DARPA’s Next-Generation Nonsurgical Neurotechnology (N3) program has awarded funding to six groups attempting to build brain-machine interfaces that match the performance of implanted electrodes but with no surgery whatsoever.
By simply popping on a helmet or headset, soldiers could conceivably command control centers without touching a keyboard; fly drones intuitively with a thought; even feel intrusions into a secure network. While the tech sounds futuristic, DARPA wants to get it done in four years.
“It’s an aggressive timeline,” says Krishnan Thyagarajan, a research scientist at PARC and principal investigator of one of the N3-funded projects. “But I think the idea of any such program is to really challenge the community to push the limits and accelerate things which are already brewing. Yes, it’s challenging, but it’s not impossible.”
The N3 program fits right into DARPA’s high-risk, high-reward biomedical tech portfolio, including programs in electric medicine, brain implants and electrical brain training. And the U.S. defense R&D agency is throwing big money at the program: Though a DARPA spokesperson declined to comment on the amount of funding, two of the winning teams are reporting eye-popping grants of $19.48 million and $18 million.
Plenty of noninvasive neurotechnologies already exist, but not at the resolution necessary to yield high-performance wearable devices for national security applications, says N3 program manager Al Emondi of DARPA’s Biological Technologies Office.
Following a call for applications back in March, a review panel narrowed the pool to six teams across industry and academia, Emondi told IEEE Spectrum. The teams are experimenting with different combinations of magnetic fields, electric fields, acoustic fields (ultrasound) and light. “You can combine all these approaches in different, unique and novel ways,” says Emondi. What the program hopes to discover, he adds, is which combinations can record brain activity and communicate back to the brain with the greatest speed and resolution.
Specifically, the program is seeking technologies that can read and write to brain cells in just 50 milliseconds round-trip, and can interact with at least 16 locations in the brain at a resolution of 1 cubic millimeter (a space that encompasses thousands of neurons).
The four-year N3 program will consist of three phases, says Emondi. In the current phase 1, teams have one year to demonstrate the ability to read (record) and write to (stimulate) brain tissue through the skull. Teams that succeed will move to phase 2. Over the ensuing 18 months, those groups will have to develop working devices and test them on living animals. Any group left standing will proceed to phase 3—testing their device on humans.
Four of teams are developing totally noninvasive technologies. A team from Carnegie Mellon University, for example, is planning to use ultrasound waves to guide light into and out of the brain to detect neural activity. They plan to use interfering electrical fields to write to specific neurons.
The three other teams proposing non-invasive techniques include Johns Hopkins University’s Applied Physics Laboratory, Thyagarajan’s team at PARC, and a team from Teledyne Technologies, a California-based industrial company.
The two remaining teams are developing what DARPA calls “minutely invasive” technologies which, as we described in September, require no incisions or surgery but may involve technology that is swallowed, sniffed, injected or absorbed into the human body in some way.
Rice University, for example, is developing a system that requires exposing neurons to a viral vector to deliver instructions for synthetic proteins that indicate when a neuron is active. Ohio-based technology company Battelle is developing a brain-machine interface that relies on magnetoelectric nanoparticles injected into the brain.
“This is uncharted territory for DARPA, and the next step in brain-machine interfaces,” says Emondi. “If we’re successful in some of these technologies…that’s a whole new ecosystem that doesn’t exist right now.”
A version of this post appears in the July 2019 print issue as “Wanted: Hi-Res, Surgery-Free Brain Interfaces.”
وكالة مشاريع البحوث المتطورة الدفاعية (DARPA) تمول برنامج طموح للواجهات بين الدماغ والآلة
يهدف برنامج (N3) إلى تطوير أجهزة يمكن ارتداؤها تتيح للجنود التواصل مباشرة مع الأجهزة.
منح برنامج الجيل الجديد من التكنولوجيا العصبية غير الجراحية (N3) الخاص بوكالة مشاريع البحوث المتطورة الدفاعية (داربا – DARPA) تمويلا لستة مجموعات تحاول بناء واجهات بين الدماغ والآلة ، تتناسب مع أداء الأقطاب الكهربائية المزروعة دون جراحة على الإطلاق.
فيمكن للجنود قيادة مراكز التحكم دون لمس لوحة مفاتيح بمجرد ظهورهم على خوذة أو سماعة رأس؛ ويمكن تحرك طائرات بدون طيار بمجرد التفكير. حتى الشعور بالتطفل في شبكة آمنة في حين أن التكنولوجيا تبدو مستقبلية، داربا بدورها ترغب في إنجازها في غضون أربعة سنوات.
يقول كريشنان ثياجاراجان، وهو عالم في مركز البحوث الزراعية والباحث الرئيسي في أحد المشاريع الممولة من(N3) :”إنه جدول زمني عدواني، لكنني أعتقد أن فكرة أي برنامج من هذا القبيل هي تحدي المجتمع حقا لدفع الحدود و تسريع الأشياء التي تختمر ،نعم إنه تحدٍ، لكنه ليس مستحيلا “.
