Del ett: The Human Colossus
Del två: hjärnan
Del tre: Flyga över boet av neuroner
Del fyra: gränssnitt för neurodatorer
Del fem: Neuaralink-problemet
Del sex: Age of Wizards 1
Del sex: Age of Wizards 2
Del sju: The Great Fusion
Kampanjvideo:
Flyger över boet av nervceller
Det här är Bock. Bock, tack och ditt folk för att uppfinna språk.
För att tacka dig vill vi visa dig alla de otroliga saker som vi lyckades bygga tack vare din uppfinning.
Okej, låt oss sätta Bock på ett plan, sedan in i en ubåt och sedan dra honom till toppen av Burj Khalifa. Låt oss nu visa honom ett teleskop, en TV och en iPhone. Och låt honom sitta lite på Internet.
Det var kul. Hur mår du, Bock?
Ja, vi förstår att du är ganska förvånad. Till dessert, låt oss visa honom hur vi kommunicerar med varandra.
Bock skulle bli chockad om han fick reda på att, trots alla magiska förmågor som människor har förvärvat som ett resultat av dialoger med varandra, tack vare förmågan att prata, är vår kommunikationsprocess inte annorlunda än vad den var på hans tid. När två personer ska prata använder de 50 000 år gammal teknik.
Bock kommer också att bli förvånad över att i en värld där fantastiska maskiner fungerar, människorna som fick dessa maskiner att vandra med samma biologiska kroppar som Bock och hans vänner gick med. Hur är detta möjligt?
Det är därför neurocomputer-gränssnitt (BCI) - en delmängd av det bredare området neuralteknik som i sig är en delmängd av bioteknik - är så intressanta. Vi har erövrat världen med våra tekniker många gånger, men när det gäller hjärnor - vårt huvudverktyg - ger teknikvärlden oss ingenting.
Därför fortsätter vi att kommunicera med den teknik som Bock uppfann. Därför skriver jag den här meningen 20 gånger långsammare än jag tror, och därför tar hjärnrelaterade sjukdomar fortfarande för många liv.
Men 50 000 år efter den stora upptäckten kan världen förändras. Nästa hjärnans gräns kommer att vara sig själv.
* * *
Det finns många olika alternativ för möjliga hjärn-dator-gränssnitt (ibland kallat hjärn-till-dator eller hjärn-till-maskin-gränssnitt) som är praktiska för olika saker. Men alla som arbetar med NQI försöker lösa en, den andra eller båda dessa frågor:
1. Hur kommer jag att hämta nödvändig information från hjärnan?
2. Hur skickar jag nödvändig information till hjärnan?
Det första gäller hjärnans produktion - det vill säga inspelningen av vad neuronerna säger. Den andra avser införandet av information i hjärnans naturliga flöde, eller förändring av detta naturliga flöde på något sätt - det vill säga stimulerande nervceller.
Dessa två processer pågår ständigt i ditt huvud. Just nu utför dina ögon en specifik uppsättning horisontella rörelser som gör att du kan läsa den här meningen. Det är nervcellerna i hjärnan som skickar information till maskinen (dina ögon), och maskinen tar emot kommandot och svarar. Och när dina ögon rör sig på ett visst sätt, tränger fotoner från skärmen in i näthinnan och stimulerar nervceller i bakhårsloben i din cortex, så att bilden av världen kan komma in i ditt medvetande. Bilden stimulerar sedan nervceller i en annan del av din hjärna, vilket gör att du kan bearbeta informationen i bilden och förstå meningen.
Inmatningen och utmatningen av information är vad hjärnans nervceller gör. Hela NCI-industrin vill gå med i denna process.
