Parte Um: O Colosso Humano
Parte Dois: O Cérebro
Parte Três: Voando sobre o Ninho de Neurônios
Parte quatro: interfaces do neurocomputador
Parte Cinco: O Problema Neuaralink
Parte Seis: Age of Wizards 1
Parte Seis: Age of Wizards 2
Parte Sete: A Grande Fusão
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Voando sobre o ninho de neurônios
Aqui é Bock. Bock, obrigado e seu pessoal por inventar a linguagem.
Para lhe agradecer, queremos mostrar-lhe todas as coisas incríveis que conseguimos construir graças à sua invenção.
Ok, vamos colocar Bock em um avião, depois em um submarino e arrastá-lo até o topo do Burj Khalifa. Agora vamos mostrar a ele um telescópio, uma TV e um iPhone. E deixe-o sentar um pouco na Internet.
Foi divertido. Como vai você, Bock?
Sim, entendemos que você está bastante surpreso. Para a sobremesa, vamos mostrar a ele como nos comunicamos.
Bock ficaria chocado se descobrisse que, apesar de todas as habilidades mágicas que as pessoas adquiriram no diálogo umas com as outras, graças à capacidade de falar, o processo de nossa comunicação não é diferente do que era em sua época. Quando duas pessoas estão prestes a falar, elas estão usando uma tecnologia de 50.000 anos.
Bock também ficará surpreso com o fato de que, em um mundo em que máquinas incríveis funcionam, as pessoas que as fizeram vagam com os mesmos corpos biológicos com os quais Bock e seus amigos caminharam. Como isso é possível?
É por isso que as interfaces de neurocomputadores (BCIs) - um subconjunto do campo mais amplo da engenharia neural que é um subconjunto da biotecnologia - são tão interessantes. Conquistamos o mundo com nossas tecnologias muitas vezes, mas quando se trata de cérebros - nossa principal ferramenta - o mundo da tecnologia não nos dá nada.
Portanto, continuamos a nos comunicar usando a tecnologia inventada por Bock. Portanto, estou digitando esta frase 20 vezes mais devagar do que penso e, portanto, doenças relacionadas ao cérebro ainda ceifam muitas vidas.
Mas, 50.000 anos depois dessa grande descoberta, o mundo pode mudar. A próxima fronteira do cérebro será ele mesmo.
* * *
Existem muitas opções diferentes para possíveis interfaces cérebro-computador (às vezes chamadas de interfaces cérebro-computador ou cérebro-máquina) que são úteis para coisas diferentes. Mas todos os que trabalham no NCI estão tentando resolver uma, a segunda ou ambas as questões:
1. Como vou extrair as informações necessárias do cérebro?
2. Como vou enviar as informações necessárias ao cérebro?
O primeiro diz respeito à produção do cérebro - ou seja, o registro do que os neurônios estão dizendo. A segunda diz respeito à introdução de informações no fluxo natural do cérebro, ou à alteração desse fluxo natural de alguma forma - ou seja, estimulando neurônios.
Esses dois processos estão constantemente acontecendo em sua cabeça. No momento, seus olhos estão realizando um conjunto específico de movimentos horizontais que permitem que você leia esta frase. São os neurônios do cérebro que emitem informações para a máquina (seus olhos), e a máquina recebe o comando e responde. E quando seus olhos se movem de uma determinada maneira, os fótons da tela penetram na retina e estimulam os neurônios no lobo occipital do córtex, permitindo que a imagem do mundo entre em sua consciência. A imagem então estimula os neurônios em outra parte do cérebro, o que permite que você processe as informações na imagem e dê sentido à frase.
A entrada e saída de informações é o que os neurônios do cérebro fazem. Toda a indústria NCI deseja aderir a este processo.
