ElonX

Shrnutí nové prezentace Neuralinku, 5. část: Implantace neurálního rozhraní

Autor · Publikováno · Aktualizováno

V pátém dílu seriálu shrnujícího všechny informace z poslední prezentace pokroku Neuralinku se zaměříme na miniprezentace, které se věnovaly novinkám v oblasti implantace neurálního rozhraní uživatelům. Šlo o čtyři krátká vystoupení o:

  1. vylepšování procesu implantace
  2. upgradovatelnosti implantátu
  3. designu a výrobě implantační jehly
  4. vývoji substitutů mozkové tkáně

Připomeňme, že v předchozích dílech série už jsme probrali:

  1. prezentace Elona Muska a DJ Sea
  2. vývoj hardwaru implantátu
  3. testy implantátu
  4. software a algoritmy

Vylepšování procesu implantace

O způsobech, jakými se Neuralink snaží zlepšit proces implantace rozhraní, na prezentaci mluvila Christine, vedoucí týmu chirurgického inženýrství (angl. Surgery Engineering Team).

Anatomie hlavy.

Nejprve shrnula proces implantace zařízení do hlavy. Jde o následující kroky:

  • určení místa pro implantaci a odstranění kůže s vlasy
  • vyvrtání potřebného otvoru v lebce, takzvaná kraniotomie
  • odstranění tvrdé pleny mozkové
  • zavedení elektrodových vláken do mozku
  • umístění implantátu do vytvořeného otvoru
  • zašití kůže s vlasy

Proces implantace rozhraní.

Neurochirurgický robot nazývaný R1 zatím provádí pouze zavedení vláken s elektrodami do mozku, zbytek je na neurochirurgovi. Robot je potřebný kvůli malým rozměrům vláken, preciznímu vyhýbání se krevnímu systému a vykonání operace v přijatelném čase.

Neurochirurgů také není zrovna na světě přebytek a jejich čas je velmi drahý. Neuralink plánuje rozhraní implantovat „ve velkém“, proto musí proces implantace co nejvíce zautomatizovat nebo přinejmenším zajistit, aby jeden neurochirurg mohl dohlížet na mnoho implantací najednou. Je tedy potřeba vyvinout lepší proces a lepšího robota, který zvládne celou implantaci. Neuralink k tomu chce dojít iterativním přístupem čili postupným vylepšováním.

Vývojové verze neurochirurgického robota.

Christine jako příklad zlepšování robota uvedla jeho optický systém. Od roku 2017, kdy Christine začala pracovat v Neuralinku, prošel několika výraznými změnami. Jednou z největších výzev bylo sloučení tří potřebných optických komponentů:

  • první zobrazuje implantační jehlu v běžném viditelném spektru světla
  • druhým je laserová interferometrie neboli optická koherentní tomografie umožňující precizní sledování pohybů mozku, jenž se neustále pohybuje vlivem dýchání a krevního systému
  • třetí snímá cílové oblasti pro vpichy ve viditelném spektru

Optický systém neurochirurgického robota.

Díky optické polarizaci tým Neuralinku dokázal všechny tři systémy spojit v jeden celek. Umožňuje to velmi precizní vyhýbání se krevnímu řečišti i při neustálých pohybech mozku.

Aby však robot převzal některé další činnosti neurochirurga, musí jít Neuralink dále. Dvě pro chirurga nejsložitější činnosti jsou kraniotomie, čili vyvrtání otvoru v lebce, a odstranění tvrdé pleny mozkové. Na obě už inženýři Neuralinku mají plán. O odstranění mozkové pleny pojednává následující sekce. Jak by robot mohl provádět kraniotomii, si uvedeme zde.

Pokud neurochirurg provádí jen malou kraniotomii, může k tomu použít zařízení zvané kraniální perforátor čili speciální neurochirurgickou vrtačku. Větší otvory se však tvoří komplikovaně. Problémem je mimo jiné variabilita tkání každého pacienta (například tloušťka a tvrdost lebky).

