AI och hjärnimplantat: nästa steg för neurala gränssnitt

Hjärnimplantat är inte längre enbart science fiction. Experimentella system kan tolka vissa hjärnsignaler för att exempelvis styra en dator. Resultaten gäller särskilda uppgifter och studiedeltagare, inte en obegränsad förmåga att läsa alla mänskliga tankar och avsikter.

Dessa system kallas hjärn–datorgränssnitt, eller BCI. De skapar en kommunikationsväg mellan hjärnaktivitet och en extern enhet. Neuralink är ett av de mest kända företagen på området och utvecklar ett implanterbart gränssnitt.

BCI har studerats sedan 1960-talet. Framsteg inom AI har förbättrat tolkningen av nervsignaler och möjliggjort viktiga praktiska demonstrationer, bland annat för personer med funktionsnedsättning. Tekniska och kliniska utmaningar återstår innan systemen kan användas mer allmänt.

Aktuella tillämpningar och genombrott

År 2023 bedrevs mycket av utvecklingen av implanterbara BCI fortfarande i laboratorier och kliniska studier. Med hjälp av AI hade forskare dock börjat visa hur systemen kunde vara till nytta för vissa personer med funktionsnedsättning.

AI och hjärnimplantat som stöd för kommunikation och rörelsestyrning

Omkring 1,3 miljarder människor i världen lever med en betydande funktionsnedsättning. AI-stödda gränssnitt kan möjligen hjälpa vid vissa kommunikations- eller rörelseproblem. De kan inte helt undanröja alla begränsningar hos alla dessa människor.

I två studier som publicerades i augusti 2023 i Nature visade forskarlag vid Stanford och University of California, San Francisco gränssnitt som lät två kvinnor med förlamning kommunicera. Systemen tolkade hjärnaktivitet vid försök att tala. Datormodeller, däribland språkmodeller, bidrog till att skapa text eller syntetiskt tal. Det innebar inte att kvinnornas naturliga talförmåga hade återställts.

Vid Stanford fick Pat Bennett, som då var 68 år, fyra små mikroelektrodmatriser i hjärnområden kopplade till tal. Programvara omvandlade hennes talförsök till text. UCSF-gruppen använde ett annat gränssnitt på hjärnans yta hos Ann, som kunde styra en syntetisk röst och en digital avatars ansiktsrörelser. Ann var 30 när hon fick den stroke som orsakade förlamningen, inte när studien genomfördes. Båda arbetena förbättrade tillgängligt ordförråd, avkodningshastighet och precision jämfört med tidigare system.

AI och mikroelektronik i forskning om hjärnsjukdomar

Elektrisk stimulering via implantat kan hjälpa vid epilepsi och Parkinsons sjukdom genom att påverka avvikande nervaktivitet. University of Toronto har samlat elektro- och dataingenjörer, kliniker, neuroforskare samt experter på material och data. Gruppen undersöker bland annat mer exakt och energieffektiv neuromodulering.

Med djupinlärning försöker gruppen identifiera signalmönster och svårupptäckta biomarkörer för att bättre kunna välja när stimulering behövs. Följande tillstånd diskuteras som möjliga framtida användningsområden; det betyder inte att alla dessa tillämpningar redan är etablerade behandlingar:

• Kronisk smärta
• Depression
• Demens
• Alzheimers sjukdom
• Sömnstörningar

Neuralinks studie på människor

År 2023 fick Neuralink den amerikanska läkemedelsmyndigheten FDA:s tillstånd för sin första studie på människor. I september meddelade företaget att rekryteringen inleddes efter godkännande från den ansvariga etikkommittén. Ett studietillstånd är inte ett tillstånd att sälja produkten. Säkerhetsfrågor ingick i bedömningen av detta experimentella system.

PRIME-studien, Precise Robotically Implanted Brain-Computer Interface, sökte personer med förlamning till följd av en ryggmärgsskada i halsregionen eller amyotrofisk lateralskleros. Broschyren angav omkring sex års deltagande och uppföljning. En operationsrobot skulle föra in det trådlösa implantatets trådar. Studien skulle bedöma säkerhet och inledande funktion vid styrning av en dator med hjälp av hjärnsignaler.

Musk har beskrivit bredare ambitioner som rör bland annat autism, depression och schizofreni. Uttalandena visade inte att Neuralink kunde behandla dessa tillstånd, och de var inte syftet med PRIME-studien. Efter prekliniska djurförsök rekryterade företaget år 2023 personer med förlamning till sin första studie på människor.

Teknologiska och vetenskapliga framsteg

Under flera årtionden har BCI-forskningen utvecklat direkta kommunikationsvägar mellan hjärnan och datorer. AI har fört arbetet vidare genom att analysera komplexa data och omvandla dem till exempelvis text eller människoliknande tal.