À primeira vista, parece que não é uma tarefa tão difícil. Afinal, o cérebro é apenas uma bola de gelatina. E o córtex - a parte do cérebro que queremos adicionar ao nosso registro e estimulação - é apenas um guardanapo convenientemente localizado do lado de fora do cérebro, onde pode ser facilmente acessado. Dentro do córtex estão 20 bilhões de neurônios - 20 bilhões de pequenos transistores que podem nos dar uma maneira totalmente nova de controlar nossas vidas, saúde e o mundo, se aprendermos a trabalhar com eles. É realmente tão difícil entendê-los? Os neurônios são pequenos, mas sabemos como dividir um átomo. O diâmetro de um neurônio é 100.000 vezes o tamanho de um átomo. Se um átomo fosse um pirulito, um neurônio teria quilômetros de diâmetro - então deveríamos ser definitivamente capazes de trabalhar com tais quantidades. Certo?
Qual é o problema?
Por um lado, esses são os pensamentos certos, porque levam ao progresso no campo. Nós realmente podemos fazer isso. Mas assim que você começa a entender o que realmente está acontecendo no cérebro, torna-se imediatamente óbvio: esta é a tarefa mais difícil para uma pessoa.
Portanto, antes de falarmos sobre os próprios NCIs, precisamos estudar cuidadosamente o que as pessoas que criam os NCIs estão fazendo. O melhor é aumentar o cérebro 1000 vezes e ver o que acontece.
Lembra-se de nossa comparação do córtex cerebral com um guardanapo?
Se alargarmos o guardanapo de casca de árvore 1000 vezes - e tinha cerca de 48 centímetros de cada lado - agora terá dois quarteirões de comprimento em Manhattan. Levará cerca de 25 minutos para contornar o perímetro. E todo o cérebro será do tamanho do Madison Square Garden.
Vamos lançar na própria cidade. Tenho certeza de que várias centenas de milhares de pessoas que moram lá nos entenderão.
Escolhi a ampliação de 1000x por vários motivos. Um deles é que todos nós podemos converter tamanhos instantaneamente em nossa cabeça. Cada milímetro do cérebro real se tornou um metro. Em um mundo de neurônios muito menor, cada mícron se tornou um milímetro fácil de imaginar. Em segundo lugar, a casca torna-se "humana" em tamanho: 2 mm de espessura agora tem 2 metros - como uma pessoa alta.
Assim, podemos caminhar até a rua 29, até a beira de nosso guardanapo gigante, e é fácil ver o que está acontecendo em seus dois metros de espessura. Para demonstração, vamos retirar um metro cúbico de nossa crosta gigante para examiná-la, ver o que acontece em um milímetro cúbico típico de casca real.
O que vemos neste metro cúbico? Meshanin. Vamos limpar e colocar de volta.
Primeiro, vamos colocar os somas - os pequenos corpos de todos os neurônios que vivem neste cubo.
Os somas variam em tamanho, mas os neurocientistas com quem falei dizem que os somas dos neurônios no córtex têm geralmente 10-15 mícrons de diâmetro (um mícron = mícron, 1/1000 milímetro). Ou seja, se você colocar 7 a 10 dessas em uma linha, essa linha terá o diâmetro do cabelo de uma pessoa. Em nossa escala, o bagre terá de 1 a 1,5 centímetros de diâmetro. Pirulito.
O volume de toda a crosta cabe em 500.000 milímetros cúbicos, e este espaço conterá cerca de 20 bilhões de soms. Ou seja, o milímetro cúbico médio do córtex contém cerca de 40.000 neurônios. Ou seja, nosso metro cúbico contém cerca de 40.000 balas. Se dividirmos nossa caixa em 40.000 cubos, cada um com uma borda de 3 cm, cada um dos nossos bagres doces ficará no centro de seu próprio cubo de 3 cm, e todos os outros bagres terão 3 cm em todas as direções.
Você está aqui agora? Você pode imaginar nosso cubo de metro com 40.000 doces flutuantes?
Aqui está uma imagem microscópica de um peixe-gato em um córtex real; tudo o mais ao seu redor foi removido:
Ok, até agora não parece tão complicado. Mas o soma é apenas uma pequena fração de cada neurônio. De cada um de nossos pirulitos estendem-se dendritos retorcidos e ramificados que, em nossa escala, podem se estender de três a quatro metros em uma ampla variedade de direções, e na outra extremidade pode haver um axônio de 100 metros de comprimento (se ele vai para outra parte do córtex) ou um quilômetro (se desce na medula espinhal e no corpo). Cada um tem um milímetro de espessura, e esses fios transformam a casca em vermicelli elétrico bem tecido.