Oscilační pilka.

Inženýři Neuralinku vyvinuli několik prototypů zařízení pro provádění větších kraniotomií. Ultrasonické řezačky nebo oscilační pily se neosvědčily. Nejlepším řešením se zdá být CNC vrtačka, čili typ počítačově řízeného obráběcího stroje. Musí však být velmi precizní, neboť jde o vrtání v lidské tkáni. Jsou proto potřebné snímače síly a impedance, pomocí kterých stroj určí, v jaké tkáni se zrovna nachází a zda už se provrtal kam třeba.

CNC vrtačka.

Upgradovatelnost implantátu

O tom, jak Neuralink hodlá docílit toho, aby se jeho rozhraní dalo snadno upgradovat, tedy vyměnit za lepší a novější verzi, na prezentaci mluvil Alex, mechanický inženýr z týmu robotiky.

Za posledních několik let má implantát Neuralinku:

  • 3x větší odolnost proti nárazu
  • 2x delší život baterie
  • 2x větší kapacitu baterie
  • 3x delší vzdálenost indukčního nabíjení
  • 3x větší dosah bezdrátového připojení k počítači (Bluetooth)

Obecně každá novější verze rozhraní bude lepší než ta předchozí a stejně jako dnes měníme počítače nebo telefony, uživatelé neurálních rozhraní jednou jistě budou chtít měnit svá zařízení za ta novější s více funkcemi. Upgrade musí být přinejmenším tak jednoduchý jako první instalace.

To samozřejmě v případě implantovaných neurálních rozhraní není jednoduché. Největším problémem je zde regenerace organismu, neboli proces hojení. Neuralink ještě tuto věc nevyřešil, ale usilovně se o to snaží. Během několika týdnů nebo měsíců po implantaci je prostor kolem rozhraní a elektrodových vláken vyplněn nově vytvořenou tkání. Bez tohoto dorůstání tkáně by odstranění vláken bylo triviální, ale obrůstání ho výrazně komplikuje.

Obrůstání implantátu novou tkání jako obranná reakce organismu. Dorůstající tkáň je na obrázcích vlevo zobrazena lehce narůžovělou barvou.

Inženýři Neuralinku tento proces důkladně zkoumají. Vyvinuli pro to speciální metody využívající histologii a mikrotomografii. Vyzkoušeli už mnoho přístupů, jak nechtěné hojení obejít. Nejlepší se zdá být minimalizace invazivnosti procedury implantace. Znamená to neodstranění tvrdé pleny mozkové a implantace elektrodových vláken přes ni. Přirozená ochranná vrstva zůstane na svém místě a obrůstání implantátu novou tkání vůbec neproběhne. To zároveň výrazně přispívá k tomu, aby procedura implantace byla jednodušší a bezpečnější.

Takovýto přístup však zároveň celou proceduru implantace značně komplikuje. Tvrdá plena mozková je velmi pevná neprůhledná membrána tvořená hustou sítí kolagenových vláken. To představuje další problémy pro implantaci. Například jak nahlédnout pod plenu a zobrazit povrch mozku, aby dále bylo možné se vyhnout krevnímu řečišti?

Pohled na mozek po provedení durotomie a bez ní.

Řešením by mohl být nový optický systém, který Neuralink vyvíjí. Ten pro zobrazování krevního řečiště pod tvrdou plenou mozkovou používá fluorescenční barvivo. Systém ještě musí projít intenzivními testy, ale zdá se, že je slibným prohloubením automatizace procesu implantace rozhraní.

Neuralink rovněž experimentuje s novým laserovým zobrazovacím systémem pro zobrazování hlubších tkáňových struktur. Nové systémy zobrazování v kombinaci s předoperačním zobrazováním, čili například magnetickou rezonancí, by měly umožnit precizní zaměřování míst pro implantaci vláken bez přímého odkrytí povrchu mozku.

