心と機械の融合：私たちはどれくらい近いですか？ | イノベーション| スミソニアン - 記事、イノベーション、健康と医学、テクノロジー

古代ギリシア人が空を飛ぶことを空想したように、今日の想像力は、人間の死の厄介な問題の治療薬として、心と機械を融合させることを夢見ています。人間の限界を超越するために、頭脳は、BCI（Brain-Computer Interface）テクノロジーを介して人工知能、ロボット、その他の頭脳に直接接続できますか？

起源：リハビリテーションと修復

ここにある感覚運動神経工学センター（CSNE）の研究者であるEb Fetzは、機械を心に接続する最初の先駆者の1人です。 1969年、パソコンさえも登場する前に、彼はサルが脳の信号を増幅して、ダイヤル上で動く針を制御できることを示しました。

BCIに関する最近の研究の多くは、麻痺した人や重度の運動障害を持つ人の生活の質を改善することを目的としています。ニュースで最近の成果をご覧になったことがあるかもしれません。ピッツバーグ大学の研究者は、脳内に記録された信号を使用してロボットアームを制御します。スタンフォード大学の研究者は、麻痺した患者の脳の信号から運動の意図を抽出し、タブレットをワイヤレスで使用できるようにします。

同様に、脳内または脳の表面に電流を流すことにより、限られた仮想感覚を脳に送り返すことができます。

私たちの視覚と音の主な感覚はどうですか？重度の視力障害を持つ人々のためのバイオニックアイの非常に初期のバージョンが商業的に展開されており、改善されたバージョンが現在人間の試験を受けています。一方、人工内耳は、最も成功し、最も普及しているバイオニックインプラントの1つになりました。世界中の300, 000人を超えるユーザーがインプラントを使用して聴いています。

双方向ブレインコンピューターインターフェイス（BBCI）は、脳からの信号を記録し、刺激を介して脳に情報を送り返すことができます。（感覚運動神経工学センター（CSNE）、CC BY-ND）

最も洗練されたBCIは、「双方向」BCI（BBCI）であり、神経系からの記録と神経系の刺激の両方を行うことができます。私たちのセンターでは、脳卒中および脊髄損傷の根本的な新しいリハビリテーションツールとしてBBCIを探索しています。 BBCIを使用して、2つの脳領域間または脳と脊髄間の接続を強化し、損傷領域周辺の情報を再ルーティングして麻痺した肢を蘇生できることを示しました。

これまでのこれらすべての成功により、あなたは、脳とコンピューターのインターフェースが、次の必須の消費者向けガジェットになると考えているかもしれません。

まだ初期

脳の表面の電気的変化を検出するために使用される皮質皮質グリッドは、電気的特性についてテストされています。（感覚運動神経工学センター、CC BY-ND）

しかし、現在のBCIデモンストレーションのいくつかを注意深く見てみると、まだ進むべき道があることがわかります.BCIが動きを生み出すとき、それらは、健常者が手足で毎日簡単に行うものよりもはるかに遅く、正確さも複雑さも劣ります。バイオニックアイは非常に低解像度の視覚を提供します。人工内耳は、限られた音声情報を電子的に伝達できますが、音楽の体験を歪めます。そして、これらのすべての技術を機能させるには、電極を外科的に埋め込む必要があります。これは、今日のほとんどの人が考慮しない見込みです。

ただし、すべてのBCIが侵襲的ではありません。手術を必要としない非侵襲的BCIが存在します。それらは通常、頭皮からの電気（EEG）記録に基づいており、カーソル、車椅子、ロボットアーム、ドローン、ヒューマノイドロボット、さらには脳と脳の通信の制御を実証するために使用されています。

しかし、これらのデモはすべて実験室で行われました。部屋は静かで、被験者は気を散らされず、技術的なセットアップは長くて系統的で、実験はコンセプトが可能であることを示すのに十分なだけ続きます。これらのシステムを実際の世界で実用的に使用できるほど高速かつ堅牢にすることは非常に難しいことがわかっています。

埋め込み電極を使用しても、脳をどのように構成するかによって、心を読み取ろうとする別の問題が発生します。私たちは、各ニューロンとそれらの何千もの接続された隣人が想像を絶するほど大きくて絶えず変化するネットワークを形成することを知っています。これは神経工学者にとって何を意味するのでしょうか？

複雑なテーマについての友人の大きなグループ間の会話を理解しようとしているが、1人の人だけを聞くことが許可されていると想像してください。会話の内容に関する非常に大雑把なトピックを理解できるかもしれませんが、議論全体の詳細やニュアンスがすべてではないことは間違いありません。最高のインプラントでも、一度に脳の小さなパッチを聞くことしかできないため、いくつかの印象的なことができますが、完全な会話を理解することはできません。