E há muita coisa acontecendo nessa aletria. Cada neurônio tem conexões sinápticas com 1.000 - às vezes até 10.000 - outros neurônios. Como há cerca de 20 bilhões de neurônios no córtex, isso significa que ele terá mais de 20 trilhões de conexões neurais individuais (e um quatrilhão de conexões em todo o cérebro). Haverá mais de 20 milhões de sinapses em nosso metro cúbico.
Com tudo isso, não só de cada um dos 40.000 pirulitos em nosso cubo existem moitas de vermicelli, mas milhares de outros espaguetes passam por nosso cubo vindos de outras partes da casca. E isso significa que se tentássemos registrar sinais ou estimular neurônios especificamente nesta região cúbica, teríamos que ser muito difíceis, porque na confusão de espaguete seria difícil determinar quais fios de espaguete pertencem ao nosso doce de bagre (e Deus nos livre, esta pasta conterá Células de Purkinje).
E, claro, não se esqueça da neuroplasticidade. A voltagem de cada neurônio muda constantemente, centenas de vezes por segundo. E dezenas de milhões de conexões sinápticas em nosso cubo mudam constantemente de tamanho, desaparecem e reaparecem.
Mas isso é apenas o começo.
Acontece que as células gliais também existem no cérebro - células que vêm em muitos tipos diferentes e desempenham muitas funções diferentes, como liberar substâncias químicas liberadas nas sinapses, envolver axônios com mielina e servir ao sistema imunológico do cérebro. Aqui estão alguns dos tipos mais comuns de células da glia:
E quantas células gliais existem no córtex? Quase o mesmo número de neurônios. Portanto, adicione mais 40.000 dessas coisas ao nosso cubo.
Finalmente, existem vasos sanguíneos. Cada milímetro cúbico de córtex contém cerca de um metro de minúsculos vasos sanguíneos. Em nossa escala, isso significa que há um quilômetro de vasos sanguíneos em nosso metro cúbico. É assim que eles se parecem:
Digressão sobre Connectoma
Portanto, nossa caixa de medidores é embalada, preenchida com recheios eletrificados de complexidade variável. Vamos agora lembrar que nossa caixa tem, na verdade, um milímetro cúbico de tamanho.
Os engenheiros de interface do neurocomputador precisam descobrir o que os bagres microscópicos enterrados neste milímetro estão dizendo ou estimular certos bagres a fazer as coisas certas. Boa sorte para eles.
Seria difícil para nós fazer isso com nosso cérebro aumentado 1000 vezes. Com um cérebro que se transforma perfeitamente em um guardanapo. Mas na verdade ele não é assim - esse guardanapo fica em cima de um cérebro cheio de dobras (que, em nossa escala, têm de 5 a 30 metros de profundidade). Na verdade, menos de um terço do córtex do guardanapo está na superfície do cérebro - a maior parte dele está nas dobras.
Além disso, não há tanto material com o qual seja possível trabalhar no laboratório. O cérebro é coberto por muitas camadas, incluindo o crânio - que com uma ampliação de 1000x teria 7 metros de espessura. E como a maioria das pessoas realmente não gosta quando seu crânio fica aberto por muito tempo - e na verdade este é um evento duvidoso - você tem que trabalhar com pequenos pirulitos cerebrais da maneira mais cuidadosa e delicada possível.
E tudo isso apesar do fato de você estar trabalhando com a casca - mas muitas ideias interessantes sobre o tema NCI lidam com estruturas que são muito mais baixas e, se você ficar em cima do cérebro da nossa cidade, elas ficarão a uma profundidade de 50-100 metros.
Imagine o quanto está acontecendo em nosso cubo - e esta é apenas uma 500.000ª parte do córtex cerebral. Se quebrássemos toda a nossa crosta gigantesca em cubos de metros iguais e os alinhasse, eles se estenderiam por 500 quilômetros - até Boston. E se você decidir fazer um desvio, que levará mais de 100 horas caminhando rápido, a qualquer momento você pode parar e olhar para o cubo, e toda essa complexidade estará dentro dele. Tudo isso agora está em seu cérebro.
