Forfattere
Forestil dig at kunne styre dit yndlingsvideospil ved blot at tænke på det! Det lyder måske som science fiction, men denne utrolige teknologi er ved at blive en realitet takket være hjerne-computer-grænseflader (BCI’er). BCI’er muliggør kommunikation mellem hjernen og et kunstigt apparat. Forestil dig din hjerne som en kraftfuld maskine, der sender elektriske signaler, når du vil gøre noget, f.eks. styre en robotarm med tankerne, efter at du har mistet evnen til at bevæge dine hænder. BCI’er overfører hjernesignaler til en computer, som derefter lærer at forstå disse signaler og oversætte dem til instruktioner, der styrer enheden. I denne artikel udforsker vi en verden, hvor sind og maskiner interagerer, og hvor mulighederne kun er begrænset af vores fantasi.
Hjernen er det mest fascinerende organ i kroppen. Gennem evolutionen har den udviklet sig på en måde, der gør det muligt for den at udføre komplekse beregninger, som danner grundlag for al vores adfærd. Hjernen består af milliarder af celler, der kaldes neuroner i store e neuronale netværk (Figur 1; for at lære mere, se denne artikel fra Frontiers for Young Minds). Forestil dig selv som en lille neuron, der kommunikerer med 10.000 neuronvenner, der alle taler og lytter samtidigt. Selvom det stadig er et stort mysterium, hvordan disse netværk fungerer, ved vi, at de fungerer gennem koordineret elektrisk aktivitet, ligesom en kæmpe biologisk computer.
Videnskaben har gjort betydelige fremskridt i forståelsen af hjernen, men mange spørgsmål er stadig ubesvarede. Vi forstår stadig ikke fuldt ud selv simple ting, såsom hvordan vi udfører jævne, kontrollerede bevægelser, og hvordan vi genkender objekter, vi ser. Vi ved kun lidt om, hvordan hjernen genererer den kreativitet, vi udtrykker gennem tanker, sprog og kunst.
En spændende teori antyder, at neurale netværk lærer at forudsige, hvordan handlinger påvirker vores sanser og genererer perceptioner. Vi kalder dette teorien om action-perception loops og foreslår, at denne teori forklarer, hvordan vores hjerner effektivt lærer nye færdigheder, herunder imaginære oplevelser, vi aldrig har haft. Har du for eksempel nogensinde oplevet at svæve eller flyve i dine drømme? Disse drømme kan stamme fra hjernens evne til at opfinde imaginære forbindelser mellem handlinger og fornemmelser. Den samme teori om handlings-perceptionssløjfer hjalp forskere med at udvikle nye hjerne-computer-forbindelser, som beskrevet i denne artikel.
Ideen om en “bionisk mand” dukkede først op i science fiction (de fleste af os kender til seksmillionersmanden). Med tiden er disse science fiction-ideer kommet tættere på virkeligheden. I det 21. århundrede udviklede forskere en teknologi til at aflæse hjernens elektriske signaler og forbinde dem til en computer. Denne banebrydende teknologi, der gør det muligt for hjernen og en computer at kommunikere og forstå hinanden, kaldes “hjerne-maskine-“, eller BCI [1]. Den giver håb om revolutionerende kliniske anvendelser, der kan føre til medicinske fremskridt, som kan hjælpe mennesker med visse lidelser, såsom lammelse, med at overvinde hjernens funktionsfejl. BCI’er har til formål at træne hjernen til at integrere maskinlignende enheder i dens handlings-perceptions-loop, så disse enheder føles som en naturlig del af kroppen. Der findes forskellige typer BCI’er, og vi fokuserer på to: en, der styrer arm- og håndbevægelser, og en anden, der omdanner hjernesignaler til indtastede eller talte ord.
Antag, at du vil drikke chokolademælk til morgenmaden. For at nå dette tilsyneladende enkle mål skal hjernen udføre en række komplekse beregninger, der involverer sanseindtryk og handlinger, såsom at bestemme, hvor langt koppen er fra din mund, beregne, hvordan musklerne skal aktiveres for at nå den, løfte koppen og drikke uden at spilde mælken. Vi lærer disse færdigheder fra barndommen gennem øvelse. I starten kræver det en indsats at koordinere drikkingen af en kop mælk (se bare, hvordan et 1-årigt barn klarer at drikke af en kop). Til sidst bliver det ubesværet, fordi vi har øvet det så mange gange. Det samme princip gælder for andre hjernefunktioner, såsom at skrive, tegne og tale. Vi lærer at udføre disse komplekse funktioner uden problemer, selv under skiftende forhold. For eksempel kan vi skrive med en pen på et stykke papir og med en tusch på en tavle lige så let. Prøv det, så vil du måske bemærke, at din normale håndskrift forbliver ensartet mellem disse to meget forskellige opgaver.
