Všechno, co jste kdy chtěli vědět o neurochirurgickém robotu Neuralinku (ale báli jste se zeptat). Tak by se asi dala nazvat tato třídílná minisérie, která původně měla být jedním článkem. Ukázalo se však, že o zmíněném robotickém systému Neuralinku je k dispozici mnohem více informací, než by se dalo čekat.
Seriál má ambice shrnout všechny dostupné informace o futuristickém automatu Neuralinku, který představuje jeden z klíčových komponentů architektury neurálního rozhraní, jenž má jednou propojit člověka s počítačem, léčit neurologická onemocnění a umožnit splynutí biologické a digitální inteligence.
Neuralink stejně jako všechny firmy Elona Muska a mnoho jiných společností v oboru informačních technologií používá metody agile. Postupně vyvíjí nové verze svého produktu, který tak vylepšuje a přidává nové funkce. Proto od roku 2016, kdy byl Neuralink založen, vzniklo už mnoho různých verzí jeho neurálního rozhraní. Vzniklo také mnoho variant neurochirurgického robota, který má rozhraní instalovat do hlavy nositele.
Celá koncepce neurálního rozhraní, tak jak ji představuje Neuralink – tedy systém používající miniaturní flexibilní elektrodová vlákna, která do mozkové tkáně implantuje robot – není v žádném případě vynálezem Neuralinku. Na vývoji podobných systémů pracovali vědci na amerických univerzitách už dříve.
Sám neurochirurgický robot také nebyl poprvé používán v Neuralinku. Zástupci firmy nejednou zdůrazňovali, že „jen“ vylepšují to, co bylo vymyšleno už dříve. Robot, ze kterého Neuralink vychází, byl patentován skupinou vědců z Kalifornské univerzity v San Francisku a v Berkeley. V prvním dílu této série si jej blíže představíme.
Cílem Neuralinku je vytvoření invazivního neurálního rozhraní za účelem propojení lidského mozku s počítačem. Chce tím umožnit lepší poznání mozku, léčbu neurologických problémů a nakonec spojit biologickou a umělou inteligenci, aby tak zamezil nadvládě myslících strojů nad lidmi.
Neinvazivními rozhraními se na tomto místě nemá vůbec smysl zabývat. Ptáte-li se proč, může to pomoci vysvětlit příklad, který uvedla Shivon Zilis, manažerka Neuralinku a matka dvou nejmladších dětí Elona Muska, když se jí ptali, zda Neuralinku nějakým způsobem pomáhá výzkum neinvazivních rozhraní:
Upřímně řečeno prakticky vůbec. Nejde o to, že by neinvazivní rozhraní nebyla užitečná pro poznání mozku, ale hodí se jen pro výzkum některých jeho celostních vlastností. Existuje jedna dost trefná analogie s fotbalovým stadionem při zápase. Sedíte-li někde za branami stadionu, můžete slyšet celé tribuny zpívající chorály a hlasitě reagující na góly nebo jiné situace v zápase. Pokud sedíte přímo na stadionu, ale v poslední řadě, slyšíte trochu více, například lidi kolem sebe nebo některé hlasitější fanoušky z davu. Pokud však chcete slyšet, co říká trenér, hráči nebo rozhodčí, musíte až na hrací plochu. V této analogii jsou neinvazivní zařízení používající například EEG (elektroencefalografii) za branami stadionu, ECoG (elektrokortikografie) nebo fMRI (funkční magnetická rezonance) jsou ekvivalentem míst v poslední řadě, kdežto elektrody Neuralinku jsou přímo na hrací ploše.
Jiné projekty vyvíjející invazivní rozhraní nejdou ve svých cílech až tak daleko jako Neuralink. Jde jim obecně o propojení mozku s počítačem, umožnění ochrnutým lidem komunikace se světem nebo o léčbu různých nemocí. Alternativních přístupů je několik:
Zdá se, že by mělo splňovat dvě hlavní podmínky:
Neurochirurgický robot Neuralinku má pomoci tyto podmínky splnit. Jak? Má umožnit rychlou automatickou implantaci velkého množství elektrod mikronových rozměrů do jakýchkoliv částí mozku.
Takový robot ještě nedávno neexistoval. Bylo potřeba ho vymyslet a sestrojit. Nebylo to však možné udělat ze dne na den. Vývoj robota, stejně jako vývoj celého rozhraní, je a bude postupný, inkrementální. Neuralink (nebo někteří jeho pracovníci ve svých předchozích projektech) už sestrojil mnoho verzí, z nichž některé základní si představíme v této sérii.
