DOW-UAP-D130, AAWSAP DIRD, גישות טכנולוגיות לשליטה בהתקנים חיצוניים, מרץ 2010

מסמך זה, "גישות טכנולוגיות לשליטה בהתקנים חיצוניים בהיעדר ממשקים המופעלים בגפיים", הוא דו"ח סקירה טכני בן כ-30 עמודים מסדרת מסמכי ה-DIRD של סוכנות המודיעין הביטחוני (DIA), שהוכן במסגרת תוכנית AAWSAP. הוא סוקר את מצב המחקר בממשקי מוח-מכונה (BMI): טכנולוגיות שאמורות לאפשר לאדם להפעיל מכונה במחשבה, בלי עכבר, מקלדת או ידית. הדו"ח בוחן שיטות לא-פולשניות ופולשניות, מעריך לוחות זמנים לשימוש מעשי, ומסיים בהמלצה אילו שני כיווני מחקר ראוי לעקוב אחריהם בטווח הקרוב ובטווח הרחוק.

רקע

לפי עמוד השער, הדו"ח הוכן בידי אגף תמיכת הרכש (DWO-3) של משרד ההתרעה הביטחוני (Defense Warning Office) במנהלת הניתוח של ה-DIA. שם המחבר הוחלף בכינוי "AAP Person 73", ושם מנהל התוכנית, שאליו יש להפנות שאלות, הוחלף בכינוי "AAP Person 1". ההערה המנהלית מציינת שזהו אחד מסדרת דו"חות על טכנולוגיות מתקדמות שהופקו בשנת הכספים 2009 במסגרת התוכנית, המכונה במסמך עצמו AAWSA Program, ושאסור להפיץ הלאה את התצלומים שבו בשל זכויות יוצרים.

מסמכי DIRD (Defense Intelligence Reference Document) הם מסמכי עזר שנועדו לרכז ידע בסיסי בנושא מסוים, ולא מחקר מקורי. מסמך זה אינו עוסק בעב"מים או בתופעות אוויריות לא מזוהות כלל; הוא סקירת ספרות מדעית בתחום מדעי המוח וההנדסה הביו-רפואית, המבוססת על 60 מקורות שפורטו ברשימה בסופו, רובם מאמרים מכתבי עת שפורסמו עד 2009.

מה כתוב במסמך

מבוא ויעדי הסקירה

המבוא מציב את המטרה: הפעלה מחשבתית של מכונות מרוחקות "במהלך פעילות אנושית רגילה", כלומר בלי להיכנס לחדר מבודד, בלי לשבת ללא תנועה כדי לצמצם רעש באות, ובלי מכשיר כף יד כמו "i-Phone". הדו"ח מגדיר שני ספי ביצוע: קצב העברת מידע של יותר מ-5-10 ביטים לשנייה, שאותו הוא מכנה BMI ברוחב פס גבוה, וזמן תגובה של 300 מילישניות לכל היותר לבחירת פקודה אחת מתוך כמה אפשרויות. כבר במבוא מוצגת המסקנה: בטווח הקרוב, ניטור חשמלי לא-פולשני של פעילות משולבת של שרירים ונוירונים הוא הטכנולוגיה המסחרית המבטיחה ביותר; בטווח הרחוק, בעיקר בדרך של שלילת החלופות, הכיוון הסביר הוא חיבור פולשני ישיר לקליפת המוח ברמת נוירון בודד.

אותות עצביים ישירים ועקיפים

הפרק הראשון מסביר את מבנה הנוירון ואת אופן העברת הדחף העצבי, בעזרת דימוי של גל העובר לאורך צינור גינה, ומשווה אותו להולכה בחוט נחושת, שבו האות מתקדם כגל דחיסה, כמו גולות הנדחפות בתוך צינור. לפי הדו"ח, מעגלים מתכתיים מהירים פי מיליון בערך מהמערכת הביולוגית, והפער הזה בין נושאי האות הוא שמנע עד כה חיבור ישיר בין שתי המערכות. פוטנציאל פעולה נמשך 1-10 מילישניות, וקצב הירי המרבי של נוירון הוא בין 100 הרץ ל-1 קילוהרץ, ולכן דגימה בקצב של כמה קילוהרץ מספיקה. לפי המסמך, אין עדות לכך שתדרים מעל 100 קילוהרץ מועילים, והאתגר האמיתי הוא נקודת המגע.

