjult under operationer. ”Det ville være i en fjern fremtid. Indtil videre rejste den mest indholdsrige besked, der blev sendt hjerne-til-hjerne mellem mennesker, fra et emne i Indien til et i Strasbourg, Frankrig. Den første meddelelse, der arbejdskrævende blev kodet og afkodet til binære symboler af en Barcelona-baseret gruppe, var " hola ." Med en mere sofistikeret grænseflade kan man forestille sig, sige, et lammet slagtilfælde, der kommunikerer med en plejeperson - eller hans hund. Stadig, hvis det, han siger, er, "Bring mig avisen, " er der eller vil snart være tale-synthesizere - og robotter - der kan gøre det. Men hvad nu hvis personen er Stephen Hawking, den store fysiker, der er plaget af ALS, der kommunikerer ved hjælp af en kindmuskel til at indtaste de første bogstaver i et ord? Verden kunne helt sikkert drage fordel af en direkte kanal til hans sind.

Måske tænker vi stadig for lille. Måske er en analog til det naturlige sprog ikke killer-appen til en hjerne-til-hjerne-grænseflade. I stedet skal det være noget mere globalt, mere ambitiøst - information, færdigheder, endda rå sensorisk input. Hvad hvis medicinstuderende kunne downloade en teknik direkte fra hjernen hos verdens bedste kirurg, eller hvis musikere direkte kunne få adgang til hukommelsen til en stor pianist? ”Er der kun en måde at lære en færdighed på?” Rao muses. ”Kan der være en genvej, og er det snyd?” Det behøver ikke engang at involvere en anden menneskelig hjerne i den anden ende. Det kunne være et dyr - hvordan ville det være at opleve verden gennem lugt, som en hund - eller ved ekkolokation, som en flagermus? Eller det kan være en søgemaskine. ”Det snyder en eksamen, hvis du bruger din smartphone til at slå tingene op på Internettet, ” siger Rao, ”men hvad nu hvis du allerede er tilsluttet internettet via din hjerne? Større mål for succes i samfundet er, hvor hurtigt vi får adgang til, fordøje og bruger de oplysninger, der er derude, ikke hvor meget du kan proppe ind i din egen hukommelse. Nu gør vi det med fingrene. Men er der noget iboende galt ved at gøre det bare ved at tænke? ”

Eller det kan være din egen hjerne, uploadet på et eller andet fortroligt øjeblik og digitalt bevaret til fremtidig adgang. ”Lad os sige, at du senere har fået et slagtilfælde, ” siger Stocco, hvis egen mor havde et slagtilfælde i 50'erne og aldrig gik igen. ”Nu går du til rehabilitering, og det er som at lære at gå igen. Antag, at du bare kunne downloade denne evne til din hjerne. Det ville sandsynligvis ikke fungere perfekt, men det ville være et stort forsprang på at genvinde denne evne. ”

Miguel Nicolelis, en kreativ hertugneurovidenskabsmand og en betagende underviser på TED Talks kredsløb, kender værdien af ​​en god demonstration. Til verdensmesterskabet i 2014 arbejdede Nicolelis - et brasilianskfodbold-aficionado - sammen med andre for at opbygge et robot exoskelet kontrolleret af EEG-impulser, hvilket gjorde det muligt for en ung paraplegisk mand at levere det ceremonielle første spark. Meget af hans arbejde nu handler om hjerne-til-hjerne-kommunikation, især i de meget esoteriske teknikker til at knytte sind til at arbejde sammen om et problem. Sindene er ikke menneskelige, så han kan bruge elektrodeimplantater med alle de fordele, der formidles.

En af hans mest slående eksperimenter involverede et par lab-rotter, lærte sammen og bevægede sig i synkroni, når de kommunikerede via hjernesignaler. Rotterne blev trænet i et indhegning med to håndtag og et lys over hver. Lyset til venstre eller højre blinker, og rotterne lærte at trykke på den tilsvarende håndtag for at modtage en belønning. Derefter blev de adskilt, og hver udstyret med elektroder til motorcortex, forbundet via computere, der samplede hjerneimpulser fra en rotte ("koderen"), og sendte et signal til et andet ("dekoderen"). "Encoder" -rotterne kunne se en lysblink - siger den venstre - og skubbe den venstre hånd til hans belønning; i den anden kasse blinkede begge lys, så "dekoderen" ved ikke, hvilken håndtag han skal trykke på - men når han modtog et signal fra den første rotte, ville han også gå til venstre.

