Kunstig intelligens og hjerneimplantater: et nyt skridt for neurale grænseflader

Hjerneimplantater er ikke længere kun science fiction. Eksperimentelle systemer kan afkode bestemte hjernesignaler for eksempelvis at styre en computer. Resultaterne gælder afgrænsede opgaver og konkrete forsøgsdeltagere, ikke en ubegrænset evne til at læse alle menneskelige tanker og intentioner.

Disse systemer kaldes hjerne-computer-grænseflader eller BCI’er. De skaber en kommunikationsvej mellem hjerneaktivitet og en ekstern enhed. Neuralink er en af de bedst kendte virksomheder på området og udvikler en implanterbar grænseflade.

BCI’er er blevet undersøgt siden 1960’erne. Fremskridt inden for AI har forbedret afkodningen af nervesignaler og muliggjort vigtige praktiske demonstrationer, blandt andet for mennesker med handicap. Tekniske og kliniske udfordringer skal dog stadig løses før bredere anvendelse.

Aktuelle anvendelser og gennembrud

I 2023 foregik meget af udviklingen af implanterbare BCI’er stadig i laboratorier og kliniske studier. AI havde dog allerede hjulpet med at vise, hvordan systemerne kunne støtte bestemte mennesker med funktionsnedsættelser.

AI og hjerneimplantater som støtte til kommunikation og bevægelsesstyring

Omkring 1,3 milliarder mennesker på verdensplan lever med en betydelig funktionsnedsættelse. AI-understøttede grænseflader kan muligvis hjælpe ved bestemte kommunikations- eller bevægelsesproblemer. De kan ikke fuldstændigt fjerne alle begrænsninger hos alle disse mennesker.

I to studier offentliggjort i august 2023 i Nature viste forskerhold fra Stanford og University of California, San Francisco grænseflader, som lod to kvinder med lammelser kommunikere. Systemerne afkodede hjerneaktivitet ved forsøg på at tale. Computermodeller, herunder sprogmodeller, bidrog til at omsætte signalerne til tekst eller syntetisk tale. Det betød ikke, at kvindernes naturlige tale var blevet genoprettet.

På Stanford fik Pat Bennett, der dengang var 68 år, fire små mikroelektrodematricer i hjerneområder forbundet med tale. Software omdannede hendes taleforsøg til tekst. UCSF-holdet brugte en anden grænseflade på hjernens overflade hos Ann, som kunne styre en syntetisk stemme og en digital avatars ansigtsbevægelser. Ann var 30 år, da hun fik det slagtilfælde, der førte til lammelsen, ikke da studiet blev udført. Begge studier forbedrede det tilgængelige ordforråd, afkodningshastigheden og nøjagtigheden sammenlignet med tidligere systemer.

AI og mikroelektronik i forskning i hjernesygdomme

Elektrisk stimulation gennem implantater kan hjælpe ved epilepsi og Parkinsons sygdom ved at påvirke unormal nerveaktivitet. University of Toronto har samlet elektro- og computeringeniører, klinikere, neuroforskere samt eksperter i materialer og data. Holdet undersøger blandt andet mere præcis og energieffektiv neuromodulation.

Med dyb læring forsøger holdet at finde signalmønstre og svært påviselige biomarkører, så det bedre kan afgøres, hvornår stimulation er nødvendig. Følgende tilstande nævnes som mulige fremtidige anvendelser; det betyder ikke, at alle disse anvendelser allerede er etablerede behandlinger:

• Kronisk smerte
• Depression
• Demens
• Alzheimers sygdom
• Søvnlidelser

Neuralinks studie på mennesker

I 2023 fik Neuralink tilladelse fra den amerikanske lægemiddelmyndighed FDA til sit første studie på mennesker. I september meddelte virksomheden, at rekrutteringen begyndte efter godkendelse fra den ansvarlige etiske komité. En tilladelse til et studie er ikke en tilladelse til at sælge produktet. Sikkerhedsspørgsmål indgik i vurderingen af dette eksperimentelle system.