הדו"ח מתאר את קליפת המוח החדשה (neocortex), שעוביה כ-2.5 מ"מ ובה שש שכבות, ואת אות ה-P300: פולס מתח חיובי מקבוצה גדולה של נוירונים, המופיע כ-300 מילישניות אחרי גירוי, ומושפע מתפקודים ניהוליים ולכן מועמד לממשק שניתן לאמן. לאחר מכן מוסבר אפקט BOLD: שינוי היחס בין המוגלובין מחומצן ללא מחומצן באזור פעיל במוח, הניתן למדידה ב-MRI או בספקטרוסקופיה באינפרה-אדום קרוב (NIRS). המגבלה המרכזית שהדו"ח מדגיש היא שתגובה זו מגיעה לשיאה כ-4-6 שניות אחרי האירוע.

שליטה בהתקנים חיצוניים

הפרק מבחין בין מערכות בחוג פתוח, שבהן יש רק קריאה או רק גירוי, לבין מערכות בחוג סגור, הכוללות גם ערוץ משוב, ומציג תרשים של רכיבי מערכת סגורה. הדו"ח שואל אם יש בכלל טעם בממשק כזה לאדם בריא, שהרי תנועת יד פשוטה יעילה יותר, ומשיב שהחריג הוא מצב שבו הידיים והרגליים כבר עסוקות במשימות חיוניות אחרות. לשם השוואה הוא מביא קצבי העברת מידע: הצבעה באצבע כ-14 ביטים לשנייה, עכבר כ-8, והקשה בעט על מקלדת וירטואלית במחשב כף יד כ-5. עוד הוא מציין את המגבלה הקוגניטיבית של פיקוח על כמה כלים אוטונומיים למחצה בו בזמן, ומעלה אפשרות ארוכת טווח לשימוש ברשתות מוחיות שאינן דורשות פיקוח מודע, כמו אלה המפעילות נגינה בכלי או אמנויות לחימה, בהסתמך על מחקר שבו מטופל בפגיעת חוט שדרה הראה פעילות שונה במוח הקטן לאחר אימון.

טכנולוגיות לא-פולשניות

• EEG: מתואר כשיטה העיקרית והוותיקה ביותר, שתוארה לראשונה ב-1929. הדו"ח מביא מערכת של Blankertz שדרשה 20 דקות אימון בלבד, ומחקרים בחולי ALS "כלואים" שבהם הושגה תקשורת, אך בזמן תגובה של שניות. לגבי מוצרים מסחריים עם אלקטרודות יבשות (Neurosky, OCZ Technology, Emotiv), הדו"ח מעיר שלשתי הראשונות אין ספרות מבוקרת התומכת בטענותיהן, ושחלקן מדברות על שימוש בתנועות שרירי הפנים, "מה שמעורר ספק אם נמדדים בכלל אותות עצביים". מנגד, במחקר מבוקר של Popescu ועמיתיו שש אלקטרודות יבשות הגיעו לדיוק של 90 אחוז בהזזת סמן חד-ממדי, והגדלה ל-12 אלקטרודות עשויה להוריד את שיעור השגיאה לכ-5 אחוז.
• MEG: הוכח כאפשרי להחלטות בינאריות, אך שדות מגנטיים של כ-100 פמטוטסלה קטנים בערך פי 100 מיליון משדה כדור הארץ, ולכן לפי הדו"ח מדובר במחסום "בלתי עביר" מחוץ לסביבה ממוגנת היטב. הדו"ח מציין שבסביבה חללית, עם קור ואקום זמינים, תקורת הציוד תקטן, אך חולשת האות תישאר.
• EMG: שימוש בשרירים כ"מגבר ביולוגי" של האות העצבי. לפי הדו"ח, מערכת כזו יכולה להיות קלה ואלחוטית ו"לשחרר טייס מתא הטייס", ומחקר עדכני הראה 1-2 ביטים לשנייה באימון מינימלי, פי ארבעה בערך מחיישן EEG מצחי.
• MRI ו-fMRI: הסבר מפורט על עקרון התהודה המגנטית (42.6 מגה-הרץ לטסלה, 128 מגה-הרץ ב-3 טסלה) ועל סריקה תפקודית של כל המוח ברזולוציה של 3 מ"מ מעוקב בשתי שניות. היתרון: רזולוציה מרחבית ויכולת לזהות פעילות במערכת הלימבית; החיסרון: העיכוב של כמה שניות. הדו"ח מעריך ששילוב MRI בשדה נמוך עם MEG עשוי לאפשר זיהוי ירי עצבי עמוק במוח בטווח של 20 עד 40 שנה.
• NIRS: תואם את אות ה-fMRI אך ברזולוציה נמוכה, ובניסוי של החלטה בודדת הגיע לדיוק של 80 אחוז בלבד.