De första experimentella talgränssnitten var långsamma och begränsade. Framsteg inom neurovetenskap och databehandling har möjliggjort snabbare system som kan ligga till grund för framtida hjälpmedel för kommunikation eller rörelsestyrning. Talimplantaten som beskrivs här var fortfarande experimentella. Studierna visade inte att AI-implantat för återställande av alla sinnes- och rörelsefunktioner redan fanns att köpa.

Systemen omvandlar signaler vid talförsök till text. I Stanfordstudien var ordfelfrekvensen 9,1 procent med ett begränsat ordförråd på 50 ord, vilket innebar 2,7 gånger färre fel än i ett tidigare jämförbart talgränssnitt. Med det betydligt större ordförrådet på 125 000 ord var felfrekvensen 23,8 procent. Hastigheten nådde 62 ord per minut, mot omkring 160 i ett naturligt samtal. Det var ett viktigt framsteg men fortfarande tydligt långsammare än vanligt tal.

Arbetet inom BrainGate2-studien använde ett rekurrent neuralt nätverk för att avkoda tal. En separat analys skilde mellan 33 mun- och ansiktsrörelser med 92 procents precision med hjälp av en naiv Bayes-klassificerare. Den siffran beskrev alltså inte träffsäkerheten för fri text eller ett rekurrent nätverk som känner igen alla ansiktsrörelser.

Att tolka beteende eller kognitiva tillstånd från nervsignaler är centralt i BCI-forskningen. Djupinlärning används i många maskininlärningsuppgifter, som bildsegmentering och taligenkänning. Metoden undersöks också för att tolka signaler kopplade till rörelser, tal och synintryck.

Forskare vid University of Texas at Austin utvecklade även en icke-invasiv semantisk avkodare med en Transformer-modell, samma modellarkitektur som används i exempelvis ChatGPT och dåvarande Bard. Deltagarna, inte forskarna, lyssnade på berättelser i en fMRI-kamera under träningen. Systemet kunde sedan generera text som återgav delar av innebörden i nya hörda eller föreställda berättelser, snarare än tillförlitliga ordagranna utskrifter. Individuell träning och deltagarens samarbete krävdes; det var ingen universell teknik för att läsa någons tankar i hemlighet.

AI hjälper därmed neurovetenskaplig forskning på flera sätt. På detta snabbt föränderliga område måste även förutsättningarna för användning och dess konsekvenser beaktas.

Klicka här för att lära dig om de nästa blockbuster‑terapierna för att bota neurologiska sjukdomar.

Etiska, integritets- och säkerhetsaspekter

Utvecklingen av hjärngränssnitt och AI ger viktiga möjligheter för människor som behöver stöd. Den väcker samtidigt frågor om säkerhet, integritet och ansvar.

Enkelt uttryckt är AI‑system benägna att göra fel och drabbas av funktionsfel, precis som annan teknik, vilket kan leda till potentiellt skadliga resultat. Byggda på komplexa algoritmer som bearbetar enorma mängder data är AI‑system också sårbara för hackning och manipulation. Dessutom kan de data de tränas på innehålla inneboende bias som leder till diskriminerande resultat.

Ökade investeringar i system som analyserar hjärnaktivitet och lagrar neurala data har fått Unesco att varna för risker för mänskliga rättigheter och efterlysa global styrning av neuroteknik. Det betyder inte att systemen redan kan läsa alla tankar fritt.

”Löftet … kan komma till en hög kostnad i termer av mänskliga rättigheter och grundläggande friheter, om det missbrukas. Neuroteknik kan påverka vår identitet, autonomi, integritet, känslor, beteenden och övergripande välbefinnande.”

– sade Gabriela Ramos, UNESCO:s biträdande generaldirektör för sociala och humanistiska vetenskaper.

År 2023 meddelade FN:s organisation för utbildning, vetenskap och kultur att den skulle börja utveckla ett universellt etiskt ramverk för neuroteknik.

Ramos oroade sig för att tekniken berör själva innebörden av att vara människa. Mariagrazia Squicciarini, huvudförfattare till en Unesco-rapport om innovation inom neuroteknik, beskrev AI:s bidrag som neuroteknik på steroider. Bildspråket betonade hur kraftigt utvecklingen kunde accelerera.

Unescos rapport från 2023 angav att den årliga privata finansieringen av neuroteknik ökade 22-faldigt mellan 2010 och 2020 och nådde 7,3 miljarder dollar år 2020. Innovationer mätta genom patent ökade ungefär 20-faldigt mellan 2000 och 2020, alltså under en annan period. Artikeln nämnde också en historisk prognos om att marknaden för neurotekniska apparater skulle överstiga 24 miljarder dollar år 2027. Det var ingen redan uppnådd omsättning.