Först verkar det som att detta inte är en så svår uppgift. När allt kommer omkring är hjärnan bara en geléboll. Och cortex - den del av hjärnan som vi vill lägga till vår inspelning och stimulering - är bara en servett som är bekvämt placerad på utsidan av hjärnan där den lätt kan nås. Inuti cortexen finns 20 miljarder nervceller - 20 miljarder små transistorer som kan ge oss ett helt nytt sätt att kontrollera våra liv, hälsa och världen om vi lär oss att arbeta med dem. Är det verkligen så svårt att förstå dem? Neuroner är små, men vi vet hur man delar en atom. Neuronens diameter är 100 000 gånger storleken på en atom. Om en atom var en klubba skulle en neuron vara kilometer bred - så vi borde definitivt kunna arbeta med sådana mängder. Rätt?
Vad är problemet?
Å ena sidan är detta rätt tankar, eftersom de leder till framsteg på fältet. Vi kan verkligen göra det. Men så snart du börjar förstå vad som verkligen händer i hjärnan blir det omedelbart uppenbart: detta är den svåraste uppgiften för en person.
Innan vi talar om själva NCI: erna måste vi därför noggrant studera vad människorna som skapar NCI gör. Det bästa är att förstora hjärnan 1000 gånger och se vad som händer.
Kommer du ihåg vår jämförelse av cortex med en servett?
Om vi förstorar barkservetten 1000 gånger - och det var cirka 48 centimeter på varje sida - blir det nu två kvarter långt på Manhattan. Det tar cirka 25 minuter att komma runt omkretsen. Och hela hjärnan kommer att vara lika stor som Madison Square Garden.
Låt oss lägga ut det i själva staden. Jag är säker på att flera hundra tusen människor som bor där kommer att förstå oss.
Jag valde 1000 gånger förstoring av flera anledningar. En av dem är att vi alla omedelbart kan konvertera storlekar i vårt huvud. Varje millimeter av hjärnan har blivit en meter. I en värld av neuroner som är mycket mindre har varje mikron blivit en millimeter som är lätt att föreställa sig. För det andra blir barken "mänsklig" i storlek: 2 mm tjocklek är nu 2 meter - som en lång person.
Således kan vi gå upp till 29th Street, till kanten av vår jätte servett, och det är lätt att se vad som händer i dess två meter tjocklek. För demonstration, låt oss dra ut en kubikmeter av vår jätte skorpa för att undersöka den, se vad som händer i en typisk kubisk millimeter av riktig bark.
Vad ser vi i denna kubikmeter? Meshanin. Låt oss städa upp det och sätta tillbaka det.
Låt oss först placera somorna - de små kropparna hos alla nervceller som lever i den här kuben.
Somas varierar i storlek, men neurovetenskapsmännen jag pratade med säger att nervceller i cortex oftast har en diameter på 10-15 mikron (en mikron = mikron, 1/1000 millimeter). Det vill säga om du lägger 7-10 av dessa i en linje, kommer denna linje att vara diametern på en persons hår. På vår skala kommer havskatten att vara 1-1,5 centimeter i diameter. Klubba.
Volymen på hela skorpan passar in i 500 000 kubikmillimeter, och detta utrymme kommer att innehålla cirka 20 miljarder gånger. Det vill säga den genomsnittliga kubikmillimeteren av cortex innehåller cirka 40 000 nervceller. Det vill säga, vår kubikmeter innehåller cirka 40000 godis. Om vi delar upp vår låda i 40000 kuber, var och en med en kant på 3 cm, kommer var och en av våra godis havskatt att vara i mitten av sin egen 3 cm kub, och alla andra havskatt kommer att vara 3 cm i alla riktningar.
Är du här nu? Kan du föreställa dig vår mätarkub med 40000 flytande godis?
Här är en mikroskopisk bild av en havskatt i en riktig cortex; allt annat runt henne har tagits bort:
Okej, hittills ser det inte så komplicerat ut. Men somaen är bara en liten bråkdel av varje neuron. Från var och en av våra klubbor sträcker sig vridna, grenade dendriter som på vår skala kan sträcka sig tre till fyra meter i mycket olika riktningar, och i andra änden kan det finnas ett axon som är 100 meter långt (om det passerar in i en annan del av cortexen) eller en kilometer (om det går ner i ryggmärgen och kroppen). Var och en är en millimeter tjock, och dessa trådar förvandlar barken till tätt vävd elektrisk vermicelli.