טכנולוגיות פולשניות

הדו"ח פותח בשתל השבלול, שמתפתח יותר מ-30 שנה, כולל 22 אלקטרודות, ומשמש לפי הערכה שמובאת בו כ-100,000 משתמשים בעולם. לאחר מכן הוא מתאר מערכים קורטיקליים ישירים, הנשתלים על פני המוח ונבדקים בדיעבד כדי לקבוע איזו אלקטרודה תשמש לקלט ואיזו לפלט, ואלקטרודות חודרות בצורת "סולם" הגורמות לעתים קרובות להצטלקות. רוב הניסויים נעשו בבעלי חיים.

• ניסויים בחוג פתוח: קופים שאומנו לפני השתלה שלטו בסמן דו-ממדי, אך בניסוי של Kim ועמיתיו לא נמצא מודל ליניארי שמקשר את הפעילות העצבית לתנועה כשהובאה בחשבון ההתנגדות לתנועה. הדו"ח מסביר שקשה לפענח אות לשליטה במכשיר שהמוח מעולם לא הפעיל, ונותן כדוגמה "מערכת ייצוב של רקטה ב-12 כיוונים" (דחף לשני הכיוונים בכל אחד משלושת הצירים, והגברה או החלשה של גלגול, עלרוד וסבסוב).
• חוג סגור עם משוב חזותי: ניסוי שבו פעילות מוחו של קוף ההולך על הליכון באוניברסיטת דיוק הועברה בזמן אמת למעבדה ביפן, והרובוט ההומנואידי CB-i חיקה את תנועות ההליכה בזמן שהקוף צפה בו בווידאו.
• MEMS, ECoG ו-PSoC: לפי הדו"ח, שיטות EEG מוגבלות ל-20-30 ביטים לדקה, פחות מחצי ביט לשנייה, ולכן עברו לרישום ECoG על פני קליפת המוח, המוכר מניטור חולי אפילפסיה לפני ניתוח. הדו"ח מתאר את "הנוירוצ'יפ" של Fetz ועמיתיו (2006): מכשיר אוטונומי המופעל בסוללת ליתיום, ארוז במעטפת טיטניום על גולגולת קוף, ששקל 56 גרם בלבד, קלט אותות מ-12 אלקטרודות מיקרו-תיל בקליפה המוטורית ורשם במקביל פעילות שרירים באמה.
• שתלים כרוניים ו-fMRI: מחקר של Parikh ועמיתיו מצא שהשכבות התחתונות של קליפת המוח המוטורית מקודדות מידע כיווני טוב יותר מהעליונות. הדו"ח מתאר את ההליך: חור בקוטר 2 מ"מ בגולגולת, הסרת קרום המוח, החדרה ידנית בפינצטה, וקיבוע בספוג ובאקריליק דנטלי.
• עיצובי אלקטרודות חדשים: אלקטרודות "מישיגן" מסיליקון, המוצגות על גב מטבע של סנט אחד, ומערך מיקרו-תיל שתוכנן לעמוד בסריקות MRI. בניסוי בחולדות נרשמה פעילות ב-16 אלקטרודות (ארבע בכל בעל חיים) במשך שישה שבועות, מתוכן 12 רשמו פעילות עצבית מובחנת לפני החשיפה ל-MRI, ולא נמצא הבדל מובהק ברקמה בין חצי המוח המושתל לחצי שאינו מושתל.
• מערכות היברידיות של נוירונים ורובוט: גזע מוחו של צלופח מנוף (lamprey) חובר לרובוט נייד מסוג Khepera, כך שאור שקלטו שני חיישני הרובוט הפך לגירוי חשמלי, וקצב הירי של הנוירונים קבע את מהירות הגלגלים. בניסוי אחר, פעילות נוירונים של צלופח שוחה סובבה את המשטח שעליו היה מונח, והצלופח הצליח לייצב את המערכת. לפי הדו"ח, התוצאות מרמזות שחיבורים למוח הקטן ביונקים עשויים לספק נקודות ממשק גמישות.
• ניסויים בבני אדם: הדו"ח מציין את הדילמה האתית, ומביא את ינס נאומן (Jans Naumann, כך במסמך), מקבל מערכת ראייה מלאכותית של מכון דובל, ההליך בוצע בליסבון כדי לעקוף איסורים בארצות הברית, שלפי הדו"ח מודה שלא הבין את הסיכונים ושוקל להסיר את השתלים. מנגד, חולי אפילפסיה שמושתלים להם מערכי ECoG ממילא שימשו למחקרים: פענוח פונמות באנגלית, ושליטה בסמן אצל חמישה מטופלים, בזמן של 1-2 שניות למטרה ובדיוק של עד 75 אחוז, אחרי פחות מ-30 דקות אימון. בפגיעות חוט שדרה מוזכרים מחקר מטורונטו על אחיזה ומחקר של Hochberg על סמן דו-ממדי, איטי בשניות מעכבר גם אחרי 90 יום אימון. אצל קטועי גפיים, ניתוב עצבים לשרירים קיימים איפשר לבחור תנועה אחת מתוך 10 בפחות מ-170 מילישניות. לבסוף מתואר נסיין בריא שחקר את עצמו ב-2002, עם שתל בעצב המדיאני של היד השמאלית שפעל שלושה חודשים, ללא נזק ארוך טווח לפי הבדיקות.
• גירוי אופטי: הפעלת נוירונים באור באמצעות נורת LED מקומית או סיב אופטי, בלי מגע פיזי ובלי צלקות, עם תוצאות טרום-קליניות בראייה מלאכותית ברקמת מוח של חולדות.

