Rice Üniversitesi liderliğindeki bir nöro-mühendis ekibi; insan beynini ve makinelerini ameliyat gerekmeden doğrudan bağlayabilen kulaklık teknolojisini geliştirmek için dört yıllık iddialı bir projeye başladı. Konseptin bir kanıtı olarak ekip, bir bireyin algıladığı görsel görüntüleri kör hastaların kafasına iletmeyi planlıyor.
Gelişmiş Araştırma Projeleri Ajansı’nın (DARPA) Yeni Nesil Cerrahi Olmayan Nöroteknoloji Programı’nda (N3) Projenin Baş Araştırmacısı Jacob Robinson: “Dört yılda düşünce hızında ve beyin ameliyatı olmadan doğrudan beyinden beyne iletişimi göstermeyi umuyoruz.”
Görsel beyinleri iki beyin arasında paylaşmak bilim kurgu gibi gelebilir, ancak Robinson bir dizi son teknolojik atılımın bu fikri mümkün kıldığını belirtiyor. DARPA; beyinleri ve makineleri birbirine bağlama konusunda daha geniş bir zorluk için farklı teknolojik çözümler önermiş olan bir dizi N3 ödülünü ele almayı umuyor.
Ameliyat bir başlangıç olmadığından, tüm N3 ekipleri beyin aktivitesini okumak ve yazmak için bir miktar ışık, ultrason veya elektromanyetik enerji kombinasyonunu kullanmayı planlamaktadır. Rice’ın “manyetik, optik ve akustik sinir erişim cihazı” veya MOANA; üçünün de kullanıldığı teknikleri test edecek. MOANA ekibi; Rice, Baylor Tıp Fakültesi, Jan ve Dan Duncan Nörolojik Araştırma Enstitüsü, Teksas Çocuk Hastanesi, Duke Üniversitesi, Columbia Üniversitesi ve Yale John B. Pierce Laboratuvarı’ndan 15 ortak araştırmacıdan oluşmaktadır.
Robinson, N3 tarafından finanse edilen ekipler arasındaki büyük bir farklılaştırıcının; DARPA’nın mekansal çözümleme gereksinimlerinin yanı sıra 50 milisaniye gecikme eşiğiyle nasıl başa çıkmayı planladıklarını söyledi. Ajans; beynin hacminde bir bezelyenin büyüklüğü kadar en az 16 konumdan okuyabilen ve yazabilen aygıtlar arıyor.
Robinson, MOANA’nın kod çözme ve kodlama teknolojilerinin her birinin; maküler dejenerasyonun yanı sıra bazı kanser ve nörolojik durumların tedavisi için klinik denemeler yapan bir teknoloji olan viral vektör gen teslimi kullanacağını söyledi. Kod çözme ve kodlama için farklı olan genetik yükler; beynin 16 hedef bölgesindeki seçili nöron gruplarına ultrason yardımı ile iletilecektir.
Nöral aktiviteyi “okumak” için, MOANA ekibi; nöronları, bir nöron aktif olduğunda veya ateş ederken ışığı absorbe etmek üzere tasarlanmış “kalsiyum bağımlı göstergeler” adı verilen sentetik proteinleri yeniden programlayacaktır.
Rice Üniversitesi Bilgisayar Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimi Araştırmacı Ashok Veeraraghavan: “Kırmızı ve kızılötesi ışığın dalga boyları, kafatasına nüfuz edebilecek ve MOANA’nın cihazı da bunu kullanabilecek. Optik alt sistem, bir kafatası kapağındaki hedef alanın etrafına dizilmiş ışık yayıcılardan ve dedektörlerden oluşacaktır.
Bu ışık; çoğu kafa derisinden ve kafatasından yayılıyor, ancak küçük bir fraksiyon beynin içine girebiliyor ve bu küçük foton fraksiyonu görsel bir algıyı çözmek için kritik öneme sahip bilgiler içeriyor. Amacımız, kafatasından iki kez geçen fotonlarda bulunan ve önce görsel kortekse giderken tekrar detektöre yansıttıkları bilgileri yakalamak ve yorumlamak.”
