فعالیت دارپا در راستای توسعه ایمپلنت مغزی برای ارتباط با یک میلیون نورون
دارپا به ایجاد چالش‌های بزرگ در عرصه‌ی علم و فناوری شهرت دارد؛ ولی بیانیه‌ی مأموریت جدید این سازمان جهت طراحی سیستم‌های مهندسی عصب، خارق‌العاده به نظر می‌رسد. این مأموریت ساخت ایمپلنت مغزی است که سیگنال‌هایی با کیفیت بالا از یک میلیون نورون مغزی ضبط کند.
امروزه بهترین ایمپلنت‌های مغزی، مانند سیستم آزمایشی که به یک مرد ناتوان امکان کنترل بازوهای رباتیک را می‌داد، تنها با حدود چند صد نورون مغزی در ارتباط هستند. ضبط سیگنال از حدود یک میلیون نورون امکان دریافت سیگنال قوی‌تری را می‌دهد که توانایی کنترل دستگاه‌های خارجی مانند ویلچر، ربات و کامپیوتر را فراهم می‌کند.
به‌علاوه، برنامه‌ی دارپا نیاز به تکنولوژی دارد که بتواند یک ارتباط دوطرفه برقرار کند؛ ایمپلنت‌ها باید قادر باشند علاوه بر دریافت سیگنال‌های مغزی از نورون‌ها، سیگنال‌های تولیدشده توسط کامپیوتر‌ها را به نورون‌ها منتقل کنند. این قابلیت امکان ساخت پروتز‌های مصنوعی مغزی را فراهم می‌کند که به افراد نابینا امکان دریافت اطلاعات بصری و به افراد نا‌شنوا امکان دریافت اطلاعات شنیداری را می‌دهد.
آژانس دارپا اعلام کرده است که شش تیم تحقیقاتی از طرف این سازمان بودجه دریافت کرده‌اند. در یک کنفرانس خبری دارپا اعلام کرد: «حتی هدف یک میلیون نورون، ابتدای راه است. یک میلیون نورون تنها بخش بسیار جزئی از ۸۶ میلیارد نورونی است که در مغز انسان به‌طور متوسط وجود دارد. پیچیدگی بیشتر مغز انسان همچنان ناشناخته باقی می‌ماند. ولی اگر در انتقال سیگنال‌های حسی به‌طور مستقیم به مغز موفق شویم، سازمان دارپا یک بنیاد جدید برای درمان‌های نورونی ایجاد می‌کند.»
یکی از تیم‌هایی که در این پروژه شرکت کرده، استارتاپ پارادرومیکس واقع در سیلیکون ولی است. رئیس این شرکت مت انجل، اعلام کرده که این شرکت در حال توسعه‌ی دستگاهی به نام باس ورودی- خروجی نورونی یا به‌اختصار NIOB است. این دستگاه از دسته‌های الکترود‌های سیمی در ابعاد میکرو برای اتصال با نورون‌ها استفاده می‌کند. با چهار دسته سیم که در مجموع دارای ۲۰۰ هزار میکروسیم رابط است می‌توان با یک میلیون نورون در ارتباط بود.
انجل در مصاحبه‌ای با وب‌سایت IEEE گفت: «الکترود‌های سیمی در ابعاد میکرو از دهه‌ی ۵۰ میلادی در حال استفاده هستند؛ ولی به‌طور سنتی قابلیت مقیاس‌پذیری ندارند. با سیستم‌های موجود باید هر سیم را به یک تقویت‌کننده متصل کنید که اگر بخواهید از ۱۰۰ هزار سیم استفاده کنید، عملا استفاده از ۱۰۰ هزار تقویت‌کننده امکان‌پذیر نیست.»
پارادرومیکس قرار است این مشکل را با صیقل دادن سطح تماس این دسته سیم‌ها در ابعاد میکرو و وصل کردن آن‌ها به آرایه‌ای از تقویت‌کننده‌های CMOS، حل کند.
انجل در ادامه گفت: «ما اطمینان حاصل می‌کنیم که سیم‌ها با احتمال بسیار زیادی با سطح تراشه‌ی CMOS ارتباط برقرار کنند. ولی حتی اگر نقاطی وجود داشته باشند که در آن‌ها اتصال برقرار نشود، در دقت دستگاه تأثیر چندانی ندارد.»