PRIME-studiet, Precise Robotically Implanted Brain-Computer Interface, søgte deltagere med lammelser efter en rygmarvsskade i halsregionen eller som følge af amyotrofisk lateral sklerose. Brochuren angav cirka seks års deltagelse og opfølgning. En operationsrobot skulle placere det trådløse implantats tråde. Studiet skulle vurdere sikkerhed og indledende funktion ved styring af en computer ved hjælp af hjernesignaler.

Musk har beskrevet bredere ambitioner, blandt andet vedrørende autisme, depression og skizofreni. Udtalelserne dokumenterede ikke, at Neuralink kunne behandle disse tilstande, og de var ikke formålet med PRIME-studiet. Efter prækliniske dyreforsøg rekrutterede virksomheden i 2023 mennesker med lammelser til sit første studie på mennesker.

Teknologiske og videnskabelige fremskridt

BCI-forskningen har gennem årtier udviklet direkte kommunikationsveje mellem hjernen og computere. AI har ført arbejdet videre ved at analysere komplekse data og omsætte dem til eksempelvis tekst eller menneskelignende tale.

De første eksperimentelle talegrænseflader var langsomme og begrænsede. Fremskridt inden for neurovidenskab og databehandling har muliggjort hurtigere systemer, som kan danne grundlag for fremtidige kommunikationshjælpemidler eller bevægelsesstyring. De omtalte taleimplantater var stadig eksperimentelle. Studierne viste ikke, at AI-implantater til genoprettelse af alle sanse- og bevægelsesfunktioner allerede var på markedet.

Systemerne omdanner signaler fra taleforsøg til tekst. I Stanford-studiet var ordfejlraten 9,1 procent med et begrænset ordforråd på 50 ord, svarende til 2,7 gange færre fejl end i en tidligere sammenlignelig talegrænseflade. Med det langt større ordforråd på 125.000 ord var fejlraten 23,8 procent. Hastigheden nåede 62 ord i minuttet mod omkring 160 i en naturlig samtale. Det var et vigtigt fremskridt, men stadig tydeligt langsommere end almindelig tale.

Arbejdet inden for BrainGate2-studiet brugte et rekurrent neuralt netværk til at afkode tale. I en separat analyse skelnede en naiv Bayes-klassifikator mellem 33 mund- og ansigtsbevægelser med 92 procents nøjagtighed. Dette tal beskrev altså ikke nøjagtigheden for fri tekst eller et rekurrent netværk, der genkender alle ansigtsbevægelser.

Afkodning af adfærd eller kognitive tilstande fra nervesignaler er central i BCI-forskningen. Dyb læring bruges i mange maskinlæringsopgaver såsom billedsegmentering og talegenkendelse. Metoden undersøges også til fortolkning af signaler forbundet med bevægelse, tale og synsindtryk.

Forskere ved University of Texas at Austin udviklede også en ikke-invasiv semantisk dekoder med en Transformer-model, samme modelarkitektur som i eksempelvis ChatGPT og det daværende Bard. Deltagerne, ikke forskerne, lyttede til fortællinger i en fMRI-scanner under træningen. Systemet kunne derefter generere tekst, som gengav dele af meningen i nye hørte eller forestillede fortællinger, snarere end pålidelige ordrette udskrifter. Individuel træning og deltagerens samarbejde var nødvendigt; det var ikke en universel teknik til at læse andres tanker i hemmelighed.

AI hjælper således den neurovidenskabelige forskning på flere måder. På dette hurtigt udviklende område skal man også forholde sig til forudsætningerne for brugen og dens konsekvenser.

Klik her for at lære om de næste blockbuster‑terapier til at kurere neurologiske lidelser.

Etiske, privatlivs‑ og sikkerhedsmæssige overvejelser

Udviklingen af hjernegrænseflader og AI giver vigtige muligheder for mennesker med behov for støtte. Den rejser samtidig spørgsmål om sikkerhed, privatliv og ansvar.