Nicolelis føjede en smart vri til denne demonstration. Når dekoderrotten tog det rigtige valg, blev han belønnet, og koderen fik også en anden belønning. Dette tjente til at styrke og styrke de (ubevidste) neurale processer, der blev samplet i hans hjerne. Som et resultat blev begge rotter mere nøjagtige og hurtigere i deres svar - ”et par sammenkoblede hjerner ... overførsel af information og samarbejde i realtid.” I en anden undersøgelse led han tre aber til at kontrollere en virtuel arm; hver kunne flytte den i en dimension, og da de så en skærm lærte de at arbejde sammen for at manipulere den til det rigtige sted. Han siger, at han kan forestille sig at bruge denne teknologi til at hjælpe et slagtilfælde med at genvinde visse evner ved at netværke hans hjerne med en sund frivillig og gradvist justere andelene af input, indtil patientens hjerne gør alt det arbejde. Og han mener, at dette princip kunne udvides på ubestemt tid til at tilskynde millioner af hjerner til at arbejde sammen i en "biologisk computer", der taklede spørgsmål, der ikke kunne stilles eller besvares i binær form. Du kan spørge dette netværk af hjerner om meningen med livet - du får muligvis ikke et godt svar, men i modsætning til en digital computer, "det" ville i det mindste forstå spørgsmålet. Samtidig kritiserer Nicolelis bestræbelserne på at efterligne sindet i en digital computer, uanset hvor magtfulde de siger, at de er “falske og spild af milliarder af dollars.” Hjernen fungerer efter forskellige principper og modellerer verden analogt . For at formidle dette foreslår han et nyt koncept, han kalder "Gödelian information", efter matematikeren Kurt Gödel; det er en analog repræsentation af virkeligheden, der ikke kan reduceres til bytes, og som aldrig kan indfanges af et kort over forbindelserne mellem neuroner ("Upload dit sind", se nedenfor). ”En computer genererer ikke viden, udfører ikke introspektion, ” siger han. "Indholdet af en rotte, abe eller en menneskelig hjerne er meget rigere, end vi nogensinde kunne simulere ved binære processer."

Forkant med denne forskning involverer faktiske hjerneproteser. På University of South California udvikler Theodore Berger en mikrochip-baseret protese til hippocampus, den del af pattedyrshjerne, der behandler kortvarige indtryk til langtidshukommelser. Han tapper ind i neuronerne på indgangssiden, kører signalet gennem et program, der efterligner de transformationer, hippocampus normalt udfører, og sender det tilbage i hjernen. Andre har brugt Bergers teknik til at sende hukommelsen om en indlært adfærd fra en rotte til en anden; den anden rotte lærte derefter opgaven på meget mindre tid end normalt. Dette arbejde er helt sikkert kun udført i rotter, men fordi degeneration af hippocampus er et af kendetegnene for demens hos mennesker, siges potentialet i denne forskning at være enormt.

I betragtning af de store krav til det fremtidige potentiale i hjerne-til-hjerne-kommunikation, er det nyttigt at anføre nogle af de ting, der ikke hævdes. For det første er der ingen implikationer for, at mennesker har nogen form for naturlig (eller overnaturlig) telepati; de spændinger, der flimrer inde i din kranium, er bare ikke stærke nok til at blive læst af en anden hjerne uden elektronisk forbedring. Heller ikke signaler (med nogen teknologi, vi har eller forestiller os), overføres eller modtages uhyggeligt eller på afstand. Arbejdet i dit sind er sikkert, medmindre du giver en anden nøglen ved at underkaste dig et implantat eller en EEG. Det er dog ikke for tidligt at begynde at overveje de etiske implikationer af den fremtidige udvikling, såsom evnen til at implantere tanker i andre mennesker eller kontrollere deres opførsel (fanger f.eks.) Ved hjælp af apparater designet til disse formål. "Teknologien overgår den etiske diskurs på dette tidspunkt, " siger Emory's Trimper, "og det er her, tingene bliver klodsede." Tænk på, at meget af hjernetrafikken i disse eksperimenter - og bestemt noget som Nicolelis 'vision om hundreder eller tusinder af hjerner samarbejde - involverer kommunikation via Internettet. Hvis du nu er bekymret for nogen, der hacker dine kreditkortoplysninger, hvordan ville du så føle, at du sender indholdet af dit sind til skyen? Der er dog et andet spor, som hjerne-til-hjerne-kommunikation undersøges. Uri Hasson, en Princeton neurovidenskabsmand, bruger funktionel magnetisk resonansafbildning til at undersøge, hvordan en hjerne påvirker en anden, hvordan de kobles sammen i en kompliceret dans af cues og feedback-løkker. Han fokuserer på en kommunikationsteknik, som han betragter som langt bedre end EEG'er, der bruges med transkranial magnetisk stimulering, er ikke-invasiv og sikker og kræver ingen internetforbindelse. Det er selvfølgelig sprog.