AI-baserad analys av hjärndata gör skyddet av mental integritet allt viktigare. Det har rapporterats om kinesiska arbetare som använder huvudbonader för att uppskatta vissa känslotillstånd. Sådana uppskattningar visar inte att känslor kan avläsas fullständigt och tillförlitligt. I USA undersöker militärt finansierad forskning bland annat gränssnitt för apparatstyrning samt möjliga kognitiva och terapeutiska tillämpningar.

Etiska bekymmer har också lyfts kring BCI:s påverkan på samhället. Många fruktar att ge en oöverträffad åtkomst till människors hjärnor kan göra dystopiska möjligheter till verklighet.

Företag och organisationer som utvecklar neurala gränssnitt

Här följer några aktörer inom hjärn- och neurala gränssnitt. Teknikerna omfattar både implantat och icke-invasiva system med olika funktioner:

1. Neuralink

Neuralink grundades av Elon Musk och utvecklar trådlösa implantat som registrerar nervaktivitet för att styra externa enheter. Artikeln från november 2023 rapporterade ytterligare 43 miljoner dollar i finansiering som en utökning av en runda ledd av Founders Fund. Peter Thiel är en av fondens medgrundare.

I juni 2023 rapporterades en värdering på omkring fem miljarder dollar. Den uppskattade årsomsättningen på 115,7 miljoner dollar hos Growjo var en extern uppskattning, inte reviderade försäljningssiffror som Neuralink publicerat. I november 2023 bad amerikanska parlamentariker SEC att undersöka företagets uttalanden om dödsfall bland försöksdjur. Artikeln återgav då Musks bedömning att en kommersiell lansering låg flera år bort; det var ingen godkänd lanseringsplan.

2. Synchron

Synchron i New York utvecklar ett gränssnitt som registrerar hjärnsignaler via ett blodkärl för styrning av en dator. Det är ett kommunikations- och styrsystem, inte en neuromodulerande behandling. I januari 2023 publicerades resultaten från SWITCH-studien med fyra personer med svår förlamning, inriktad på säkerhet och genomförbarhet.

Enheten förs in via kärlsystemet och registrerar signaler nära hjärnbarken. Under tolv månaders uppföljning av fyra deltagare noterades inga allvarliga produktrelaterade oönskade händelser. Det innebär inte frånvaro av alla biverkningar eller risker. Artikeln angav totalt 135,7 miljoner dollar i finansiering enligt CB Insights och stöd från investerare knutna till Jeff Bezos och Bill Gates. Årsomsättningen på 37,3 miljoner dollar hos Growjo var en extern uppskattning som inte bekräftades av publicerade reviderade företagsräkenskaper.

3. Blackrock Neurotech

Detta privatägda företag utvecklar neurotekniska system, däribland BCI. I juni 2022 meddelade Blackrock Neurotech att forskningen med dess implantat nått sammanlagt 30 000 patientdagar fördelade på flera deltagare. Det var inte 30 000 sjukhusdagar för en enda person. Medgrundaren och ordföranden Florian Solzbacher ansåg då att tekniken var redo att flytta från laboratoriet till patienternas hem. Företagets bedömning utgjorde inte ett allmänt försäljningstillstånd.

År 2021 tog företaget in tio miljoner dollar i finansiering från bland andra Christian Angermayers re.Mind Capital, Peter Thiel, Tim Sievers och Sorenson Impacts University Venture Fund II.

4. BrainGate

Forskningskonsortiet BrainGate har skapat ett hjärnimplantat som innehåller en klunga av 100 spetsiga elektroder som kirurgiskt implanteras i hjärnan. Dess BCI‑system är utformat för att låta personer med förlamning styra robotiska lemmar eller datorer med sina tankar. BrainGates ultimata mål är att återställa rörlighet, kommunikation och självständighet för personer med tetraplegi.

5. Precision Neuroscience

I juni 2023 meddelade Precision Neuroscience att de första procedurerna på människor för kartläggning av hjärnsignaler hade genomförts. En av företagets grundare hade tidigare varit med och grundat Neuralink. Layer 7 Cortical Interface är en elektrodmatris för hjärnans yta som är tunnare än ett hårstrå. Tillfälliga registreringar under operationer visade ännu inte att ett permanent implantat fungerade i daglig användning.

I januari 2023 tog företaget in 41 miljoner dollar, vilket förde den samlade finansieringen till 53 miljoner dollar på mindre än två år. Det utvecklade bland annat en minimalt invasiv metod där gränssnittet förs in genom en liten springa i skallbenet.