For at gøre det enkelt: AI‑systemer er tilbøjelige til fejl og funktionsfejl, ligesom enhver anden teknologi, hvilket kan have potentielt skadelige konsekvenser. Bygget på komplekse algoritmer, der behandler enorme datamængder, er AI‑systemer også sårbare over for hacking og manipulation. Ikke mindst kan de data, de er trænet på, indeholde indbyggede bias, som fører til diskriminerende resultater.

Flere investeringer i systemer, der analyserer hjerneaktivitet og lagrer neurale data, har fået Unesco til at advare om risici for menneskerettighederne og efterlyse global styring af neuroteknologi. Det betyder ikke, at systemerne allerede kan læse alle tanker frit.

“Løftet … kan komme til en høj pris i form af menneskerettigheder og grundlæggende friheder, hvis det misbruges. Neuro‑teknologi kan påvirke vores identitet, autonomi, privatliv, følelser, adfærd og generelle velvære.”

– sagde Gabriela Ramos, UNESCO’s assisterende generaldirektør for sociale og humanistiske videnskaber.

I 2023 meddelte FN’s organisation for uddannelse, videnskab og kultur, at den ville begynde at udvikle en universel etisk ramme for neuroteknologi.

Ramos var bekymret over, at teknologien berører selve betydningen af at være menneske. Mariagrazia Squicciarini, hovedforfatter til en Unesco-rapport om innovation inden for neuroteknologi, beskrev AI’s bidrag som neuroteknologi på steroider. Billedsproget understregede, hvor kraftigt udviklingen kunne accelerere.

Unescos rapport fra 2023 angav, at den årlige private finansiering af neuroteknologi voksede 22 gange fra 2010 til 2020 og nåede 7,3 milliarder dollar i 2020. Innovationer målt gennem patenter voksede cirka 20 gange fra 2000 til 2020, altså over en anden periode. Artiklen nævnte også en historisk prognose om et marked for neuroteknologiske apparater på over 24 milliarder dollar i 2027. Det var ikke allerede realiseret omsætning.

AI-baseret analyse af hjernedata gør beskyttelsen af det mentale privatliv vigtigere. Der er rapporteret om kinesiske arbejdere med hovedbeklædning, som skal estimere bestemte følelsestilstande. Sådanne estimater viser ikke, at følelser kan aflæses fuldstændigt og pålideligt. I USA undersøger militært finansieret forskning blandt andet grænseflader til apparatstyring og mulige kognitive eller terapeutiske anvendelser.

Etiske bekymringer er også blevet rejst vedrørende BCI‑ers indvirkning på samfundet. Mange frygter, at ubegrænset adgang til folks hjerner kan gøre dystopiske muligheder til virkelighed.

Virksomheder og organisationer, der udvikler neurale grænseflader

Her er nogle aktører inden for hjerne- og neurale grænseflader. Teknologierne omfatter både implantater og ikke-invasive systemer med forskellige funktioner:

1. Neuralink

Neuralink blev grundlagt af Elon Musk og udvikler trådløse implantater, der registrerer nerveaktivitet for at styre eksterne enheder. Artiklen fra november 2023 rapporterede yderligere 43 millioner dollar i finansiering som en udvidelse af en runde ledet af Founders Fund. Peter Thiel er en af fondens medstiftere.

I juni 2023 blev der rapporteret en værdiansættelse på cirka fem milliarder dollar. Den anslåede årsomsætning på 115,7 millioner dollar hos Growjo var et eksternt estimat, ikke reviderede salgstal offentliggjort af Neuralink. I november 2023 bad amerikanske parlamentarikere SEC om at undersøge virksomhedens udtalelser om dødsfald blandt forsøgsdyr. Artiklen gengav dengang Musks vurdering af, at en kommerciel lancering stadig lå flere år væk; det var ikke en godkendt lanceringsplan.