První verzí, kterou si představíme, je robot, jenž vznikl ještě před Neuralinkem, ale za přispění vědců, kteří poté v Neuralinku působili. Jde o zařízení, které se pak stalo vzorem pro další verze, vyvíjené už pod střechou Neuralinku. Pracovala na něm skupina vědců z Kalifornské univerzity v San Francisku a v Berkeley.
Jako autoři systému jsou uvedeni:
Je tedy vidět, že přinejmenším tři z autorů robota později pracovali v Neuralinku. V závěrečných poděkováních vědecké práce pojednávající o této verzi systému, je pak uveden ještě Joseph O’Doherty, neurovědec Neuralinku, který autorům s dílem rovněž pomáhal.
Vývoj podporovala DARPA, tedy Agentura amerického ministerstva obrany pro pokročilé výzkumné projekty.
Šlo o potvrzení správnosti nového přístupu k invazivním neurálním rozhraním. Pomocí robota chtěli autoři obejít nevýhody, se kterými se potýkali v předchozích výzkumech s použitím například Utah Array. Základem jejich nového systému byla flexibilní mikroelektrodová vlákna a jejich implantace do mozku pomocí robota.
Robot byl koncipován primárně pro implantaci zvířatům, ale autoři určitě mysleli také na vytvoření neurálního rozhraní pro účely lepšího prozkoumání lidského mozku a eventuální pozdější léčby neurologických problémů.
Celý systém je detailně popsán v práci anglicky nazvané „The ‘sewing machine’ for minimally invasive neural recording“, tedy „Šicí stroj pro minimálně invazivní záznam neurální aktivity“. Následující text je shrnutím tohoto 32stránkového dokumentu.
V první části dokumentu je dopodrobna rozebráno, proč se autoři snažili stvořit nový systém propojení mozku s počítačem a proč jejich zařízení vypadalo tak, jak vypadalo. Jiná rozhraní podle nich mají přinejmenším čtyři oblasti, ve kterých potřebují vylepšit. Jejich systém se tedy snažil:
V prvních třech bodech šlo v podstatě o minimalizaci reakce organismu na přítomnost cizího tělesa. Reakce na cizí těleso způsobuje tvorbu jizev, které pro elektrody působí jako izolant a k tomu vytlačují neurony mimo registrační dosah elektrod. To vše znemožňuje záznam mozkové aktivity. Zdá se, že tyto reakce organismu jsou iniciovány chemicky (biokompatibilita) a mechanicky (mikropohyby a kontakt cizího tělesa s organickou tkání). To znamená, že chceme-li reakce eliminovat, musíme použít biokompatibilní materiál a omezit mechanickou zátěž.
Autoři projektu vycházeli z mnoha předchozích experimentů z různých laboratoří. Pokud šlo o minimalizaci mechanického stresu, jednoznačná doporučení z předchozího výzkumu nevyplývala. Šlo-li o rozměry, zdálo se, že vlákna s průměrem menším než 6 mikrometrů nevyvolávají téměř žádnou imunitní reakci organismu testovaných zvířat. Důležitá je také flexibilita, hmotnost a hustota vláken, která musí být podobná jako hustota tkáně, do které jsou implantována. Vlákna, která autoři projektu vyvinuli měla hustotu 1,67 g/cm³ a byla 20 000krát flexibilnější než obvykle používané ocelové nebo křemíkové elektrody rozhraní typu Utah Array.
Krevní řečiště mozkové tkáně je velmi husté. Mikrokapiláry se nacházejí průměrně 40 mikrometrů od sebe. Implantace elektrod „naslepo“ je velmi nebezpečná. Povrchové prokrvení je redundantní a může tolerovat poškození. Problémem jsou však sestupné/vzestupné cévy, jejichž přerušení je nutné se vyvarovat. Cílená implantace elektrod tudíž z důvodu prevence krvácení vyžaduje mikronovou přesnost. Implantace stovek či tisíců elektrod tak není možná bez automatizace.
Systém se skládal ze tří hlavních podsystémů:
Systém byl testován na krysách. Procedura implantace elektrod vypadala následovně:
Elektrodová pole sestávající z 64 elastických elektrodových vláken byla vyrobena litograficky s použitím polyimidu jako pláště a platiny jako vodiče. Každé vlákno mělo jednu elektrodu schopnou jak záznamu, tak i stimulace. Na konci vlákna byla smyčka sloužící jako záchytný mechanismus pro implantační jehlu. Některá vlákna měla uši nebo ostny, které znemožňovaly jejich pohyb v mozkové tkáni.
