Neuralink pod lupou #3: Jednotlivé komponenty prototypu N1

17. července 2019 se v Morrisonově planetáriu v Kalifornské akademii věd uskutečnila první veřejná prezentace společnosti Neuralink. Firma zde prezentovala svůj první prototyp systému propojení lidského mozku s počítačem i s infrastrukturou potřebnou k jeho implantaci a spolehlivému provozu.

Hned první verze zařízení Neuralinku je řádově lepší než vše, co zatím v tomto oboru bylo uskutečněno. Systém se skládá z několika prvků, které si podrobněji popíšeme níže. Jde o speciálně navržený a sestrojený počítačový čip nazvaný N1 s mnoha polymerovými vlákny, ve kterých se nachází více než tisíc elektrod. Ty jsou pak implantovány do mozku pomocí poloautomatického neurochirurgického robota, kterého rovněž vyvinul sám Neuralink.

Celý systém je tak komplexní a vyžaduje takové množství inovací, že firma musela přitáhnout celou řádku špičkových odborníků v oborech jako nanotechnologie, výpočetní technika, telekomunikace, elektronika, materiálové inženýrství, robotika, automatizace, různá odvětví medicíny (zejména neurochirurgie) a také medicína veterinární. Přestože ve firmě již pracuje něco kolem devadesáti odborníků, k uskutečnění jejích cílů to ještě to nestačí. Prezentace inovací společnosti tak podle vyjádření Elona Muska, měla být zejména jakousi formou náboru dalších zaměstnanců firmy.

„Když chcete Elonovi tvrdit, že něco není možné, nejdříve se ujistěte, že to nedovolují fyzikální zákony, jinak budete vypadat hloupě.“
– Max Hodak, prezident Neuralinku

Jak má celý systém Neuralinku fungovat, jsme si popsali v minulém článku. Nyní se pojďme podrobněji zaměřit na jeho jednotlivé komponenty, tedy:

• polymerová vlákna s elektrodami registrujícími v mozku akční potenciály neuronů
• robota, který pod dozorem neurochirurga vlákna implantuje do mozku
• speciálně navržený lokální počítačový čip, jenž zpracovává akční potenciály
• propojení čipu s okolním světem
• aplikaci v telefonu pro ovládání systému

Polymerová vlákna a mikroelektrody

Jak ukazují léta výzkumů, neinvazivní metody registrace neuronové aktivity jsou neefektivní. Můžeme pomocí nich zaznamenávat tisíce či miliony neuronů, ale jejich signály jsou zkreslené a prolínají se. Použitím invazivních technik, čili zavedením mikroelektrod přímo do mozkové kůry, získáme nejpreciznější výsledky a můžeme dokonce odděleně registrovat jednotlivé akční potenciály. Neuralinku jde právě o to, aby bylo možné číst informace od co největšího počtu jednotlivých neuronů v konkrétních oblastech mozku.

Rozhraní postavené na čipu N1 je schopno pracovat s více než 10 000 mikroelektrodami. Každý čip má 1024 elektrod a jeden systém může sloučit až 10 čipů. První pacienti mají obdržet čipy čtyři a ty mají být rozmístěny do různých částí mozku – tři do motorické oblasti a jeden do oblasti somatosensorické. Systém bude tedy používat 4096 aktivních elektrod, z nichž každá je schopna registrovat informace průměrně až ze čtyř různých neuronů ve své bezprostřední blízkosti.

Experimentálně bylo zjištěno, že nejdelší vzdálenost, ve které se dají elektrodami zaznamenávat signály neuronů je 60 mikrometrů. Musíme tedy vyrobit velmi malé elektrody a umístit je velmi blízko neuronů. Neuralink za 2,5 roku své existence vyvinul více než 20 verzí vláken s elektrodami. Současná vlákna mají tloušťku 4–6 mikrometrů a šířku okolo 40 mikrometrů. Lidský vlas má průměr 100 mikrometrů. Tělo neuronu v mozkové kůře má kolem 6 mikrometrů. Vlákno tvoří tři vrstvy izolace a dvě vrstvy vodičů. Délka vlákna je okolo 20 milimetrů.

Vlákna jsou umístěna do velmi specifického prostředí mozkové kůry. Jedním ze základních principů Neuralinku je co nejdelší životnost celého systému. Zařízení musí fungovat dlouhá léta a nejlépe celé dekády. To platí zejména pro vlákna, která jsou invazivně implantována do mozku a nemůžou podléhat pravidelným výměnám či údržbě. Proto vlákna musí splňovat mnoho podmínek, aby jejich životnost byla co nejdelší:

• biokompatibilita
• mechanická kompatibilita
• bezpečnost pro nositele
• hermeticky uzavřený systém

To pro Neuralink znamená, že vlákna s mikroelektrodami musí být prakticky neviditelná pro mozek. Jak toho dosáhnout?