Och det händer mycket i denna vermicelli. Varje neuron har synaptiska kopplingar med 1 000 - ibland upp till 10 000 - andra nervceller. Eftersom det finns cirka 20 miljarder nervceller i hjärnbarken betyder det att det kommer att finnas mer än 20 biljoner enskilda neurala anslutningar (och kvadrillioner i hela hjärnan). Vår kubikmeter kommer att ha över 20 miljoner synapser.
Med allt detta, inte bara från var och en av de 40 000 klubborna i vår kub, finns det snår av vermicelli, men tusentals andra spagetti passerar genom vår kub från andra delar av barken. Och detta betyder att om vi försökte spela in signaler eller stimulera nervceller specifikt i denna kubiska region, skulle vi behöva vara väldigt svåra, för i spagettimullret skulle det vara svårt att avgöra vilka strängar spagetti som tillhör vårt havskattgodis (och gud förbjudet, denna pasta kommer att innehålla Purkinje-celler).
Och glöm naturligtvis inte neuroplasticitet. Spänningen i varje neuron förändras ständigt hundratals gånger per sekund. Och tiotals miljoner synaptiska anslutningar i vår kub kommer ständigt att ändra storlek, försvinna och dyka upp igen.
Men det här är bara början.
Det visar sig att gliaceller också finns i hjärnan - celler som finns i många olika typer och utför många olika funktioner, som att spola ut kemikalier som släpps ut vid synapser, linda axoner med myelin och betjäna hjärnans immunsystem. Här är några av de vanligaste typerna av gliaceller:
Och hur många gliaceller finns i cortex? Ungefär samma antal som nervceller. Så lägg till 40000 fler av dessa saker i vår kub.
Slutligen finns det blodkärl. Varje kubik millimeter cortex innehåller ungefär en meter små blodkärl. I vår skala betyder det att det finns en kilometer blodkärl i vår kubikmeter. Så här ser de ut:
Digression på Connectoma
Så vår mätarbox är packad, fylld med elektrifierad fyllning av varierande komplexitet. Låt oss nu komma ihåg att vår låda faktiskt är en kubik millimeter stor.
Neurocomputer-gränssnittsingenjörer måste antingen ta reda på vad den mikroskopiska havskatten som är begravd i den millimeteren säger eller stimulera vissa havskatt att göra rätt saker. Lycka till dem.
Det skulle vara svårt för oss att göra detta med vår 1000 gånger förstorade hjärna. Med en hjärna som perfekt förvandlas till en servett. Men i verkligheten är han inte så - den här servetten ligger ovanpå en hjärna full av veck (som på vår skala är 5 till 30 meter djupa). Faktum är att mindre än en tredjedel av servettbarken ligger på hjärnans yta - det mesta ligger i veckarna.
Dessutom finns det inte så mycket material med vilket det är möjligt att arbeta i laboratoriet. Hjärnan är täckt i många lager, inklusive skallen - som vid 1000x förstoring skulle vara 7 meter tjock. Och eftersom de flesta inte riktigt gillar det när deras skalle är öppen för länge - och det är verkligen en tvivelaktig händelse - måste du arbeta med små hjärnlollipor så noggrant och delikat som möjligt.
Och allt detta trots att du arbetar med barken - men många intressanta idéer om NCI-ämnet handlar om strukturer som är mycket lägre, och om du står ovanpå vår stadshjärna kommer de att ligga på ett djup av 50-100 meter.
Tänk dig hur mycket som händer i vår kub - och detta är bara en 500 000: e del av hjärnbarken. Om vi bröt hela vår gigantiska skorpa i lika meter kuber och ställde upp dem i rad, skulle de sträcka sig 500 kilometer - hela vägen till Boston. Och om du bestämmer dig för att göra en avstickare, som tar mer än 100 timmar när du går snabbt, kan du när som helst stanna och titta på kuben, och all denna komplexitet kommer att finnas i den. Allt detta är nu i din hjärna.