Proces výroby vláken s elektrodami byl velmi zkomplikovaný. Nebudeme zacházet až do takovýchto detailů. Celý postup je popsán v sekci 2.2 výše zmíněného dokumentu, který představuje celý systém.
Jehla byla speciální, velmi důležitou částí robota. Jejím úkolem bylo navléknutí elektrodového vlákna, penetrace mozkové tkáně a pak rychlá retrakce.
Byla vyráběna z drátu z wolframovo-rheniové slitiny (s 26% obsahem rhenia). Proces výroby byl následující:
Po zakončení celého procesu výroby jehly byl ještě použit velmi jemný smirkový papír (o hrubosti zrna kolem 10 mikrometrů) k zaoblení ostrých hran. Výsledná jehla pak vypadala podobně jako na obrázku níže, i když s mnohem menším úhlem šroubovice, který je zde zvětšen pro názornost. Nakonec byla jehla připevněna do kazety (angl. cartridge) a byla provedena její důkladná mikroskopická inspekce.
Kompletního robota vidíme na obrázku níže. Skládal se ze tří hlavních částí / systémů (jejich detailnější popis pak je uveden pod obrázkem):
Výběr míst probíhal následovně:
Autoři nejprve experimentovali také s používáním makrodurotomie, tedy manuálního odstranění lebeční kosti a tvrdé pleny mozkové z celé cílové oblasti pro implantaci elektrod. Docházelo však k pohmoždění mozkové tkáně nebo i ke vzniku mozkové kýly, tedy vypouknutí části mozkové kůry do vytvořeného otvoru. Změnili proto přístup a začali používat mikrodurotomie, tedy laserové vypalování malých dírek do odkryté mozkové pleny, přes které pak byla implantována vlákna s elektrodami.
Proces vpichování elektrod do tkáně vypadal následovně:
V raných verzích robota byla pro odpojení vlákna od jehly v tkáni používána rotace jehly, což ale bylo neefektivní. Takzvaný balistický retrakční (zatahovací) mechanismus v pozdějších verzích robota umožnil pomalé, přesně kontrolované vpichování, s následným velmi rychlým zatahováním. Mechanismus také umožňoval, aby se jehla volně otáčela. To zajišťovalo správnou orientaci speciálního stupně jehly, vytvořeného z jednoho z jejích drátků. Ten musel být orientován tak, aby vlákno mohlo být bezpečně navléknuto a zachyceno na jehle.
Pro in vivo demonstraci systému autoři použili dospělé samce krys. Testy byly prováděny na Kalifornské univerzitě v San Francisku. Jakým způsobem testy probíhaly, je detailně popsáno ve výše zmíněném dokumentu (v sekci 2.4).
Pomocí systému byly prováděny opakované úspěšné implantace elektrod jak do náhražky tkáně (agaru), tak i do mozků krys. Pokud jde o spolehlivost, pokusné implantace do agaru byly konzistentní a opakovatelné. Spolehlivost in vivo byla omezena chirurgickými faktory, mezi které patřily:
Konkrétněji: Vyhýbání se krevním cévám udržovalo místo implantace v čistotě, což umožňovalo přesné cílení následných implantací. Pokud však docházelo k poškození cév, krev měla tendenci se šířit a vytvářet subdermální hematomy, které znemožňovaly další implantace. Část této krve unikala na povrch mozku. Mohla pak být nasáta kanylou jehly. Krev se mohla „srazit“ a způsobit zadření jehly v kanyle. Dále pak, pokud byla laserová mikrodurotomie příliš hluboká, mohlo stejně tak dojít k porušení podpovrchových cév a kontaminaci operačního místa nebo kanyly. Pokud byla naopak mikrodurotomie příliš mělká, jehla se mohla zlomit nebo ohnout o zbytek tvrdé pleny mozkové. Většina operací však byla provedena bez větších komplikací a jednou jehlou.
Po některých implantacích se objevovaly v mozkové tkáni léze (poškození) různého charakteru.
Díky automatizaci byl celý proces implantace poměrně rychlý. Zavádění vláken do tkáně, bylo prováděno rychlostí 0,1–2 mm/s. Při retrakci jehly z tkáně robot dosahoval rychlosti až 100 mm/s. Cyklus implantace jednoho vlákna tak trval méně než 9 sekund. To umožňovalo udržet dobu operace v praktickém časovém rámci.