مثل همیشه دارپا روی کاربرد‌های عملی این تکنولوژی تأکید بیشتری دارد. پس از دوره‌ی چهارساله مشخص‌شده برای این برنامه‌ی تحقیقاتی، انتظار می‌رود نمونه‌های اولیه‌ای برای درمان بیماران کم‌توان و بازیابی یکی از حواس آن‌ها ساخته شود.
هدف پارادرومیکس بازیابی توانایی صحبت کردن است. پروتز‌های متصل به مغز قرار است سیگنال‌ها را از قسمتی از مغز که با پردازش صوت مرتبط است دریافت کنند.
این شرکت از عصب‌شناس معروف، رابرت نایت از دانشگاه برکلی کالیفرنیا کمک گرفته است. این عصب‌شناس نشان داده که وقتی افراد متنی را با صدای بلند یا به‌آرامی فقط در ذهنشان می‌خوانند، سیگنال‌های نورونی مشابهی در شیار تمپورال فوقانی مغز تولید می‌شود که با دریافت این سیگنال‌ها می‌توان کلمات را بازسازی کرد. این یافته‌ی علمی امکان تبدیل سیگنال‌های مغزی به جملات را فراهم می‌کند.
پارادرومیکس از پروتز‌های مغزی برای بازیابی توانایی صحبت کردن استفاده می‌کند؛ اما از این پروتز‌ها در کاربرد‌های متعدد دیگری هم می‌توان استفاده کرد. تفاوت فقط در جابجایی مکان ایمپلنت در مغز و نرم‌افزار ترجمه‌ی سیگنال خواهد بود.
چالش‌های پیش روی پارادرومیکس بسیار زیاد هستند. انجل یک سری از تراشه‌های جایگذاری شده در مغز را تصور می‌کند که هر کدام به ۵۰ هزار سیم در ابعاد میکرو متصل شده‌اند. این تراشه‌ها اطلاعات را به یک فرستنده مرکزی می‌فرستند که در سطح سر و زیر پوست انسان واقع شده است. برای افزایش بهره‌وری سیستم، ایمپلنت باید بخشی از پردازش‌ها را انجام بدهد. انجل در این رابطه می‌گوید: «باید در داخل بدن تصمیماتی از جمله این‌که چه اطلاعاتی به بیرون ارسال شود، اتخاذ شود؛ زیرا امکان انتقال ۵۰ گیگابایت اطلاعات در ثانیه به دنیای خارج امکان‌پذیر نیست.» پس از آن فرستنده‌ی مرکزی باید اطلاعات را به‌صورت بی‌سیم به گیرنده‌ی خارجی که در سطح بدن قرار دارد، بفرستد و برای دریافت اطلاعات به‌صورت عکس عمل کند.
تیم‌های دیگری که از بودجه دارپا بهره می‌برند، سابقه‌ی تحقیقات روی توانایی بینایی، صحبت کردن و حس لامسه دارند. تیم دانشگاه براون روی یک پروتز مخصوص بازیابی توانایی صحبت کردن کار می‌کند و از هزاران دانه ایمپلنت جداگانه که هرکدام اندازه‌ی یک دانه نمک هستند، استفاده می‌کند. این دانه‌ها هرکدام به‌صورت مستقل با چند نورون در ارتباط هستند و اطلاعات جمع‌آوری شده را توسط فرستنده‌ی مرکزی به دنیای خارج منتقل می‌کنند.
آرتو نورمیکو، رئیس این تیم تحقیقاتی، در یک ایمیل نوشت: «از جمله چالش‌هایی که این تیم تحقیقاتی با آن روبرو است، نحوه‌ی کاشت این ایمپلنت‌ها درون مغز و چگونگی اطمینان حاصل کردن از سالم بودن آن‌ها و چگونگی مدیریت حجم بالای اطلاعات تولیدشده توسط آن‌ها است. بزرگ‌ترین چالش احتمالا اتصال ۱۰ هزار تا ۱۰۰ هزار دانه‌ی کوچک پروتز و ایجاد یک ارتباط پایدار بین آن‌ها برای تولید داده‌های بامعنا است.»
نورمیکو در ادامه گفت: «حتی با ۱۰۰ها هزار دانه‌ی مشابه، ممکن است دسترسی به تک‌تک نورون‌ها امکان‌پذیر نباشد. این تنها نکته‌ی قابل تأمل نیست. باید به‌اندازه‌ی کافی توانایی دریافت اطلاعات از تعداد زیادی از نورون‌ها را داشته باشیم تا بتوانیم درک درستی از تفاوت موسیقی و کلمات به دست بیاوریم.»