يتناسب برنامج (N3) مع التكنولوجيا الطبية الحيوية عالية المخاطر وعالية الكفاءة من داربا؛ بما في ذلك برامج في الطب الكهربائي، زراعة الدماغ، وتدريب الدماغ الكهربائي. وتقوم وكالة البحث والتطوير التابعة لوزارة لدفاع الأمريكية بدعم البرنامج بمبالغ ضخمة، على الرغم من أن المتحدث الرسمي باسم داربا رفض التعليق على مبلغ التمويل، فإن اثنين من الفرق الفائزة قد بلّغت عن منح مثيرة للإعجاب بقيمة 19.48$ مليون دولار و 18$ مليون دولار.
يوجد بالفعل الكثير من التقنيات العصبية غير الموسعة، ولكن ليس بالتصميم اللازم لإنتاج أجهزة عالية الأداء يمكن ارتداؤها لتطبيقات الأمن القومي، كما قال مدير برنامج (N3) آل ايموندي مسؤول مكتب التقنيات البيولوجية في داربا.
بعد دعوة لتقديم الطلبات مرة أخرى في شهر مارس، قد صرَح ايموندي لمجلة (IEEE Spectrum) أن لجنة المراجعة قد خلُصت إلى ستة أفرقة من القطاع الصناعي والأوساط الأكاديمية. تقوم الفرق بتجربة مجموعات مختلفة من المجالات المغناطيسية والحقول الكهربائية والحقول الصوتية (الموجات فوق الصوتية) والضوء.
“يمكن دمج كل هذه الأساليب بطرق مختلفة وفريدة من نوعها” يقول ايموندي. ويضيف، أن ما يأمله البرنامج في اكتشافه هو التركيبة التي يمكنها تسجيل نشاط الدماغ والتواصل معه بأقصى سرعة ودقة.
على وجه التحديد، يبحث البرنامج عن تقنيات يمكنها القراءة والكتابة من وإلى خلايا الدماغ في رحلة ذهاب وإياب تستغرق 50 مللي ثانية فقط، ويمكن أن تتفاعل مع 16 موقع على الأقل في المخ بدقة 1 ملليمتر مكعب – مساحة تضم آلاف الخلايا العصبية.
يتكون برنامج (N3) والذي مدته أربع سنوات من ثلاثة مراحل، حسب قول ايموندي. في المرحلة الأولى والحالية، لدى الفرق سنة واحدة لإظهار القدرة على قراءة وكتابة (تسجيل) أنسجة المخ من خلال الجمجمة. ستنتقل الفرق الناجحة إلى المرحلة الثانية. خلال الأشهر الـ 18 التالية سيعين على هذه المجموعات تطوير أجهزة عمل واختبارها على الحيوانات الحية. ستنتقل أي مجموعة تركت أثر إيجابي إلى المرحلة الثالثة؛ وهي اختبار أجهزتها على البشر.
أربعة من الأفرقة تعمل على تطوير تقنيات غير موسعة تماما. على سبيل المثال، يخطط فريق جامعة كارنيغي ميلون لاستخدات موجات فوق الصوتية لتوجيه الضوء لداخل وخارج الدماغ لاكتشاف النشاط العصبي. عبر تدخل الحقول الكهربائية للكتابة إلى خلايا عصبية محددة.
الفرق الثلاثة الأخرى تقترح تقنيات غير توسّعية وتتضمن؛ فريق مختبر الفيزياء التطبيقية بجامعة جونز هوبكينز، وفريق ثياجاراجان من مركز البحوث الزراعية (PARC)، وفريق تيليدين تكنولوجيز (Teledyne Technologies) وهي شركة صناعية تتخذ من كاليفورنيا مقرًا لها.
يعمل الفريقان المتبقيان على تطوير ما تطلق عليه داربا “توسّعي بالتفصيل” وهي تقنيات – حسب ما شُرح في شهر سبتمبر- لا تتطلب أي جراحة و قد تنطوي على تقنية يتم ابتلاعها أو استنشاقها أو حقنها أو امتصاصها في جسم الإنسان بطريقة ما.
تقوم جامعة رايس، على سبيل المثال، بتطوير نظام يتطلب تعريض لخلايا العصبية إلى ناقل فايروسي لتقديم تعليمات لبروتينات الاصطناعية التي تشير إلى متى تكون الخلية العصبية نشطة. شركة باتيل (Battelle) التكنولوجية و مقرها اوهايو تعمل على تطوير تطوير واجهة بين الدماغ والآلة تعتمد على الجسيمات النانوية الكهربائية المغناطيسية التي تحقن في الدماغ.
“هذه منطقة مجهولة بالنسبة لداربا، والخطوة التالية في الواجهات بين الدماغ والآلة” يقول ايموندي. “إذا نجحنا في بعض هذه التقنيات … فهذا نظام بيئي جديد بالكامل لا وجود له في الوقت الحالي”.