• Vlákna musí být velmi malých rozměrů.
• Musí být vyrobena z materiálů, které nevyvolají imunitní reakci organismu nositele.
• Musí být vyrobena z bezpečných materiálů.
• Musí být na rozdíl od předchozích systémů implantovaných do mozku pružná a ohebná.
• Použité kovy nesmí podléhat korozi ani v tak specifickém prostředí, jakým je mozková kůra.
• Rozměry mikrovláken jsou tak malé, že musí být implantována pomocí robota.
• Aby nedocházelo ke krvácení a bylo dosaženo co nejlepších výsledků registrace neuronových impulsů, vlákna musí být implantována s mikrometrickou přesností, což rovněž vylučuje klasickou neurochirurgickou operaci bez účasti robotického asistenta.

Současný výrobní proces vláken je značně zkomplikovaný. Pláště jsou vyráběny z mikrofabrikovaných tenkovrstvých polymerů s použitím procesu, který opakuje tři kroky – ukládání materiálu, modelování pomocí fotolitografie a vyleptávání nepotřebných částí. Výsledkem je sonda (vlákno), která se skládá z polymerového pláště, kovových elektrod a mikrodrátků, které propojují jednotlivé elektrody s čipem. Drátky mají průměr 350 nanometrů, což je méně než vlnová délka viditelného světla. Jsou vyráběny pomocí litografie, čili určité formy tisku. Jak říká Vanessa Tolosa, vedoucí týmu, který se v Neuralinku zabývá mimo jiné i výrobou vláken: „Vše co můžeme nakreslit, můžeme také vyrobit.“

Už i tak komplikovanou produkci vláken ještě znesnadňují zejména dvě věci – problém rozměrů a problém komplexnosti. Čím menší jsou drátky spojující elektrody s čipem, tím větší mají elektrický odpor a tím větší je rušení signálu. Na druhou stranu čím více je elektrod a drátků, tím více roste komplexnost systému a tím komplikovanější je celá produkce. Inženýři Neuralinku tedy musí balancovat mezi tím, co by chtěli vyrobit, a co je vůbec momentálně možné.

Elektrody jsou schopny jak zaznamenávat mozkovou aktivitu, tak i stimulovat neurony, čili pracují v režimu čtení i zápisu. Mají rovněž schopnost rozlišit akční potenciály jednotlivých neuronů (angl. single-spike resolution).

Registrování elektrických impulsů neuronů elektrodami se zdá být relativně jednodušší, co ale s jejich stimulací? Jak přesvědčit neuron, že elektrický impuls, který právě obdržel, pochází od kolegy neurona a ne od umělé elektrody, která je jeho novým sousedem? Neurologický výzkum ukazuje, že to není tak těžké, jak by se mohlo zdát. Pokud vyšlete elektrický proud určité úrovně do okolí elektrody, jednoduše aktivujete neurony v její blízkosti a ony „vystřelí“ akční potenciály svým sousedům. Musíte se jen naučit, které neurony je třeba aktivovat, abyste vykonali to, co právě chcete – například pohnuli kurzorem myši na počítači, který se pokoušíte ovládat myšlenkami. Stejného mechanismu už mnoho let používá například takzvaný kochleární implantát, což je přístroj pomáhající sluchově postiženým. Jak říká Elon Musk: „Pro neuron je elektrický impuls neuronem“.

Podle Philipa Sabese, předního vědeckého pracovníka Neuralinku, se mozková aktivita vyznačuje určitou úrovní nahodilosti. To je jeden z důvodů, proč je potřeba zaznamenávat činnost co největšího počtu neuronů, což samozřejmě vyžaduje velké množství elektrod. Kolik by tedy bylo potřeba mít v mozku elektrod, abychom sestrojili pokročilou verzi mozkovo-počítačového rozhraní, ke které Elon Musk se svým týmem směřují? O tom můžeme nyní jen spekulovat, je ovšem zřejmé, že hustota elektrod se bude lišit v různých částech mozku. Sám Musk na prezentaci senzoru N1 zkoušel odhadnout, že může být potřebný poměr neuronů k elektrodám někde na úrovni mezi 1000:1 a 100:1. Když si uvědomíme, že v lidském mozku se nachází něco kolem 100 miliard neuronů, tak se z toho trochu ježí vlasy na hlavě.

Max Hodak, prezident Neuralinku k tomu dodává ještě jednu zajímavost. Z experimentů vyplývá, že jedna elektroda zavedená do mozku v průměru registruje maximálně čtyři neurony ve své blízkosti. Ale pokud se podíváte na anatomii mozkové kůry, očekávali byste jich spíše až okolo jednoho tisíce. Otázkou tedy je, proč je většina neuronů tak ticho. Stejně tak velkým problémem je to, jak rozlišit, že tentokrát „vypálil“ jeden z těch neuronů, který je normálně zticha.