דיון והערכת כיווני מחקר

הדיון קובע שכל ממשק מוח-מכונה נשען על שלושה יסודות: גמישות המוח באמצעות אימון, פענוח בלמידת מכונה, וידע מדעי במדעי המוח. הוא מזכיר דרך חלופית, פיקוד ברמה גבוהה כמו לומר לכיסא גלגלים "פנה שמאלה" או "עצור", אך מבהיר שהסקירה מתמקדת בניצול הגמישות העצבית ולא בבינה מלאכותית.

לאחר מכן מוערכים חמישה תחומים:
- התקנים חשמליים לא-פולשניים: מבוססי EMG, מובילים בזכות השקעה מסחרית, ו"שוק המשחקים יוביל את הטכנולוגיה הזו בחמש השנים הבאות". מכשירי EEG בלבד לאנשים בריאים אינם צפויים בחמש השנים הקרובות, בשל רעשי שרירים, וקצבם מוגבל לביט אחד לשנייה או פחות. סימן לפריצת דרך יהיה זיהוי אות לא-פולשני מקבוצה של פחות מ-10,000 נוירונים.
- התקנים לא-פולשניים מבוססי BOLD: NIRS כבר נוסה בנהיגה, וייתכן שיהיה לביש בטווח הבינוני עד הרחוק, אך העיכוב הפיזיולוגי מגביל אותו. כפריצת דרך אפשרית מוזכרת שיטת Inverse MRI, הקולטת 100 תמונות בשנייה לפרוסה בודדת.
- התקנים מגנטיים: דורשים מיגון נייד שיחליש את הרקע בכמעט 10 סדרי גודל, אולי בעזרת מוליכי-על בטמפרטורת הגוף.
- טכנולוגיות פולשניות: אם 30 שנות הפיתוח של שתל השבלול הן מדד, הדרך של אלקטרודות קרובות לנוירון רחוקה 30-40 שנה. שני כיוונים מבטיחים: גירוי אופטי, שעשוי לספק ערוץ דו-כיווני ללא מגע, וגידול רקמה עצבית מחוץ לגוף על גבי מערכי אלקטרודות, שעשוי לאפשר חיבור למוח הקטן ו"להפוך את ההתקן הנשלט לחלק מהגוף מבחינת המוח".
- שבבים, סולמות ומערכים מושתלים: יישארו כלי מחקר, ולא יהיו הטכנולוגיה המובילה לאנשים בריאים עד שיפותח חיבור דו-כיווני אמין לנוירונים בודדים.