Design a výroba implantační jehly

Prezentaci o implantačních jehlách představil Sam, vedoucí týmu, který vyvíjí a vyrábí jehly (Needle Manufacturing and Design Team).

Tvrdá plena mozková má u lidí tloušťku až jeden milimetr. Nezdá se to příliš, ale uvědomíme-li si, že implantační jehla má v průměru jen 40 mikronů, je to hodně. Pokud bychom jehlu zvětšili do průměru propisovací tužky, měla by mozková plena tloušťku více než 10 centimetrů.

Ukázka rozměru implantační jehly.

Na obrázku níže můžeme vidět fotografii jehly pořízenou elektronovým mikroskopem. Vlevo je konec vlákna s elektrodami, uprostřed jehla a vpravo Samův vlas.

Detail elektrodového vlákna, implantační jehly a vlasu (zleva).

Rozměry vláken a jehly však nejsou jedinou výzvou. Sam v rychlosti představil některé z nich:

  • Robot musí použít jehlu a ochrannou kanylu, ve které se jehla nachází, zachytit vlákno s elektrodami, přidržet ho a vytáhnout ze silikonového zásobníku, přemístit vlákno k místu vpichu a po jeho implantaci vlákno zanechat ve tkáni. Tento proces je značně komplexní.
  • Tvrdá plena mozková je velmi pevná, zatímco mozek pod ní je měkký. Znamená to, že pokud jehla není dostatečně ostrá, nepropíchne plenu, ale jen ji promáčkne směrem do mozku, přičemž se může ohnout.
  • Přes plenu musí do mozku projít jehla i vlákno. Pro úspěšnou implantaci je tedy důležité, aby sestava těchto dvou prvků měla správný profil.

Podle Sama je klíčem k vyřešení problémů s designem jehly rychlá iterace změn při vývoji. Je tedy potřeba optimalizovat výrobní proces jehly. Jak přesně ten proces vypadá?

Jehly jsou vyráběny ze slitiny wolframu a rhenia. Neuralink pro jejich výrobu sestrojil speciální „mikro-soustruh“ s femtosekundovým laserem, pomocí kterého je schopen obrábět wolfram-rheniový drát s extrémní přesností. Tento přístroj umožnil zkrácení času výroby jehly z 22 do 6 minut. K tomu se navíc zvýšila úspěšnost výroby bezkazových jehel z 58 % na 91 %. Soustruh zároveň přesně měří všechny parametry výsledné jehly i její kanyly a údaje předává neurochirurgickému robotovi, který je potřebuje pro zajištění co nejpřesnější implantace vláken.

Femtosekundový soustruh.

Díky tomu, že inženýři Neuralinku jsou schopni používat femtosekundový laser jako mikro-soustruh a vyrábět nové jehly a kanyly v řádu minut, poslední verze jehly je schopná se v laboratoři najednou probít ekvivalentem devíti vrstev tvrdé pleny mozkové o celkové tloušťce až 3 milimetry. To je mnohem více, než má kterékoliv z pokusných zvířat nebo i člověk.

Jehla však není jediným dílkem skládanky. Mění se také verze elektrodových vláken, která jehla implantuje. Proces jejich vývoje byl také výrazně zoptimalizován a dnes trvá výrobní cyklus nové verze vlákna třetinu času, který byl potřeba na počátku roku 2021.

Posledním dílkem pak je testování jehly. Neuralink z tohoto důvodu vyvíjí náhražky organické tkáně. Je velmi důležité, aby jejich vlastnosti co nejlépe odpovídaly skutečné tkáni.

Různé návrhy jehel s kanylou (nahoře) a koncovek elektrodových vláken (dole).

Vývoj náhražek mozkové tkáně

O vývoji náhražek tkání mluvila Lesley, vedoucí týmu rozvoje mikrofabrikace (Microfabrication R&D).

Neuralink chce co možná nejlépe porozumět vztahu implantovaných zařízení a biologických tkání, ve kterých se nacházejí. Poznání těchto vztahů jen díky biologii, čili testům na pokusných zvířatech, je však velmi pomalé. Proto tým Lesley vyvíjí syntetické materiály, které napodobují biologické prostředí. To umožňuje vykonávat mnoho testů bez zvířat, na laboratorním stole.