Neurochirurgický robot

Zkusme si nyní představit, jaký úkol stojí před Neuralinkem při zavádění elektrod do mozkové kůry. Jak bylo uvedeno výše, společnost plánuje už prvním pokusným pacientům implantovat elektrody ze čtyř čipů N1. Každý z nich má 1024 elektrod, které jsou umístěny na vláknech po šestnácti kusech. To znamená, že každý čip má 64 vláken, celkem tedy 256 vláken na čtyřech senzorech. A to je jen začátek. Jak uvedl Elon Musk, je možné propojit naráz až 10 čipů, to by znamenalo 640 implantací vláken pro jednoho pacienta. Pokud by tuto operaci musel provést neurochirurg „holýma rukama“, čili bez jakékoliv pomoci, trvalo by to přinejmenším mnoho hodin, ne-li celé dny.

Je potřeba si rovněž uvědomit jaké rozměry mají implantovaná vlákna – jejich tloušťka a šířka se měří v mikrometrech. Zkušení neurochirurgové dokážou jistě divy, ale ruční manipulace s takovýmito „mikronitkami“, to je zjevně nadlidský výkon. K tomu je potřeba přičíst to, že vlákna musí být maximálně flexibilní tak, aby měla co nejmenší vliv na prostředí mozkové kůry a co největší životnost. To samozřejmě dále znesnadňuje práci s nimi.

Co více, aby celá operace byla co nejméně invazivní a aby její výsledek byl co nejlepší, vlákna musí být umístěna co nejprecizněji. Musí být situována přesně do daných částí mozku a musí se vyhnout všem žilkám v mozkové kůře, aby bylo minimalizováno mikrokrvácení.

Z výše uvedených skutečností vyplývá, že klasická neurochirurgická operace prakticky nepřichází v úvahu. Neuralink chce, aby celá procedura implantace vypadala spíše jako v dnešní době běžné laserové operace očí typu LASIK. Otvor v lebce a kůži má být co nejmenší, jizvy nemají být vidět, procedura má být co nejkratší, pacient má zachovat vlasový porost, má být použita pouze lokální anestezie a pobyt v nemocnici vůbec nemusí být potřebný.

„Posadíte se, mašina udělá svoje a během několika hodin můžete jít domů. To je vše. Ani se to neděje v nemocnici.“
– Elon Musk

Prakticky jediným možným řešením je zde robotická automatizace celého procesu implantace elektrod do mozkové kůry. Proto Neuralink vyvinul futuristického neurochirurgického robota, který implantaci vykonává ve spolupráci s chirurgem. Robot implantuje vlákna s elektrodami s mikrometrickou přesností. Sám nejprve navrhuje pozice pro umístění vláken, ale ty pak musí schválit nebo upravit neurochirurg, který celou operaci řídí. Teprve potom jsou vlákna vpichována do mozkové kůry. Automat se vyhýbá všem mikroskopickým žilkám a minimalizuje tak krvácení, čímž je zajištěno minimální trauma pro pacienta.

Robot byl inspirován podobnými experimentálními zařízeními, která byla vyvíjena na Kalifornské univerzitě v San Francisku a Berkeley. Je schopen implantovat stovky vláken s tisíci elektrodami za hodinu. Je schopen rovněž korigovat pohyby hlavy při dýchání, čili se dynamicky přizpůsobuje pohybům mozku ve všech směrech a tím redukuje riziko poškození mikrožilek v kůře.

Procedura u prvních pacientů ale samozřejmě ještě bude připomínat spíše tradiční neurochirurgickou operaci než výše představený obrázek připomínající filmy žánru sci-fi. Neuralink musí postupy nejdříve otestovat a vylepšit. Jak říká Dr. McDougall, hlavní neurochirurg společnosti: „Při všech designových rozhodnutích v Neuralinku si klademe otázku, zda díky této změně bude pravděpodobnější, že já, moje rodina nebo mí přátelé budou naše zařízení chtít mít.“

Lokální počítačový čip N1

Pojďme se nyní zaměřit na to, jak vypadá výpočetní stránka mozkovo-počítačového rozhraní Neuralinku. Jak vlastně probíhá detekce neuronových signálů v mozkové kůře? Víme už, že akční potenciály jsou detekovány elektrodami, které přenášejí analogové signály do čipu N1.

Vývoj tohoto čipu probíhá v režii Neuralinku a je třeba říct, že zde firma exceluje. Jak uvedl na prezentaci Neuralinku DJ Seo, ředitel týmu implantovaných systémů, typický vývojový cyklus počítačového čipu v běžných firmách, je dlouhý několik let. V Neuralinku je to okolo tří měsíců. Za dva roky firma vyvinula 15 různých čipů. Předposlední dvě verze jsou už nějaký čas testovány na laboratorních zvířatech.