Forestil dig nu, hvad der sker, når en person er lammet på grund af en rygmarvsskade. Hjernen kan planlægge bevægelser, men den kan ikke aktivere musklerne, fordi den er afbrudt fra armene. Med andre ord kan personen ikke omsætte sine tanker til handlinger. Det er her, BCI kommer til hjælp! Den første BCI-teknologi, der blev udviklet for ca. 30 år siden, gjorde det muligt for lammede patienter at styre en protese (figur 2) [2, 3]. I denne neurale protese oversatte computeren den elektriske aktivitet fra hjernens neuronale netværk til robotarmens bevægelser. Den lammede person tænker: “Jeg vil spise den chokoladebar, jeg ser foran mig”, og computeren (som modtager signaler fra hjernen) beordrer robotprotesen til at bringe chokoladebaren til personens mund (se her).
I 2021 blev der udviklet nye BCI’er, der kunne oversætte tanker til handlinger på nye, spændende måder. Disse BCI’er kan aflæse en persons neuronale aktivitet, mens vedkommende tænker på en sætning, og kan derefter vise sætningen på en skærm, som personen (og andre) kan læse (figur 3) [4]. Dette er spændende, fordi denne type BCI kan gøre det muligt for lammede mennesker at kommunikere deres tanker til andre (se her). For nylig har de samme forskere skabt en BCI, hvor computeren kan tale ud fra en persons tanker [5]! En anden gruppe tilføjede en cool twist til ideen ved at få computeren til at vise en avatar af en kvinde, der taler (se her).
De spændende fremskridt inden for BCI kan også hjælpe forskere med at forstå, hvordan hjernen koordinerer komplekse adfærdsmønstre, herunder perception, tanker og fantasi, gennem neuronernes aktivitet. BCI-eksperimenter har direkte påvist, at handlings-perceptions-loopene tilpasses ved at ændre forbindelserne i hjernens neuronale netværk. Dette fænomen har givet anledning til nye ideer om legemliggørelse (, hvor hjernen lærer at adoptere proteser og andre maskiner som en del af kroppen. Et interessant bevis for legemliggørelse blev illustreret ved et interview med en kvinde, der bruger BCI til at bevæge sin protesearm. Hun sagde: “Det var svært at nå dertil, men nu (efter at have lært det) tænker jeg simpelthen, som om jeg bevæger min egen hånd”.
BCI’er giver moderne videnskabelige og medicinske fordele og hjælper mennesker med at genvinde tabte hjernefunktioner. Selvom der er gjort betydelige fremskridt i løbet af de sidste 30 år, kræver BCI’er stadig forbedringer på flere områder. Teknologier som kunstig intelligens. og deep learning vil helt sikkert forbedre BCI’er. Et andet afgørende gennembrud for BCI’er er udviklingen af nye metoder til at registrere aktiviteten i tusindvis af neuroner uden at beskadige hjernevæv.
Sammenfattende kan man sige, at hjerne-computer-grænseflader allerede er ved at forandre folks liv ved at gendanne tabte evner og tilbyde nye måder at kommunikere på. I takt med at teknologien forbedres, kan BCI’er også hjælpe os med at afdække dybere hemmeligheder om, hvordan hjernen fungerer, og dermed åbne døren til fremtidige gennembrud inden for medicin, neurovidenskab og menneskets fantasi.
Neuroner og synapser: Neuroner er små celler i hjernen, der genererer elektriske signaler og kommunikerer via synapser – små strukturer, hvor beskeder sendes fra en neuron til en anden.
Neuronalt netværk: Et system af indbyrdes forbundne neuroner, der kommunikerer med hinanden. Et neuronalt netværk kan omfatte blot nogle få neuroner eller op til mange millioner.
Handlings-perceptionsloop: En kontinuerlig loop, hvor handlinger påvirker perceptionen, og perceptionen igen påvirker efterfølgende handlinger (se mere her).
Grænseflade: En grænseflade er det, du bruger til at interagere med noget andet, f.eks. knapperne på en tablet eller skærmen på en telefon, så du kan fortælle den, hvad den skal gøre.
En protese eller protetisk: Beskriver en kunstig anordning, der erstatter en manglende kropsdel.
Neural protese: En protese, der betjenes med neuronale signaler eller neuronale elektriske stimulationer.
Legemliggørelse: Legemliggørelse betyder, at vores kroppe og sind er forbundet, og at vores fysiske oplevelser hjælper os med at lære, føle og interagere med verden omkring os. I denne artikel argumenterer vi for, at BCI kan tillægge noget ikke-menneskeligt (f.eks. en protesearm) en personlig karakter.
Kunstig intelligens: Hardware- og softwaresystemer, der kan lære, ræsonnere, opfatte, træffe beslutninger, løse problemer og styre maskiner som robotter (se mere her).