2. Synchron

Synchron i New York udvikler en grænseflade, der registrerer hjernesignaler via et blodkar til styring af en computer. Det er et kommunikations- og styresystem, ikke en neuromodulerende behandling. I januar 2023 blev resultater fra SWITCH-studiet med fire personer med svære lammelser offentliggjort med fokus på sikkerhed og gennemførlighed.

Enheden føres ind via blodkarsystemet og registrerer signaler nær hjernebarken. Ved tolv måneders opfølgning af fire deltagere blev der ikke registreret alvorlige hændelser relateret til enheden. Det betyder ikke, at alle bivirkninger eller risici er fraværende. Artiklen angav en samlet finansiering på 135,7 millioner dollar ifølge CB Insights og støtte fra investorer knyttet til Jeff Bezos og Bill Gates. Årsomsætningen på 37,3 millioner dollar hos Growjo var et eksternt estimat, som ikke var bekræftet af offentliggjorte reviderede virksomhedsregnskaber.

3. Blackrock Neurotech

Denne private virksomhed udvikler neuroteknologiske systemer, herunder BCI’er. I juni 2022 meddelte Blackrock Neurotech, at forskningen med virksomhedens implantater havde nået i alt 30.000 patientdage fordelt på flere deltagere. Det var ikke 30.000 hospitalsdage for én person. Medstifter og formand Florian Solzbacher mente dengang, at teknologien var klar til at flytte fra laboratoriet til patienternes hjem. Virksomhedens vurdering var ikke en generel markedsføringstilladelse.

I 2021 rejste virksomheden ti millioner dollar i finansiering fra blandt andre Christian Angermayers re.Mind Capital, Peter Thiel, Tim Sievers og Sorenson Impacts University Venture Fund II.

4. BrainGate

Forskningskonsortiet BrainGate har skabt et hjerne‑implantat, der indeholder en klynge af 100 spidse elektroder, som kirurgisk indlejres i hjernen. Deres BCI‑system er designet til at give personer med lammelse mulighed for at styre robotarme eller computere gennem deres tanker. BrainGates ultimative mål er at genoprette mobilitet, kommunikation og uafhængighed for personer med tetraplegi.

5. Precision Neuroscience

I juni 2023 meddelte Precision Neuroscience, at de første procedurer på mennesker til kortlægning af hjernesignaler var gennemført. En af virksomhedens grundlæggere havde tidligere været medstifter af Neuralink. Layer 7 Cortical Interface er en elektrodematrice til hjernens overflade, som er tyndere end et hårstrå. Midlertidige registreringer under operationer viste endnu ikke, at et permanent implantat fungerede til daglig brug.

I januar 2023 rejste virksomheden 41 millioner dollar, hvilket bragte den samlede finansiering op på 53 millioner dollar på under to år. Den udviklede blandt andet en minimalt invasiv metode, hvor grænsefladen indføres gennem en lille spalte i kraniet.

6. Kernel

Kernel blev grundlagt af Bryan Johnson og udvikler det ikke-invasive system Kernel Flow. Det bruger tidsopløst funktionel nærinfrarød spektroskopi, TD-fNIRS, til at måle ændringer forbundet med hjerneaktivitet.

Ifølge virksomheden er Kernel Flow et bærbart multimodalt headset til hjernebilleddannelse, som kan sættes op på få minutter. Det kombinerer optiske målinger af blodets respons med EEG. TD-fNIRS måler ændringer i blodets iltning forbundet med hjerneaktivitet; det er ikke et implantat og læser ikke tanker direkte.

7. Neurable

Neurable udvikler ikke-invasive EEG-baserede grænseflader. Forskningen har blandt andet omfattet spil og menneske-computer-interaktion i augmented og virtual reality. Forskningsbrug og mulige kliniske anvendelser må ikke forveksles med godkendte medicinske behandlinger.