מסקנות

המסקנות חוזרות על שני הכיוונים: בטווח הקרוב, חיישנים חשמליים יבשים, מעטים, המבוססים בעיקר על EMG, שעשויים לעקוף בתוך חמש שנים את יכולת ההעברה של ממשקים אלקטרו-מכניים רגילים; בטווח הרחוק, תקשורת דו-כיוונית פולשנית ברוחב פס של 5-20 ביטים לשנייה עם נוירונים בודדים בקליפת המוח או במוח הקטן. הדו"ח ממליץ לעקוב באופן קבוע אחר התחום ואחר תחומי הגמישות העצבית, פענוח האות ומדעי המוח הבסיסיים.

פרטים בולטים

• היעד שהוגדר: יותר מ-5-10 ביטים לשנייה, ותגובה של עד 300 מילישניות לבחירת פקודה.
• לפי הדו"ח, אות מגנטי של המוח חלש פי 100 מיליון בערך משדה כדור הארץ.
• הנוירוצ'יפ של Fetz שנשתל בקוף שקל 56 גרם בלבד, כולל סוללה.
• הדו"ח מטיל ספק בכך שחלק מאוזניות ה-EEG המסחריות של 2009 מודדות אותות עצביים בכלל.
• רובוט ביפן חיקה בזמן אמת את הליכתו של קוף בארצות הברית.
• גזע מוח של צלופח מנוף הפעיל את גלגלי רובוט בתגובה לאור.
• הערכת הדו"ח: חיבור אלקטרודות קרוב לנוירון לשימוש מעשי רחוק 30-40 שנה, ושוק המשחקים יוביל את החיישנים הלא-פולשניים.
• EMG מוצג כאמצעי שעשוי "לשחרר טייס מתא הטייס", אחד הרמזים הבודדים במסמך לשימוש צבאי.

מה לא נמצא במסמך

• שם המחבר ושם מנהל התוכנית הוחלפו בכינויים "AAP Person 73" ו-"AAP Person 1"; כתובת הפנייה נקטעה בעמוד השער.
• המסמך אינו נוקב בתאריך מדויק. ההערה המנהלית מייחסת אותו לשנת הכספים 2009, והאתרים המצוטטים נבדקו לאחרונה ב-12 במאי 2009; התאריך 23 במרץ 2010 והמיקום לאס וגאס מופיעים רק בנתוני הקטלוג באתר war.gov.
• התרשימים מופיעים ב-OCR כשברי טקסט בלבד, ותצלומי המכשירים אינם ניתנים לקריאה; רשימת התרשימים בתחילת המסמך חלקית ולא לפי הסדר.
• בפרק על הצלופח מופנים מחקרי Mussa-Ivaldi ו-Deliagina למקורות 28-30, אך ברשימת המקורות אלה מאמרים אחרים (על EEG ו-MEG); נראה שההפניות שגויות בגוף המסמך.
• המסמך אינו קושר את הנושא לתופעות אוויריות לא מזוהות או למערכות תעופה וחלל, ואינו מסביר מדוע נכלל בתוכנית.

מונחים

• BMI: ממשק מוח-מכונה.
• EEG, MEG, EMG: רישום חשמלי של פעילות המוח מהקרקפת, רישום השדות המגנטיים שלה, ורישום פעילות שרירים.
• fMRI, NIRS: הדמיה תפקודית בתהודה מגנטית וספקטרוסקופיה באינפרה-אדום קרוב, שתיהן מודדות את אפקט BOLD (תלות ברמת החמצן בדם).
• ECoG: רישום חשמלי ישירות מפני קליפת המוח, מתחת לגולגולת.
• MEMS, PSoC: מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות, ומערכת על שבב ניתנת לתכנות.
• SQUID: גלאי שדה מגנטי מוליך-על, הפועל בטמפרטורות נמוכות מאוד.
• DIRD: מסמך עזר מודיעיני ביטחוני של ה-DIA.