DARPA, de onderzoeksafdeling van het ministerie van Defensie, betaalt wetenschappers om manieren te bedenken om de gedachten van soldaten onmiddellijk te lezen met behulp van hulpmiddelen zoals genetische manipulatie van het menselijk brein, nanotechnologie en infraroodstralen. Het einddoel? Gedachtengestuurde wapens, zoals zwermen drones die iemand met één gedachte de lucht in stuurt of het vermogen om beelden van het ene brein naar het andere te sturen.
Deze week heeft DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) aangekondigd dat zes teams financiering zullen ontvangen in het kader van het Next-Generation Nonsurgical Neurotechnology (N3) -programma. De deelnemers krijgen de taak om technologie te ontwikkelen die een tweerichtingskanaal biedt voor snelle en naadloze communicatie tussen het menselijk brein en machines zonder dat een operatie nodig is.
'Stel je voor dat iemand een drone bedient of iemand die veel gegevens analyseert', zegt Jacob Robinson, assistent-professor bio-engineering aan de Rice University, die een van de teams leidt.
"Er is een vertraging, als ik met mijn machine wil communiceren, moet ik een signaal uit mijn brein sturen om mijn vingers te bewegen of mijn mond te bewegen om een verbale opdracht te geven, en dit beperkt de snelheid waarmee ik kan communiceren met een van beide een cybersysteem of fysiek systeem. Dus de gedachte is misschien dat we die snelheid van interactie kunnen verbeteren. "
Dat kan cruciaal zijn omdat slimme machines en een vloedgolf van gegevens mensen dreigen te overweldigen en uiteindelijk toepassingen kunnen vinden in zowel militaire als civiele domeinen, zei Robinson.
Geavanceerde controle over de geest
Hoewel er doorbraken zijn geweest in ons vermogen om informatie naar de hersenen te lezen en zelfs te schrijven, vertrouwden deze vorderingen over het algemeen op hersenimplantaten bij patiënten, waardoor artsen aandoeningen zoals epilepsie konden volgen.
Hersenchirurgie is echter te riskant om dergelijke interfaces bij gezonde mensen te rechtvaardigen; en de huidige externe benaderingen voor hersenbewaking, zoals elektro-encefalografie (EEG) - waarbij elektroden rechtstreeks op de hoofdhuid zijn bevestigd - zijn te onnauwkeurig. Als zodanig probeert DARPA een doorbraak te stimuleren in niet-invasieve of minimaal invasieve hersencomputerinterfaces (BCI's).
Het bureau is geïnteresseerd in systemen die binnen vier jaar kunnen lezen en schrijven naar 16 onafhankelijke locaties in een brein ter grootte van een erwt met een vertraging van niet meer dan 50 milliseconden, zei Robinson, die geen illusie heeft over de schaal van de uitdaging.
"Wanneer je hersenactiviteit via de schedel probeert vast te leggen, is het moeilijk om te weten waar de signalen vandaan komen en wanneer en waar de signalen worden gegenereerd", vertelde hij WordsSideKick.com. 'Dus de grote uitdaging is, kunnen we de absolute grenzen van onze resolutie verleggen, zowel in ruimte als in tijd?'
Het menselijk brein genetisch aanpassen
Om dit te doen, is Robinson's team van plan virussen te gebruiken die zijn aangepast om genetisch materiaal in cellen af te leveren - virale vectoren genoemd - om DNA in specifieke neuronen te plaatsen waardoor ze twee soorten eiwitten gaan produceren.
Het eerste type eiwit absorbeert licht wanneer een neuron vuurt, wat het mogelijk maakt om neurale activiteit te detecteren. Een externe headset zou een straal infrarood licht uitzenden die door de schedel en de hersenen kan gaan. Detectoren die aan de headset zijn bevestigd, meten vervolgens het kleine signaal dat wordt weerkaatst door het hersenweefsel om een beeld van de hersenen te creëren. Vanwege het eiwit zullen de beoogde gebieden donkerder (absorberend licht) verschijnen wanneer neuronen vuren, wat een aflezing van hersenactiviteit genereert die kan worden gebruikt om uit te zoeken wat de persoon ziet, hoort of probeert te doen.
Het tweede eiwit bindt zich aan magnetische nanodeeltjes, zodat de neuronen magnetisch kunnen worden gestimuleerd om te vuren wanneer de headset een magnetisch veld genereert. Dit kan worden gebruikt om neuronen te stimuleren om een beeld of geluid in de geest van de patiënt op te wekken. Als proof of concept is de groep van plan het systeem te gebruiken om beelden over te brengen van 'de visuele cortex van de ene persoon naar die van de andere.
"Zintuiglijke ervaringen kunnen decoderen of coderen is iets dat we relatief goed begrijpen," zei Robinson. "Aan de voorhoede van de wetenschap, ik denk dat we er zijn als we de technologie hadden om het te doen."
Praten met drones
Een groep van het non-profit onderzoeksinstituut Battelle gaat een ambitieuzere uitdaging aan. De groep wil mensen meerdere drones laten besturen met alleen hun gedachten, terwijl feedback over zaken als versnelling en positie rechtstreeks naar de hersenen gaat.
"Joysticks en computercursors zijn min of meer eenrichtingsapparaten", zegt senior onderzoeker Gaurav Sharma, die het team leidt. 'Maar nu denken we aan één persoon die meerdere drones bestuurt; en het is tweerichtingsverkeer, dus als de drone naar links beweegt, krijg je een sensorisch signaal terug in je hersenen dat je vertelt dat hij naar links beweegt.'
Het plan van de groep is gebaseerd op speciaal ontworpen nanodeeltjes met magnetische kernen en piëzo-elektrische buitenste schalen, wat betekent dat de schelpen mechanische energie kunnen omzetten in elektrische energie en omgekeerd. De deeltjes worden geïnjecteerd of nasaal toegediend en magnetische velden leiden ze naar specifieke neuronen.
Wanneer een speciaal ontworpen headset een magnetisch veld toepast op de beoogde neuronen, zal de magnetische kern bewegen en druk uitoefenen op de buitenste schil om een elektrische impuls te genereren die het neuron doet vuren. Het proces werkt ook omgekeerd, waarbij elektrische impulsen van afvurende neuronen worden omgezet in kleine magnetische velden die worden opgepikt door detectoren in de headset.
Dat proces vertalen naar het besturen van drones zal niet eenvoudig zijn, geeft Sharma toe, maar hij geniet van de uitdaging die DARPA heeft aangegaan. 'De hersenen vormen de laatste grens in de medische wetenschap', zei hij. 'We begrijpen er zo weinig van en dat maakt het erg spannend om op dit gebied onderzoek te doen.'