Záznam mozkové aktivity a měření impedance byla prováděna na zařízeních z obrázků níže.
V průběhu testování a zdokonalování rozhraní, byly provedeny záznamy elektrofyziologické mozkové aktivity u čtyřech pokusných zvířat. Šlo o krysy označované pořadovými čísly #5, #13, #15 a #16. Údaje získané u krys #5 a #16 jsou znázorněny na obrázku níže. Krysa #16 měla implantovaných 24 elektrod, které fungovaly po dobu dvou měsíců. Průměrně se podařilo zaznamenat akční potenciály na 39 % implantovaných elektrod (na 3 z 22 elektrod u krysy #5; na 2 ze 13 elektrod u #13; na 7 z 12 elektrod pro #15 a na 16 z 24 elektrod pro #16).
Autoři uvádějí, že, vezmeme-li v potaz komplexnost mozkové tkáně, nebylo pro ně překvapením, že výsledky implantací nebyly jednoznačné. Nejvýznamnějším faktorem byla hloubka implantace – ve svrchních vrstvách tkáně se projevovaly nejsilnější reakce organismu na cizí tělesa. Podle nich je proto v budoucích výzkumech potřeba se soustředit na zlepšení metod zavádění elektrodových vláken.
Implantace elektrod způsobovala tři typy poškození tkáně:
Všechny zmíněné problémy však byly převáženy poškozováním krevního řečiště, protože to způsobovalo největší problémy.
Podle autorů bylo z výzkumu patrné, že malé a flexibilní implantáty mohou zlepšit dlouhodobé výsledky implantace. Jsou však potřeba lepší metody implantace tak, aby nedocházelo k poškození sestupných cév. Autoři také navrhovali, aby se eventuální navazující práce zaměřily rovněž na zlepšení zaměřování, nejlépe s využitím počítačového vidění, a také na zlepšení pohyblivosti robota. Důležitá pak podle nich byla také další miniaturizace implantační jehly a elektrodových vláken. Pro lepší možnosti záznamu mozkové aktivity navrhovali rovněž umístění většího počtu elektrod na jednotlivá vlákna.
Tato studie úspěšně demonstrovala, že systém zaznamenávání mozkové aktivity využívající flexibilních elektrod a jejich implantace pomocí „šicího stroje“ může být efektivní a je hodný dalšího studia a vývoje.
Tolik tedy první část třídílné série článků o neurochirurgickém robotu Neuralinku, ve které jsme si představili prototyp, který byl vyvíjen ještě na kalifornských univerzitních pracovištích. Prvního „komerčního“ robota, jenž už vznikal v laboratořích Neuralinku, si představíme v příštím díle.
< Předchozí část | Následující část > |
Předchozí články ze série Neuralink pod lupou:
Rozhovor s neurochirurgem Mattem MacDougallem nabízí fascinující pohled do zákulisí inovativní technologie mozkových implantátů. MacDougall…
V přehledu novinek o síti Starlink se nejprve podíváme, jak satelitní konstelace na nízké oběžné…
Nová kniha Reentry od Erica Bergera se zaměřuje na vývoj Falconu 9 a kosmické lodi…
Dnešní článek vám představí novou anténu určenou pro příjem signálu družic Starlink. Na rozdíl od…
NASA před časem udělila SpaceX kontrakt na vývoj USDV (U.S. Deorbit Vehicle), což je upravená…
Noland Arbaugh je prvním uživatelem implantátu Neuralinku a používá ho už tři čtvrtě roku. Při…
Zobrazit komentáře
Super článek, děkuji a těším se na další díly. Jen moc prosím zvážit, jestli je vážně nutné používat slovo interfejs. V jedné větě třikrát použité slovo "rozhraní" mě vůbec neuráží, zato "interfejs" je jak kdybych dostal facku...
Díky :) Ten "interfejs" už jsme tu kdysi řešili. Těch "rozhraní" už je občas tolik, že je potřeba si pomáhat nějak jinak, aby už to neznělo hloupě. Mě to třeba vůbec nepřijde, protože jsem povoláním síťař a to slovo slyším x-krát denně. Budu se snažit to nepřehánět, ale nic neslibuju ;)
Díky! Těším se na další pokračování. Jako vždycky.
Díky!