Neuralink de Elon Musk. Parte 3: quão feliz você deveria ser se não se importasse com tudo isso
Sua.
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Como os cientistas e engenheiros vão lidar com essa situação?
Eles estão tentando obter o máximo das ferramentas de que dispõem atualmente - as ferramentas que usam para registrar ou estimular neurônios. Vamos explorar as opções.
Ferramentas NCI
Com o que já foi feito, três critérios gerais podem ser distinguidos pelos quais os prós e os contras de um instrumento de registro são avaliados:
1) Escala - quantos neurônios podem ser registrados.
2) Resolução - quão detalhadas são as informações que o instrumento recebe - espacial (quão próximo suas gravações dizem quais neurônios individuais estão disparando) e temporal (quão bem você pode dizer quando a atividade que você está gravando ocorre).
3) Invasividade - se a cirurgia é necessária e, em caso afirmativo, quão cara.
O objetivo a longo prazo é coletar o creme de todos os três e comer. Mas, embora a questão surja inevitavelmente, qual desses critérios (um ou dois) você pode negligenciar? A escolha desta ou daquela ferramenta não é um aumento ou diminuição da qualidade, é um compromisso.
Vamos ver quais ferramentas estão em uso:
fMRI
- Escala: grande (mostra informações de todo o cérebro)
- Resolução: baixa a média - espacial, muito baixa - temporal
- Invasividade: não invasivo
O fMRI é freqüentemente usado não no NCI, mas como uma ferramenta clássica de registro - ele fornece informações sobre o que está acontecendo dentro do cérebro.
fMRI usa MRI, uma tecnologia para imagens de ressonância magnética. Inventado na década de 1970, o MRI foi a evolução da tomografia computadorizada de raios-X. Em vez de raios-X, a ressonância magnética usa campos magnéticos (junto com ondas de rádio e outros sinais) para criar imagens do corpo e do cérebro. Como isso:
Conjunto completo de seções transversais permitindo que você veja toda a cabeça.
Uma tecnologia muito incomum.
fMRI (MRI "funcional") usa tecnologia de ressonância magnética para rastrear alterações no fluxo sanguíneo. Pelo que? Porque quando áreas do cérebro se tornam mais ativas, elas consomem mais energia, o que significa que precisam de mais oxigênio - então o fluxo sanguíneo aumenta nessa área para fornecer esse oxigênio. Aqui está o que uma varredura de fMRI pode mostrar:
Claro, sempre há sangue no cérebro - esta imagem mostra onde o fluxo sanguíneo aumentou (vermelho, laranja, amarelo) e onde diminuiu (azul). E como o fMRI pode escanear todo o cérebro, os resultados são tridimensionais:
A FMRI tem muitos usos médicos, como informar os médicos sobre se certas áreas do cérebro estão funcionando após um derrame, e a fMRI ensinou muito aos neurocientistas sobre quais áreas do cérebro estão envolvidas nessas funções. A varredura também fornece informações importantes sobre o que está acontecendo no cérebro em um determinado momento, é seguro e não invasivo.
A grande desvantagem é a resolução. A varredura de fMRI tem resolução literal, como os pixels da tela de um computador, mas em vez de bidimensional, sua resolução é representada por pixels volumétricos cúbicos tridimensionais - voxels (voxels).
Os voxels de FMRI tornaram-se menores conforme a tecnologia melhorou, resultando em maior resolução espacial. Os voxels do fMRI moderno podem ser tão pequenos quanto um milímetro cúbico. O volume do cérebro é de cerca de 1.200.000 mm3, então uma varredura de fMRI de alta resolução divide o cérebro em um milhão de pequenos cubos. O problema é que em uma escala neural isso ainda é bastante - cada voxel contém dezenas de milhares de neurônios. Portanto, na melhor das hipóteses, a fMRI mostra o fluxo sanguíneo médio obtido por cada grupo de cerca de 40.000 neurônios.
Um problema ainda maior é a resolução temporária. O fMRI monitora o fluxo sanguíneo, que é impreciso e fica para trás por cerca de um segundo - uma eternidade no mundo dos neurônios.