Elon Musks Neuralink. Del 3: hur glad du ska vara om du inte bryr dig om allt detta
Din.
Tillbaka till del 3: flyga över nervcellerna
Hur kommer forskare och ingenjörer att hantera denna situation?
De försöker få ut det mesta av de verktyg de för närvarande har - de verktyg de använder för att spela in eller stimulera nervceller. Låt oss utforska alternativen.
NCI-verktyg
Med det som redan har gjorts finns det tre breda kriterier enligt vilka för- och nackdelarna med ett inspelningsinstrument bedöms:
1) Skala - hur många nervceller som kan registreras.
2) Upplösning - hur detaljerad information instrumentet får - rumslig (hur nära dina inspelningar berättar vilka av de enskilda neuronerna som skjuter) och temporala (hur väl kan du berätta när den aktivitet du spelar in sker).
3) Invasivitet - om kirurgi är nödvändig, och i så fall hur dyrt.
Det långsiktiga målet är att samla grädden från alla tre och äta. Men medan frågan oundvikligen uppstår, vilka av dessa kriterier (en eller två) kan du försumma? Valet av detta eller det här verktyget är inte en ökning eller minskning av kvaliteten, det är en kompromiss.
Låt oss se vilka verktyg som för närvarande används:
fMRI
- Skala: stor (visar information från hela hjärnan)
- Upplösning: låg till medelstor, mycket låg - tidsmässig
- Invasivitet: icke-invasiv
fMRI används ofta inte i NCI utan som ett klassiskt inspelningsverktyg - det ger dig information om vad som händer i hjärnan.
fMRI använder MRI, en teknik för magnetisk resonanstomografi. Uppfunnet på 1970-talet var MR utvecklingen av röntgen CT-skanning. I stället för röntgenstrålar använder MR magnetfält (tillsammans med radiovågor och andra signaler) för att skapa bilder av kroppen och hjärnan. Så här:
Komplett uppsättning tvärsnitt så att du kan se hela huvudet.
En mycket ovanlig teknik.
fMRI ("funktionell" MR) använder MR-teknik för att spåra förändringar i blodflödet. Varför då? För när områden i hjärnan blir mer aktiva förbrukar de mer energi, vilket innebär att de behöver mer syre - så blodflödet ökar i det området för att leverera det syret. Här är vad en fMRI-skanning kan visa:
Naturligtvis finns det alltid blod i hjärnan - den här bilden visar var blodflödet har ökat (rött, orange, gult) och var det har minskat (blått). Och eftersom fMRI kan skanna hela hjärnan är resultaten tredimensionella:
FMRI har många medicinska användningsområden, som att informera läkare om huruvida vissa områden i hjärnan fungerar efter en stroke, och fMRI har lärt neurovetenskapsmän mycket om vilka delar av hjärnan som är inblandade i dessa funktioner. Skanningen ger också viktig information om vad som händer i hjärnan vid en viss tidpunkt, det är säkert och icke-invasivt.
Den stora nackdelen är upplösningen. fMRI-skanning har bokstavlig upplösning, som en datorskärmspixel, men istället för tvådimensionell representeras dess upplösning av tredimensionella kubiska volympixlar - voxels (voxel).
FMRI-voxels har blivit mindre i takt med att tekniken har förbättrats, vilket resulterat i ökad rumslig upplösning. Voxels av modern fMRI kan vara så liten som en kubik millimeter. Hjärnvolymen är cirka 1 200 000 mm3, så en högupplöst fMRI-skanning delar upp hjärnan i en miljon små kuber. Problemet är att det i neural skala fortfarande är ganska mycket - varje voxel innehåller tiotusentals neuroner. Så som bäst visar fMRI det genomsnittliga blodflödet som dras in av varje grupp på cirka 40 000 neuroner.
Ett ännu större problem är tillfällig lösning. fMRI övervakar blodflödet, vilket är felaktigt och inträffar med en fördröjning på cirka en sekund - en evighet i neuronvärlden.