Moana adlı Fotodetektörler; ultrahızlı ve ultrahassas olacaktır. Birincisi, kafatasından saçılan ışığı görmezden gelmek ve bunun yerine sadece beynin hedef bölgesine kadar gidip, geri dönmek için yeterli zamanı olan fotonları yakalamak açısından önemlidir.
Veeraraghavan: “Ultra hassas, tek fotonlu sayma dedektörlerini kullanarak, beyin dokusundan gelen küçük sinyal seçici bir şekilde algılanabilir.”
Veeraraghavan, Robinson ve MOANOA Ekibi, dedektörleri “uçuş süresi arttırılmış fonksiyonel dağınık optik tomografi” veya ToFF-DOT adı verilen bir teknoloji geliştirmek için kullanmayı planlıyor. Bir CT tarayıcı gibi, ToFF-DOT da vücudun içindekilerin gerçek zamanlı bir 3D görüntüsünü oluşturur. Ancak CT taraması X-ışınları kullanırken, ToFF-DOT görünür ışık kullanır.
Robinson; görsel korteksin 16 hedef bölgesindeki nöronların, ateşlenirken ve kalsiyum bağımlı gösterge proteinlerinin ışığı emdikleri zaman ToFF-DOT taramalarında normalden daha koyu görünmesinin beklenildiğini söyledi. Hedef alanlarda karanlıktan aydınlığa dinamik değişimleri yorumlamak MOANA’nın nöral aktiviteyi “okumak” için yapacağı şeydir.
Robinson; önce hücre kültürlerinde ve sonra hayvanlarda üç yıllık çalışmanın, insan hastalarla yapılan tüm çalışmalardan önce olacağını söyledi. Ancak MOANA ekibinin; Baylor Beyin Cerrahisi Bölümü’nden Daniel Yoshor ve Michael Beauchamp ile çalışmalarını koordine edeceğini ve cerrahi kortikal elektrotlarla görsel korteksi doğrudan uyaran deneysel bir protezi kullanarak, hastaları kör ede görüşünü geri kazanacak klinik denemeler yapacağını söyledi.
Robinson: “Beyin ameliyatı gerektirmeyen görsel bir protezi tercih eden hastalar olabilir. Hücreler ve hayvan modelleri konusundaki çalışmalarımız iyi giderse, MOANA; cerrahi dışı bir alternatif olarak klinik testler için onaylanabilir. Gen tedavisi gerektirir ancak beyin ameliyatı gerektirmez.”
Bir görüntü alan beyinde, MOANA; manyetik sinyallere yanıt olarak ateşlenmesi için yeniden programlanan nöronlara bilgi “yazar”. Bu nöronlara verilen gen tedavisi yükü; doğal olarak oluşan veya sentetik demir nanoparçacıklarını nöronların içindeki iyon kanallarına bağlayan proteinler yaratacaktır. Bu iyon kanallarından kalsiyum salınımı, bir nöronu “ateşleyen” dir ve bunun bir elektriksel darbeyi aktif olarak iletmesine neden olur.
Robinson: “Ütüyü ısıtmak için manyetik alanları kullanmayı planlıyoruz, bu da kanalı açmayı ve nöronu ateşlemeyi sağlar. Ancak bunu her saniye veya iki kez yapmak yeterli değil. Sistemimiz alıcı ve algılayıcının eşzamanlı gibi göründüğü algıyı yeterince yakın deneyimlemesi için, milisaniyede yanıt vermelidir.”
İnsan düşüncesi; bazen beynin farklı bölgelerinde, birçok nöronun koordineli olarak ateşlenmesini içerir. Rice Üniversitesi Araştırmacısı Caleb Kemere; 16 kanallı bilgi ile elde edilebilecek iletişim kalitesinin açık bir soru olduğunu belirtti.