EEG
- Escala: alta
- Resolução: muito baixa espacialmente, temporal médio-alta
- Invasividade: não invasivo
Inventado há quase um século, o EEG (eletroencefalografia) coloca muitos eletrodos na cabeça. Como isso:
EEG é definitivamente uma tecnologia que parecerá ridiculamente primitiva para os humanos em 2050, mas no momento é um dos poucos instrumentos que podem ser usados com NCIs completamente não invasivos. Um EEG registra a atividade elétrica em diferentes áreas do cérebro, exibindo os resultados da seguinte forma:
Os gráficos de EEG podem revelar informações sobre problemas médicos, como epilepsia, rastrear padrões de sono ou determinar o status da dose da anestesia.
Ao contrário do fMRI, o EEG tem uma resolução temporal razoavelmente boa, recebendo sinais elétricos do cérebro à medida que aparecem - embora o crânio dilua consideravelmente a precisão temporal (o osso é um mau condutor).
A principal desvantagem é a resolução espacial. EEG não tem. Cada eletrodo registra apenas o valor médio - a soma vetorial de cargas de milhões ou bilhões de neurônios (borrada por causa do crânio).
Imagine que o cérebro é um estádio de beisebol, seus neurônios são pessoas em uma multidão e a informação que queremos receber será, em vez de atividade elétrica, um derivado das cordas vocais. Nesse caso, o EEG será um grupo de microfones fora do estádio, atrás de suas paredes externas. Você será capaz de ouvir quando a multidão começará a cantar e até pode prever o que eles estão prestes a gritar. Você será capaz de distinguir sinais distintos se houver uma luta disputada ou se alguém vencer. Você também pode verificar se algo fora do comum acontece. Isso é tudo.
ECoG
- Escala: alta
- Resolução: baixa espacial, alta temporal
- Invasividade: presente
Um ECoG (eletrocorticografia) é semelhante a um EEG, pois também usa eletrodos na superfície - apenas os coloca sob o crânio, na superfície do cérebro.
Idiota. Mas eficaz - muito mais eficaz do que EEG. Sem a interferência do crânio, o ECoG cobre resoluções espaciais mais altas (cerca de 1 cm) e temporais (5 milissegundos). Os eletrodos de ECoG podem ser colocados acima ou abaixo da dura-máter:
Camadas à esquerda, de cima para baixo: couro cabeludo, crânio, dura-máter, aracnóide, pia-máter, córtex, substância branca. Fonte de sinal certa: EEG, ECoG, intraparenquimatoso (LFP, etc.)
Voltando à analogia com nosso estádio, os microfones ECoG estão localizados dentro do estádio e mais próximos da multidão. Portanto, o som será muito mais claro do que os microfones de EEG fora do estádio, e o EKoG será capaz de distinguir entre os sons de segmentos individuais da multidão. Mas essa melhoria custa dinheiro - requer cirurgia invasiva. Mas, pelos padrões da cirurgia invasiva, essa intervenção não é tão ruim. Como um cirurgião me disse: “É relativamente não invasivo colocar a obturação sob a dura-máter. Você tem que fazer um buraco na sua cabeça, mas não é tão assustador."
Potencial de campo local (LFP)
- Escala: pequena
- Resolução: médio-baixo espacial, alto temporal
- Invasividade: alta
Vamos passar dos discos de eletrodos de superfície aos microeletrodos - pequenas agulhas que os cirurgiões enfiam no cérebro.
Embora alguns eletrodos ainda sejam feitos à mão hoje, as novas tecnologias usam wafers de silício e técnicas de fabricação emprestadas da indústria de circuitos integrados.
A forma como os potenciais de campo locais funcionam é simples - você pega uma dessas agulhas ultrafinas com uma ponta de eletrodo e a insere um ou dois milímetros no córtex. Lá, ele coleta o valor médio das cargas elétricas de todos os neurônios em um determinado raio do eletrodo.
LFP oferece resolução espacial de fMRI não tão pobre combinada com resolução temporal ECoG instantânea. Pelos padrões de resolução, esta é provavelmente a melhor opção de todas as opções acima.
Infelizmente, é terrível por outros critérios.
Ao contrário de fMRI, EEG e ECoG, o microeletrodo LFP não tem escala - ele apenas informa o que a pequena esfera ao redor está fazendo. E é muito mais invasivo porque realmente entra no cérebro.