EEG
- Skala: hög
- Upplösning: mycket lågt rumsligt, medelhögt temporal
- Invasivitet: icke-invasiv
Uppfunnet för nästan hundra år sedan placerar EEG (elektroencefalografi) många elektroder på huvudet. Så här:
EEG är definitivt en teknik som kommer att se löjligt primitiv ut för människor 2050, men just nu är det ett av få instrument som kan användas med helt icke-invasiva NCI. En EEG registrerar elektrisk aktivitet i olika delar av hjärnan och visar resultaten enligt följande:
EEG-diagram kan avslöja information om medicinska problem som epilepsi, spåra sömnmönster eller bestämma anestesidosstatus.
Till skillnad från fMRI har EEG en ganska bra tidsupplösning och tar emot elektriska signaler från hjärnan när de ser ut - även om skallen spädar temporal noggrannhet avsevärt (ben är en dålig ledare).
Den största nackdelen är rumslig upplösning. EEG har det inte. Varje elektrod registrerar endast medelvärdet - vektorsumman av laddningar från miljoner eller miljarder neuroner (suddiga på grund av skallen).
Tänk dig att hjärnan är en baseballstadion, dess nervceller är människor i en folkmassa, och informationen vi vill få kommer att vara ett derivat av stämbanden istället för elektrisk aktivitet. I detta fall kommer EEG att vara en grupp mikrofoner utanför arenan, utanför dess ytterväggar. Du kommer att kunna höra när publiken börjar sjunga och kan till och med förutsäga vad de ska skrika om. Du kommer att kunna ta fram tydliga signaler om det är en nära kamp eller någon vinner. Du kan också reda ut om något ovanligt händer. Det är allt.
ECoG
- Skala: hög
- Upplösning: låg rumslig, hög temporal
- Invasivitet: närvarande
Ett ECoG (elektrokortikografi) liknar ett EEG genom att det också använder elektroder på ytan - det placerar dem bara under skallen på hjärnans yta.
Dum. Men effektivt - mycket effektivare än EEG. Utan störningar från skallen täcker ECoG högre rumsliga (cirka 1 cm) och temporala upplösningar (5 millisekunder). ECoG-elektroder kan placeras ovanför eller under dura mater:
Lager till vänster, från topp till botten: hårbotten, skalle, dura mater, arachnoid, pia mater, cortex, vit substans. Höger signalkälla: EEG, ECoG, intraparenchymal (LFP, etc.)
När vi återgår till analogin med vår stadion, finns ECoG-mikrofoner inne på arenan och närmare publiken. Därför kommer ljudet att bli mycket tydligare än EEG-mikrofoner utanför arenan, och EKoG kommer att kunna skilja mellan ljuden från enskilda publikgrupper. Men denna förbättring kostar pengar - det kräver invasiv kirurgi. Men enligt standarderna för invasiv kirurgi är detta ingripande inte så dåligt. Som en kirurg sa till mig:”Det är relativt icke-invasivt att placera fyllningen under dura. Du måste sticka ett hål i huvudet, men det är inte så läskigt."
Lokal fältpotential (LFP)
- Skala: liten
- Upplösning: medel-låg rumslig, hög temporal
- Invasivitet: hög
Låt oss flytta från ytelektrodskivor till mikroelektroder - små nålar som kirurger fastnar i hjärnan.
Medan vissa elektroder fortfarande är handgjorda idag, använder ny teknik kiselskivor och tillverkningstekniker lånade från den integrerade kretsindustrin.
Hur lokala fältpotentialer fungerar är enkelt - du tar en sådan ultratunn nål med en elektrodspets och sätter in den en eller två millimeter i cortex. Där samlar det medelvärdet av elektriska laddningar från alla nervceller i en viss elektrodradie.
LFP ger dig inte så dålig rumslig fMRI-upplösning i kombination med omedelbar ECoG-tidsupplösning. Enligt resolutionsstandarder är detta förmodligen det bästa alternativet av alla ovanstående.
Tyvärr är det fruktansvärt enligt andra kriterier.
