Fråga Doktorn

Facebook: s nästa gräns: brain-computer gränssnitt

Hjärn-dators gränssnitt träder in i en modig ny era.

Facebooks tekniska utvecklingsteam arbetar för närvarande med ett sätt för användarna att skriva med sina sinnen, utan att det behövs ett invasivt implantat. Uppdatering av din status med tankar i sig kan en dag bli en verklighet.

Social mediaföretagets 60-starka team hoppas kunna uppnå denna mirakulösa prestation med optisk bildbehandling som skannar hjärnan hundratals gånger per sekund, upptäcker våra tysta interna dialoger och översätter dem till text på en skärm.

De hoppas att tekniken så småningom tillåter användare att skriva på 100 ord per minut - fem gånger snabbare än att skriva på en telefon.

Om denna innovation kommer att passera kommer det att bli fascinerande för Facebook: s följande. Det kommer emellertid att vara djupare och djupare förgreningar för personer som inte utnyttjar deras lemmar fullt ut.

Hjärn-dator gränssnitt (BCI) som tillåter användare att skriva med sina sinnen är redan tillgängliga, men de är antingen långsamma eller kräver en sensor som ska implanteras i hjärnan. Detta förfarande är dyrt, riskabelt och antas inte antagas av befolkningen som helhet.

Om så kallad hjärnskrivning skulle kunna perfekteras utan att behöva påträngande implantat skulle det vara en äkta spelväxlare med en hel mängd applikationer.

BCI, då och nu

De första stegen mot att utveckla en BCI kom med Hans Berger upptäckt att hjärnan var elektriskt aktiv. Varje gång en enskild nervcell skickar ett meddelande, åtföljs det av en liten elektrisk signal som nips från neuron till neuron.

Denna elektriska signal kan plockas upp utanför skalle med hjälp av ett elektroencefalogram (EEG). Berger var den första personen som registrerade mänsklig hjärnaktivitet med hjälp av en EEG, som har uppnått denna prestation för nästan ett sekel sedan, 1924.

Uttrycket "hjärn-dator gränssnitt" var myntat på 1970-talet, i papper Jacques Vidal, som nu anses vara farfar BCI.

Kan dessa observerbara elektriska hjärnsignaler användas som bärare av information i man-datakommunikation eller i syfte att styra sådan extern apparat som protesutrustning eller rymdskepp?"
Jacques Vidal, "Toward direct brain-computer communication," 1973

Naturligtvis var djurstudier den första porten vid undersökning av BCI. Forskning i slutet av 1960-talet och början av 1970-talet visade att apor kunde lära sig att styra avfyrningsgraden för enskilda neuroner eller grupper av neuroner i den primära motorbarken om de fick en belöning. På samma sätt, med användning av operant konditionering, kunde hundar utbildas för att styra rytmen i deras hippocampus.

Dessa tidiga studier visade att hjärnans elektriska utgång kunde mätas och manipuleras. Under de senaste två decennierna har det blivit en ökning av intresse för BCI. Det finns fortfarande en lång väg att gå, men det har varit anmärkningsvärda framgångar.

I moderna BCI, är grädden av experimentella grödor ett nyligen utformat system från Stanford University. Två implantat av aspirinstorlek, som sätts in i en persons hjärna, kartlägger aktiviteten hos motorcortexen - en region som styr musklerna. Algoritmer tolkar sedan denna aktivitet och omvandlar den till markörrörelser på en skärm.

I en nyligen genomförd studie kunde en deltagare skriva 39 tecken (cirka åtta ord) per minut. "Denna studie rapporterar högsta hastighet och noggrannhet, med en faktor om tre, över vad som tidigare visats", säger Krishna Shenoy, en av De högre författarna.

Invasiv, semi-invasiv och noninvasiv

I stort sett delas moderna BCI i tre grupper. Dessa är:

Invasiva BCI: er: Implantat placeras direkt i hjärnan. Programvaran är utbildad för att tolka ett ämnes hjärnaktivitet. En datormarkör kan till exempel styras av en deltagares tankar om "vänster", "höger", "upp" och "ner". Med tillräcklig träning kan en användare rita former på en skärm, styra en tv och öppna datorprogram.
Semi-invasiva BCI: er: Denna typ av enhet implanteras inuti skallen men sitter inte inom själva gråämnet. Även om det är mindre invasivt än en invasiv BCI tenderar implantat som lämnas under skallen under långa perioder att bilda ärrvävnad i den gråa substansen, som i slutändan blockerar signalerna och gör dem oanvändbara.
Noninvasive BCIs : Dessa fungerar på samma princip, men involverar inte kirurgisk implantering och har därför fått mest forskning.

Av de icke-invasiva BCI: erna är den vanligaste typen EEG-baserade BCI. Dessa läser den elektriska aktiviteten i hjärnan från utsidan av kroppen. Men eftersom kraniet sprider de elektriska signalerna väsentligt, är det en riktig utmaning att göra dem exakta. Tillagt till detta problem, tar de ofta en hel del kalibrering före varje användning. Med detta sagt har det skett några betydande steg framåt de senaste åren.