Em um estádio de beisebol, o LFP é um único microfone pendurado sobre uma seção dos assentos, captando um som claro naquela área e talvez captando uma única voz aqui e ali por um ou dois segundos - mas na maior parte, ele sente uma vibração geral.
E um desenvolvimento completamente novo é um arranjo de vários eletrodos, que é basicamente a ideia de um LFP, apenas que consiste em 100 LFPs de cada vez. A matriz de vários eletrodos se parece com isto:
Um pequeno quadrado de 4 x 4 mm com 100 eletrodos de silício nele. Aqui está outro, aqui você pode ver como os eletrodos são afiados - alguns mícrons na ponta:
Registro de unidades individuais
- Escala: minúsculo
- Resolução: ultra alta
- Invasividade: muito alta
Para registrar um LFP mais amplo, a ponta do eletrodo é ligeiramente arredondada para dar ao eletrodo mais área de superfície, e a resistência (termo técnico incorreto) é reduzida para capturar sinais muito fracos de uma ampla gama de locais. Como resultado, o eletrodo coleta um coro de atividade do campo local.
O registro de unidades individuais também envolve um eletrodo de agulha, mas suas pontas são feitas muito afiadas e a resistência também é aumentada. Devido a isso, a maior parte do ruído é deslocada e o eletrodo não capta quase nada até que esteja bem próximo ao neurônio (algo em torno de 50 mícrons), e o sinal desse neurônio é forte o suficiente para superar a parede do eletrodo de alta resistência. Recebendo sinais separados de um neurônio e não tendo ruído de fundo, este eletrodo pode observar a vida privada deste neurônio. A menor escala possível, a maior resolução possível.
Alguns eletrodos querem levar os relacionamentos para o próximo nível e usar o método patch clamp, que permite remover a ponta do eletrodo e deixar apenas um tubo minúsculo, uma pipeta de vidro, que irá sugar diretamente a membrana celular do neurônio e fazer medições mais precisas.
Patch clamp também tem esta vantagem: ao contrário de todos os outros métodos, ele toca fisicamente o neurônio e pode não apenas gravar, mas também estimular o neurônio ao injetar corrente ou manter a tensão em um determinado nível para realizar testes específicos (outros métodos só podem estimular grupos inteiros neurônios inteiros).
Finalmente, os eletrodos podem subjugar completamente o neurônio e realmente penetrar na membrana para gravar. Se a ponta for afiada o suficiente, ela não destruirá a célula - a membrana ficará meio que vedada ao redor do eletrodo, e será muito fácil estimular o neurônio ou registrar a diferença de voltagem entre o ambiente externo e interno do neurônio. Mas esta é uma técnica de curto prazo - um neurônio perfurado não viverá muito.
Em nosso estádio, o registro de unidades individuais parecerá um microfone unidirecional preso à coleira de um homem gordo. O pinçamento de potencial local é um microfone colocado na garganta de alguém que registra o movimento preciso das cordas vocais. Essa é uma ótima maneira de aprender sobre os sentimentos de uma pessoa sobre o jogo, mas eles serão interpretados fora do contexto e não podem ser usados para julgar o que está acontecendo no jogo ou sobre a própria pessoa.
É tudo o que temos. Pelo menos isso usamos com bastante frequência. Essas ferramentas são ao mesmo tempo muito avançadas e parecerão tecnologias da Idade da Pedra para as pessoas do futuro, que não acreditarão que tivemos que escolher uma das tecnologias, para abrir o crânio para obter registros de alta qualidade do cérebro.
Mas, apesar de todas as suas limitações, essas ferramentas nos ensinaram muito sobre o cérebro e levaram à criação das primeiras interfaces curiosas entre cérebro e computador. Mais sobre eles na próxima parte.
ILYA KHEL
Parte Um: O Colosso Humano
Parte Dois: O Cérebro
Parte Três: Voando sobre o Ninho de Neurônios
Parte quatro: interfaces do neurocomputador
Parte Cinco: O Problema Neuaralink
Parte Seis: Age of Wizards 1
Parte Seis: Age of Wizards 2
Parte Sete: A Grande Fusão