Till skillnad från fMRI, EEG och ECoG har LFP-mikroelektroden ingen skala - den säger bara vad den lilla sfären som omger den gör. Och det är mycket mer invasivt eftersom det faktiskt kommer in i hjärnan.
I en basebollstadion är LFP en enda mikrofon som hänger över en del av sätena, tar upp ett tydligt ljud i det området och kanske tar upp en separat röst här och där för en sekund eller två - men för det mesta känner den en allmän vibration.
Och en helt ny utveckling är en multi-elektroduppsättning, som i princip är tanken på en LFP, bara den består av 100 LFP i taget. Multielektroduppsättningen ser ut så här:
En liten 4 x 4 mm fyrkant med 100 kiselelektroder på. Här är en annan, här kan du se hur skarpa elektroderna är - några mikron högst upp:
Registrering av enskilda enheter
- Skala: liten
- Upplösning: ultrahög
- Invasivitet: mycket hög
För att spela in en bredare LFP, avrundas spetsen på elektroden något för att ge elektroden en större ytarea, och motståndet (felaktig teknisk term) reduceras för att fånga mycket svaga signaler från ett stort antal platser. Som ett resultat samlar elektroden en kör av aktivitet från det lokala fältet.
Registrering av enskilda enheter involverar också en nålelektrod, men deras spetsar görs mycket skarpa och motståndet ökar också. På grund av detta förskjuts det mesta av bruset och elektroden plockar upp nästan ingenting förrän den är mycket nära neuronen (någonstans i 50 mikron), och signalen från denna neuron är tillräckligt stark för att övervinna elektrodväggen med hög resistans. Mottagande av separata signaler från en neuron och utan bakgrundsbrus, kan denna elektrod observera detta neurons privatliv. Minsta möjliga skala, högsta möjliga upplösning.
Vissa elektroder vill ta relationer till nästa nivå och använda patch clamp-metoden, som gör att du kan ta bort elektrodens spets och bara lämna ett litet rör, en glaspipett, som suger in neuronets cellmembran och gör finare mätningar.
Patchklämma har också den här fördelen: till skillnad från alla andra metoder berör den fysiskt neuronen och kan inte bara spela in, utan också stimulera neuronen genom att injicera ström eller bibehålla spänningen på en viss nivå för att utföra specifika tester (andra metoder kan bara stimulera hela grupper hela nervceller).
Slutligen kan elektroder helt dämpa neuronen och faktiskt tränga in i membranet för att spela in. Om spetsen är tillräckligt skarp kommer den inte att förstöra cellen - membranet kommer typ av att tätas runt elektroden, och det kommer att vara mycket lätt att stimulera neuronet eller registrera spänningsskillnaden mellan neurons yttre och inre miljö. Men det här är en kortsiktig teknik - en punkterad neuron kommer inte att leva länge.
På vår stadion kommer registreringen av enskilda enheter att se ut som en enkelriktad mikrofon fäst vid kragen på en fet man. Lokal potentiell fastspänning är en mikrofon i någons hals som registrerar stämbandens exakta rörelse. Detta är ett utmärkt sätt att lära sig om en persons känslor för spelet, men de kommer att tas ur sitt sammanhang och kan inte användas för att bedöma vad som händer i spelet eller om personen själv.
Det är allt vi har. Åtminstone som vi använder ganska ofta. Dessa verktyg är samtidigt mycket avancerade och kommer att verka som stenålderteknologier för framtidens människor, som inte tror att vi var tvungna att välja en av teknikerna, att öppna skallen för att få högkvalitativa register över hjärnan.
Men för alla deras begränsningar lärde dessa verktyg oss mycket om hjärnan och ledde till skapandet av de första nyfikna hjärn-dator-gränssnitten. Mer om dem i nästa del.
ILYA KHEL
Del ett: The Human Colossus
Del två: hjärnan
Del tre: Flyga över boet av neuroner
Del fyra: gränssnitt för neurodatorer
Del fem: Neuaralink-problemet
Del sex: Age of Wizards 1
Del sex: Age of Wizards 2
Del sju: The Great Fusion