8. CTRL-labs

Startupvirksomheden, der udviklede ikke-invasive neurale grænseflader, blev i 2019 købt af Facebook, som senere skiftede navn til Meta. Prisen blev ikke offentliggjort officielt; pressens estimater gik op til en milliard dollar. Armbåndsprototyper, vist blandt andet i 2018, måler elektriske muskelsignaler ved håndleddet med elektromyografi. Målet er at styre enheder ud fra bevægelsesintentioner og små bevægelser, ikke at læse alle tanker direkte gennem et hjerneimplantat.

Fremtidige udsigter og udfordringer

AI-understøttede hjernegrænseflader er vigtige redskaber i neurovidenskaben. De kan forbedre visse behandlinger og hjælpemidler. Resultaterne hos forsøgsdeltagere er lovende, men deres betydning afhænger af teknologien og det undersøgte anvendelsesområde.

Forskere finansieret af amerikanske DARPA undersøger signaler forbundet med stemningslidelser og stimulation af hjernens netværk. Arbejder præsenteret i 2018 undersøgte blandt andet afkodning af stemningsleje og stimulation i en åben sløjfe som skridt mod fremtidige systemer med tilbagekobling i en lukket sløjfe. De viste ikke, at implantater allerede i 2017 automatisk kunne bringe enhver patient tilbage til en sund tilstand uden lægeligt tilsyn.

Anden forskning drejer sig blandt andet om styring af proteser og påvirkning af unormal nerveaktivitet. Neurofeedback kan give tilbagemelding i realtid, så man kan lære at ændre bestemte signaler; resultaterne afhænger af anvendelsen. Kommunikation mellem hjerner er også undersøgt eksperimentelt, men det er ikke generel, problemfri overførsel af tanker.

Forbedring af kognitive evner hos personer uden et behandlingsbehov er et andet muligt fremtidigt anvendelsesområde. Målrettet stimulation kan tænkes at påvirke visse funktioner knyttet til opmærksomhed, hukommelse eller læring. Det er fortsat et forskningsperspektiv, ikke en generelt dokumenteret evne hos AI-hjerneimplantater.

Mulighederne for at forbedre menneskers evner rejser også etiske spørgsmål om tilgængelighed og privatliv.

Ifølge Pew Research Centers undersøgelse offentliggjort i 2022 ønskede 78 procent af amerikanerne ikke et implantat til forbedring af kognitive evner, mens 20 procent ønskede et. Spørgsmålet handlede om kognitiv forbedring, ikke alle behandlingsformål. I en tidligere undersøgelse ønskede omkring to tredjedele ikke en chip til kraftigt forbedret koncentration og informationsbehandling. Seks ud af ti mente, at de fleste ville føle sig presset til at få et implantat, hvis brugen blev udbredt.

I disse spørgsmål om kognitiv forbedring forventede 52 procent, at hackere ofte ville få adgang til personoplysninger, hvis implantater blev almindelige. Uønskede ændringer i hjernen og tekniske fejl vakte også bekymring. Desuden ønskede 83 procent strengere testkrav end for medicinsk udstyr frem for de samme krav.

Dette viser behovet for at afveje teknologiens muligheder mod beskyttelsen af den enkeltes og samfundets sundhed, sikkerhed og grundlæggende værdier.

Klik her for listen over de ti bedste biotek‑aktier.

Konklusion

Hjerne-computer-grænseflader med AI, herunder sprogmodeller, forbedrer behandlingen af nervesignaler. Demonstrationer har hjulpet bestemte mennesker med lammelser til at kommunikere eller styre eksterne enheder. Det er ikke ubegrænset tankelæsning eller fuld genoprettelse af alle bevægelsesfunktioner.

Teknologien rummer vigtige muligheder, men sikkerhed, privatliv og etiske konsekvenser kræver grundig vurdering. Omfattende studier, gennemsigtig information og løbende opfølgning er nødvendige for at fastlægge fordele og risici.

AI-understøttede hjerneimplantater har mange mulige anvendelser, og deres følger kan blive betydelige.

Klik her for at lære alt om investering i kunstig intelligens.