Nejnovější varianta nazvaná N1 je prvním čipem, který chce Neuralink začít testovat na lidech. Jeho základní parametry vypadají následovně:

• rozměry 4 x 5 mm
• v hermeticky uzavřeném plášti má kruhový tvar a průměr 8 mm
• 1024 elektrod, z nichž každá může jak detekovat, tak i vytvářet akční potenciály neboli stimulovat neurony
• čip provádí detekci akčních potenciálů pomocí algoritmů a porovnávání vzorců v paměti
• možnost sloučení až 10 čipů pro jednoho nositele

Záznam akčních potenciálů probíhá analogově. Analogové signály potom čip konvertuje na digitální a všechny další operace již probíhají digitálně. Potenciály jsou detekovány v reálném čase, prakticky bez opoždění. Podle DJ Sea čip N1 pracuje s třemi klíčovými inovacemi:

1. Analogové pixely: Každé z 1024 elektrod je vyčleněna speciální malá část čipu, takzvaný pixel. Každý pixel může zaznamenávat signály neuronů rychlostí 20 000 vzorků za sekundu s desetibitovým rozlišením, čili zpracovává 200 megabitů za sekundu datového toku. Data později procházejí 200násobnou kompresí.

2. Detekce akčních potenciálů na čipu: Akční potenciály jsou zaznamenávány jako malé odchylky (angl. spikes) elektrického proudu. Algoritmy čipu tyto odchylky rozpoznávají a porovnávají jejich tvary se vzory, které již mají ve své paměti. Na základě těchto srovnání je čip dokonce schopen rozpoznávat akční potenciály různých neuronů, které se nacházejí v blízkosti jedné elektrody.

3. Stimulace neuronů na každé elektrodě: Každá elektroda má funkci stimulace neuronů elektrickými výboji. Speciální stimulační jednotky čipu N1 mají proudové rozlišení 0,2 mikroampéru a časové rozlišení 7,8 mikrosekundy. Jednotek je 64, čili na každou připadá 16 elektrod. Proto čip zatím není schopen stimulovat všechny elektrody ve stejném čase. Možné jsou pouze určité kombinace, což je ale kompenzováno velmi vysokým časovým rozlišením systému.

Propojení s okolím

Dřívější prototypy rozhraní Neuralinku testované na laboratorních zvířatech používaly k připojení k počítači klasický měděný kabel s konektory typu USB-C. Jde o přípojky s propustností 10 Gb/s běžně používané v novějších mobilních telefonech. Od začátku projektu ovšem jedním z požadavků Elona Muska bylo, aby připojení systému do počítače bylo bezdrátové. Verze N1 tak už používá standardu Bluetooth, jehož novější verze dosahují rychlosti přenosu dat až 255 Mb/s.

Propojení celého systému s okolím bude vypadat následovně. Čipy neboli senzory budou tenkými drátky vedenými pod kůží s vlasy propojeny s malou indukční cívkou, která bude zašitá pod kůží za uchem. Cívka bude bezdrátově propojená s malým externím zařízením, které Neuralink nazývá „The Link“, což můžeme přeložit jako „přípojka“. Link je malé pouzdro za uchem, které připomíná sluchový aparát. V něm je pak umístěn vysílač Bluetooth a baterie, která napájí celé zařízení. Je to jediná baterie systému, a jestliže je vypnuta nebo se vybije, senzory nefungují.

Ovládání

Když už máte navržené a sestrojené celé mozkovo-počítačové rozhraní, potřebujete ho nějak ovládat. Jak to udělat co nejjednodušeji? Prostě využijete chytré telefony. Bluetooth už máte, stačí napsat aplikaci, čili ovladač a je to. Elon Musk se dokonce nechal slyšet, že jednou by klidně mohl existovat internetový obchod typu Apple App Store či Google Play, ve kterém by bylo možné stáhnout různé aplikace pro systém Neuralinku.

Ovšem naučit se rozhraní ovládat zřejmě nebude úplně jednoduché. Základní aplikace Neuralinku bude zpočátku sloužit zejména k výuce ovládání. Max Hodak například tvrdí, že to bude podobně těžké jako naučení se hry na klavír. Na druhou stranu ale Elon Musk na prezentaci firmy přiznal, že laboratorní opice s implantovanými senzory jsou již nyní schopny ovládat myšlenkami telefony či počítače.

< Předchozí část

Následující část >

Předchozí články ze série Neuralink pod lupou:

• #1: Seznamte se s Neuralinkem
• #2: Prezentace prototypu implantovatelného čipu N1