Vývoj dokonalých náhražek je však velkou výzvou. Živé prostředí, které se Neuralink snaží co možná nejlépe napodobit, se skládá z mnoha různých vrstev se zcela odlišnými vlastnostmi. Živá tkáň se navíc dynamicky mění a hojí. Nová tkáň obrůstá cizí tělesa a vyplňuje každé volné místo. Navíc živé tkáně jsou v neustálém pohybu díky kardiovaskulární aktivitě a pohybům hlavy.

Neuralink tedy inkrementálně vyvíjí komplexní náhražky s použitím informací získaných z testů na pokusných zvířatech. Pomáhá v tom i neurochirurgický robot se svými mnoha senzory – slouží jako velmi citlivý nástroj pro charakterizaci vlastností prostředí, ve kterém se pohybuje. Získané informace jsou využity k tomu, aby náhražky byly mechanicky, chemicky a strukturálně co nejvíce podobné skutečné tkáni.

Porovnání struktury biologické a syntetické tkáně.

První verze náhražky mozkové tkáně byla vyrobena z kombinace agaru a pyropěny. Agar je přírodní polysacharid s vysokou gelující schopností, který se vyrábí z červených mořských řas. Pyropěna (angl. pyrofoam) pak je typ expandovaného polystyrenového pěnového materiálu (EPS), který se obvykle používá jako izolace nebo pro balení křehkých předmětů. Šlo o poměrně jednoduchý materiál, který ještě nesplňoval mnoho z představ Neuralinku o ideální náhražce, ale umožnil nesčetné laboratorní testy implantace vláken robotem.

Dnešní substitut už je trochu komplikovanější. Je vyroben z kompozitního hydrogelu, který lépe imituje mozek, a zahrnuje také syntetickou verzi tvrdé pleny mozkové.

Práce se současnou verzí náhražky mozkové tkáně.

Inženýři z týmu, který náhražky vyvíjí, mají velmi dlouhý seznam vylepšení, která hodlají postupně vyvíjet. Jde například o:

  • chirurgickou náhražku, která bude obsahovat všechny vrstvy, jež má člověk (tedy mozek, lebku a kůži)
  • substitut mozku, který by simuloval jeho pohyby, vaskulaturu a elektrofyziologickou aktivitu
  • biologickou náhražku, která by umožnila testovat biokompatibilitu a elektrickou stimulaci

Cerebral organoid.

Na všech těchto nových materiálech už Neuralink pracuje. Dokonce i na uměle vypěstovaných orgánech (takzvaných organoidech). To vše má pomoci tomu, aby zařízení byla mnohem lépe otestovaná, než budou implantována pokusným zvířatům. Pokročilé substituty by v budoucnosti mohly testy na zvířatech dokonce i úplně nahradit.

< Předchozí část Následující část >

Předchozí články ze série Shrnutí nové prezentace Neuralinku:

Přispějte prosím na provoz webu ElonX, aby mohl nadále zůstat bez reklam. Podpořte nás pomocí služby Patreon či jinak a zařaďte se tak po bok ostatních dobrodinců, kteří už finančně přispěli. Děkujeme!

Vlastimil Švancara
Latest posts by Vlastimil Švancara (see all)
Počet zobrazení článku: 618



Štítky:

Mohlo by se vám líbit...

Odebírat komentáře
Nastavit upozorňování na
guest

1 Komentář
nejnovější
nejstarší nejlepší
Inline Feedbacks
Zobrazit všechny komentáře
Stehno

Pěkný článek jako obvykle! Škoda, že neupřesnili, co znamená “3x větší odolnost proti nárazu”. Lze si pod tím představit leccos.

Naposledy upraveno před 1 rokem uživatelem Stehno
1
0
Odpovědět
wpdiscuz   wpDiscuz