Till exempel har vissa forskare nyligen undersökt noninvasive BCIs som ett sätt att hjälpa individer med amyotrofisk lateralskleros och hjärnstamsslag. Dessa patienter kan bli "inlåsta", vilket innebär att de förlorar användningen av alla frivilliga muskler och som sådan inte har någon möjlighet att kommunicera, trots att de är kognitivt "normala".

Deras studier ledde dem till att dra slutsatsen att "BCI-användning kan vara till nytta för dem med inlåst syndrom."

Hur fungerar icke-invasiva BCI?

BCI-tekniken är baserad på att detektera elektrisk aktivitet som härrör från hjärnan och sedan omvandla den till en extern åtgärd. Men genom kakofonin av neuralt brus, vilka signaler bör uppmärksammas?

Det finns ett antal signaltyper som icke-invasiva BCI använder, varav den mest populära är P300-händelsespotentialen.

En händelsesrelaterad potential är ett mätbart hjärnansvar på en viss stimulans - speciellt produceras P300 under beslutsfattandet och brukar framkallas experimentellt med det så kallade oddball-paradigmet.

BCIs bygger på att omvandla hjärnaktivitet till extern åtgärd.

I oddball-paradigmet presenteras deltagarna med en rad symboler som blinkar framför ögonen en efter en.

De uppmanas att se upp för en viss symbol som endast inträffar sällan inom urvalet. När målsymbolen uppmärksammas av deltagaren utlöser den en P300-våg.

Under många försök är det möjligt att skilja P300 från andra elektriska signaler; Det är lättast att observera som kommer från parietalloben, en del av hjärnan som är ansvarig, delvis för att integrera sensorisk information.

När en algoritm är utbildad för att känna igen en persons P300 kan den då förstå vad de letar efter. Till exempel, om användaren skriver ett ord och de vill börja med bokstaven "a" när den bokstaven visas på skärmen kommer en P300 att genereras av hjärnan, mjukvaran kommer att känna igen den och bokstaven "a "Skrivs på skärmen.

Jämfört med andra liknande metoder är P300s relativt snabba, kräver lite träning (timmar i stället för dagar) och är effektiva för de flesta användare.

Det finns dock fortfarande brister. Eftersom systemet behöver hämta en användares svar på enskilda tecken måste den springa igenom en lista innan den kan hitta den rätta. Det betyder att det finns en gräns för hur snabbt man kan skriva.

Det finns sätt att minimera denna vänta, men tiden som tas är fortfarande längre än forskare (och användare) skulle vilja ha.

Hur kommer Facebook att uppnå 100 ord per minut?

För att skapa ett system som kan skriva tiotals ord per minut, behövs ett nytt steg i processen - i själva verket behövs en helt ny tillvägagångssätt, och det är Facebook som jobbar med.

Medical-Diag.com Talade med Dr. Michael M. Merzenich, chefvetenskaplig chef för Posit Science och medfinnare av det cochleära implantatet. Vi frågade hur Facebook: s forskare kommer att kringgå denna hastighetsproblem, som han svarade, "Facebook har diskuterat med hjälp av NIR-imagingteknologi." Med den här tekniken kommer varje ord att plockas ut på en gång, i stället för att stavas ut brev till brev.

Det finns utmaningar framåt för social media giant.

Självklart kommer detta med sina egna svårigheter. Dr. Merzenich tillade:

"Även om det är väldigt lätt att skriva" lejon "mot" tiger "och vara tydligt kommer det att bli ganska svårare att få en icke-invasiv hjärnavbildningsteknik att upptäcka minsta skillnader i hjärnaktivitet som kan motsvara små skillnader i en sådan kategori."

"Tänk på ordet" lejon "och ordet" tiger "aktiverar extremt lika och överlappande nätverk av hjärnaktivitet för de flesta människor."

Det finns tydligt mycket arbete ännu att göra, men Dr. Merzenich är övertygad om att det kommer att uppnås så småningom. Han lade till:

"Det bästa hoppet är att använda moderna AI [artificiell intelligens] tekniker - djupt lärande tekniker - som gradvis kommer att lära sig att identifiera mönster av hjärnaktivitet för en enskild person som betyder specifika saker."

"På det sättet tycker jag att det är troligt att människor kommer att träna sina hjärnläsningssystem individuellt och dessa system kommer att anpassas individuellt till dem och inte omedelbart överföras till en annan person. Faktum är att personer som använder dessa system troligtvis kommer att träna sina egna hjärnor För att optimalt producera läsbara signaler till dessa system. På så sätt representerar dessa system en annan applikation av hjärn plasticitet - hjärnans förmåga att förändra sig genom träning."

Detta kan alla vara långt borta, men Facebook är engagerade. De kombinerar sin forskningsstyrka med ett antal universitet över hela USA. Framtiden ser ljus ut för BCIs, och om de uppnår 100 ord per minut blir det ett stort steg för miljontals människor som inte kan kommunicera med lätthet.