6. Kernel

Kernel grundades av Bryan Johnson och utvecklar det icke-invasiva systemet Kernel Flow. Det använder tidsupplöst funktionell nära-infraröd spektroskopi, TD-fNIRS, för att mäta förändringar kopplade till hjärnaktivitet.

Enligt företaget är Kernel Flow ett bärbart multimodalt headset för hjärnavbildning som kan sättas upp på några minuter. Det kombinerar optiska mätningar av blodets respons med EEG. TD-fNIRS mäter förändringar i blodets syresättning som är kopplade till hjärnaktivitet; det är inget implantat och läser inte tankar direkt.

7. Neurable

Neurable utvecklar icke-invasiva EEG-baserade gränssnitt. Forskningen har bland annat omfattat spel och människa–datorinteraktion i förstärkt och virtuell verklighet. Forskningsanvändning och möjliga kliniska tillämpningar ska inte förväxlas med godkända medicinska behandlingar.

8. CTRL-labs

Startupföretaget som utvecklade icke-invasiva neurala gränssnitt köptes 2019 av Facebook, som senare bytte namn till Meta. Priset offentliggjordes inte; pressuppskattningar gick upp till en miljard dollar. Prototyper av armbandet, visade bland annat 2018, mäter elektriska muskelsignaler vid handleden med elektromyografi. Målet är att styra apparater utifrån rörelseavsikter och små gester, inte att läsa alla tankar direkt genom ett hjärnimplantat.

Framtida utsikter och utmaningar

AI-stödda hjärngränssnitt är viktiga verktyg inom neurovetenskapen. De kan förbättra vissa behandlingar och hjälpmedel. Resultaten hos studiedeltagare är lovande, men deras betydelse varierar mellan tekniker och undersökta användningsområden.

Forskare med finansiering från amerikanska DARPA studerar signaler kopplade till stämningssyndrom och stimulering av hjärnnätverk. Arbeten som presenterades 2018 undersökte bland annat avkodning av stämningsläge och stimulering i öppen slinga som steg mot framtida system med återkoppling i sluten slinga. De visade inte att implantat redan 2017 automatiskt kunde återföra alla patienter till ett friskt tillstånd utan medicinsk tillsyn.

Annan forskning gäller bland annat styrning av proteslemmar och påverkan på avvikande nervaktivitet. Neurofeedback kan ge återkoppling i realtid för att lära sig förändra vissa signaler; resultaten beror på användningsområdet. Även kommunikation mellan hjärnor har undersökts experimentellt, men det är ingen allmän, sömlös överföring av tankar.

Förbättring av kognitiva förmågor hos personer utan medicinskt behov är ett annat tänkbart framtida användningsområde. Riktad stimulering skulle kunna påverka vissa funktioner för uppmärksamhet, minne eller lärande. Det är fortfarande ett forskningsperspektiv, inte en allmänt bevisad förmåga hos AI-hjärnimplantat.

Möjligheterna att förstärka människans förmågor väcker även etiska frågor om tillgänglighet och integritet.

Enligt Pew Research Centers undersökning publicerad 2022 ville 78 procent av amerikanerna inte ha ett implantat för förbättrad kognitiv förmåga, medan 20 procent ville ha ett. Frågan gällde kognitiv förstärkning, inte alla terapeutiska användningar. I en tidigare undersökning ville omkring två tredjedelar inte ha ett chip som kraftigt förbättrade koncentration och informationsbearbetning. Sex av tio trodde att de flesta skulle känna press att skaffa ett implantat om användningen blev utbredd.

I dessa frågor om kognitiv förstärkning trodde 52 procent att hackare ofta skulle få tillgång till personuppgifter om implantaten blev vanliga. Även oönskade förändringar i hjärnan och tekniska fel väckte oro. Dessutom ville 83 procent ha strängare testkrav än för medicintekniska produkter, snarare än samma krav.

Detta visar behovet av att väga teknikens möjligheter mot skyddet för individers och samhällets hälsa, säkerhet och grundläggande värderingar.

Klicka här för listan över de tio bästa biotech‑aktierna.

Slutsats

Hjärn–datorgränssnitt med AI, däribland språkmodeller, förbättrar bearbetningen av nervsignaler. Demonstrationer har hjälpt vissa personer med förlamning att kommunicera eller styra externa enheter. Det är inte en obegränsad förmåga att läsa tankar eller ett fullständigt återställande av alla rörelsefunktioner.

Tekniken har viktiga möjligheter, men säkerhet, integritet och etiska konsekvenser kräver noggrann bedömning. Grundliga studier, transparent information och kontinuerlig uppföljning behövs för att fastställa nytta och risker.

AI-stödda hjärnimplantat har många möjliga tillämpningar, och deras följder kan bli betydande.

Klicka här för att lära dig allt om att investera i artificiell intelligens.