Deep Learning: En måde, hvorpå computere lærer ved at bruge mange lag af forbundne enheder, ligesom hjernen gør, til at genkende mønstre, træffe beslutninger eller forstå ting som tale og billeder (se mere her).
[1] Vaadia, E., og Birbaumer, N. 2009. Store udfordringer for hjerne-computer-grænseflader i de kommende år. Front. Neurosci. 3:2009. doi: 10.3389/neuro.01.015.2009
[2] Nicolelis, M. A. L. 2001. Handlinger fra tanker. Nature 409:403–7. doi: 10.1038/35053191
[3] Collinger, J. N., Wodlinger, B., Downey, J. E., Wang, W., Tyler-Kabara, E. C., Weber, D.-J., et al. 2013. Højtydende neuroprotetisk kontrol af en person med tetraplegi. Lancet 381:557–64. doi: 10.1016/S0140-6736(12)61816-9
[4] Willett, F. R., Avansino, D. T., Hochberg, L. R., Henderson, J. M., og Shenoy, K. V. 2021. Højtydende hjerne-til-tekst-kommunikation via håndskrift. Nature 593:249–54. doi: 10.1038/s41586-021-03506-2
[5] Metzger, S. L., Littlejohn, K. T., Silva, A. B., Moses, D. A., Seaton, M. P., Wang, R., et al. 2023. En højtydende neuroprotese til taleafkodning og avatarstyring. Nature 20:1037–46. doi: 10.1038/s41586-023-06443-4
Mennesker har lavet musik i titusinder af år. Men hvad sker der i din hjerne, når du lytter til dit yndlingsband eller din yndlingsmusiker? I denne artikel følger du lydens rejse fra ørerne til hjernen, hvor forskellige områder arbejder sammen, mens du lytter til musik. Musik involverer mange hjernefunktioner, såsom lydbehandling, hukommelse, følelser og bevægelse. Du vil også opdage, at hjernen kan lære at genkende velkendte mønstre i musik, hvilket kan hjælpe med at forklare, hvorfor musik kan gøre os glade, triste eller endda ophidsede. Til sidst vil du udforske, hvad der sker i musikeres hjerner, når de spiller på deres instrumenter.
…
Kunstig intelligens (AI) systemer bliver ofte rost for deres imponerende præstationer inden for en lang række opgaver. Men mange af disse succeser skjuler et fælles problem: AI tager ofte genveje. I stedet for virkelig at lære, hvordan man udfører en opgave, bemærker den måske bare enkle mønstre i de eksempler, den har fået. For eksempel kan en AI, der er trænet til at genkende dyr på fotos, stole på baggrunden i stedet for selve dyret. Nogle gange kan disse genveje føre til alvorlige fejl, såsom en diagnose fr , der er baseret på hospitalsmærker i stedet for patientdata. Disse fejl opstår selv i avancerede systemer, der er trænet på millioner af eksempler. At forstå, hvordan og hvorfor AI tager genveje, kan hjælpe forskere med at designe bedre træningsmetoder og undgå skjulte fejl. For at gøre AI mere sikker og pålidelig skal vi hjælpe den med at udvikle en reel forståelse af opgaven – ikke bare gætte ud fra mønstre, der har fungeret tidligere.
…
Er du nogensinde faldet og slået hovedet, mens du legede? Følte du dig lidt svimmel og havde ondt i hovedet? Hvis ja, kan du have fået en hjernerystelse! Hjernerystelser kan ske hvor som helst. De kan ske under sport, når du leger med dine venner eller endda når du cykler med dine forældre. Det kan være svært at vide, om du har fået en hjernerystelse. Mange børn og forældre er ikke sikre på, hvad de skal gøre, hvis nogen får en hjernerystelse. Læger og forskere ved, at det hjælper dig med at komme dig hurtigere, hvis du gør det rigtige efter en hjernerystelse. Denne artikel forklarer, hvad en hjernerystelse er. Den hjælper dig med at se, om du eller en ven har fået en hjernerystelse, og fortæller dig, hvad du skal gøre, hvis du nogensinde får en hjernerystelse.
…
Hjertet er en meget vigtig muskel, der arbejder uafbrudt for at pumpe blod og levere vigtige næringsstoffer og ilt til alle dele af kroppen. Denne artikel ser på, hvordan hjertet fungerer normalt, og hvad der sker, når det fungerer unormalt, som det er tilfældet med en tilstand kaldet atrieflimren (AF). AF er en almindelig tilstand, der opstår, når hjertet slår uregelmæssigt og ude af takt. AF kan øge en persons risiko for at udvikle alvorlige problemer som hjertesvigt eller slagtilfælde. Denne artikel ser også på, hvordan AF kan diagnosticeres, hvad der forårsager AF, og de forskellige måder, det kan behandles på.
…