言語の障壁として私たちが考えていることもあります。ニューロンは、電気信号と化学反応の複雑な相互作用を通じて互いに通信します。このネイティブの電気化学言語は電気回路で解釈できますが、簡単ではありません。同様に、電気刺激を使用して脳に話しかけると、電気的な「アクセント」が強くなります。これにより、ニューロンは、進行中の他のすべての神経活動の中で刺激が伝えようとしていることを理解しにくくなります。

最後に、損傷の問題があります。脳組織は柔らかく柔軟ですが、導電性材料のほとんど（脳組織に接続するワイヤ）は非常に硬い傾向があります。これは、埋め込まれた電子機器がしばしば瘢痕化や免疫反応を引き起こし、それがインプラントが時間とともに有効性を失うことを意味します。柔軟性のある生体適合性のある繊維とアレイは、この点で最終的に役立つかもしれません。

共同適応、同ha

これらすべての課題にもかかわらず、私たちはバイオニックの未来について楽観的です。 BCIは完璧である必要はありません。脳は驚くほど順応性があり、車の運転やタッチスクリーンインターフェイスの使用など、新しいスキルを習得するのと同様の方法でBCIの使用を学習できます。同様に、脳は、例えば磁気パルスを使用して非侵襲的に配信された場合でも、新しいタイプの感覚情報を解釈することを学ぶことができます。

最終的には、電子機器が脳で学習し、学習プロセス中に常に脳と対話する「共適応」双方向BCIが、神経橋を構築するために必要なステップであると考えられます。このような共同適応型双方向BCIの構築は、当センターの目標です。

「電気医薬品」を使用した糖尿病などの疾患の標的治療の最近の成功についても同様に興奮しています。これは、コマンドを内臓に直接伝達することで薬物なしで疾患を治療する実験的な小型インプラントです。

そして、研究者は、電気から生化学への言語障壁を克服する新しい方法を発見しました。例えば、注入可能な「神経レース」は、ニューロンを拒絶するのではなく、移植された電極に沿って徐々に成長させる有望な方法であることが証明されるかもしれません。柔軟なナノワイヤベースのプローブ、柔軟なニューロンの足場、およびグラッシーカーボンインターフェイスにより、将来、生体内および技術用のコンピューターが私たちの体内で喜んで共存できるようになる可能性があります。

支援から拡張へ

Elon Muskの新しいスタートアップNeuralinkは、BCIで人間を強化し、人間と人工知能の間の進行中の軍拡競争で私たちの脳を立ち上げるという究極の目標を掲げています。彼は、私たちの技術に接続できることで、人間の脳が自身の能力を高め、AIが自然の人間の能力をはるかに超える潜在的なディストピアの未来を回避できるようになることを望んでいます。そのようなビジョンは確かに遠い、または空想的に見えるかもしれませんが、奇妙さだけの考えを否定すべきではありません。結局、自動運転車は10年半前であってもSFの領域に追いやられ、今では私たちの道を共有しています。

BCIは、末梢神経系（神経）または中枢神経系（脳）と相互作用するかどうか、侵襲性か非侵襲性か、失われた機能の回復に役立つか、機能を強化するかなど、複数の次元で変化します。（ジェームス・ウー、サクランボからの改編、CC BY-SA）

近い将来、脳とコンピューターのインターフェースが障害者の機能を回復するだけでなく、人間の能力を超えた健常者を増強するようになると、同意、プライバシー、アイデンティティ、代理店、不平等に関連する多くの問題を鋭く認識する必要があります。私たちのセンターでは、哲学者、臨床医、エンジニアのチームが積極的に働いて、これらの倫理的、道徳的、社会的正義の問題に対処し、フィールドがあまりにも先に進む前に神経倫理的ガイドラインを提供しています。

脳をテクノロジーに直接接続することは、二足歩行の制限を克服するためにホイールを使用することから、記憶を強化するために粘土板や紙に記法を作成することまで、人間が長年にわたってテクノロジーで自分自身を強化する方法の最終的な自然な進歩かもしれません。今日のコンピューター、スマートフォン、バーチャルリアリティヘッドセットと同様に、拡張BCIは、最終的に消費者市場に登場すると、爽快でイライラし、リスクを伴い、同時に期待に満ちたものになります。

この記事はもともとThe Conversationで公開されました。

ジェームス・ウー博士 生物工学の学生、ワシントン大学感覚運動神経工学センターの研究者

ラジェッシュPNラオ、ワシントン大学、コンピューターサイエンスおよびエンジニアリング教授、感覚運動神経工学センター所長