Vědci dosáhli průlomu v technologii rozhraní mozek-počítač

BrainGate výzkumníci nedávno dosáhli významného průlomu v oblasti rozhraní mozek-počítač (BCI) poté, co účastníci klinických studií s tetraplegií prokázali použití intrakortikálního bezdrátového BCI s externím bezdrátovým přenosičem. Jednalo se o první případ, kdy byl takový systém použit, a je schopen přenášet signály mozkové činnosti v rozlišení jednotlivých neuronů.

Výzkum byl zveřejněn v IEEE Transactions on Biomedical Engineering minulý měsíc.

Systém také přenáší v plné širokopásmové věrnosti a nemusí fyzicky spojit uživatele s dekodovacím systémem. Místo tradičních kabelů systém využívá 2-palcový přenosič, který váží jen přes 1,5 uncí. Tato jednotka se umístí na vrchol hlavy uživatele a spojuje se s elektrodovou matricí v motorické kůře mozku, a to prostřednictvím stejného portu, který používají drátové systémy.

Studie zahrnovala dva účastníky klinických studií, kteří trpí paralýzou, a kteří použili systém BrainGate s bezdrátovým přenosičem. Díky bezdrátovému přenosiči mohli ukazovat, klikat a psát na standardním tabletu.

Studie prokázala, že bezdrátový systém je schopen přenášet signály se stejnou věrností jako drátové systémy.

John Simeral je asistent profesora inženýrství na Brownově univerzitě. Je vedoucím autorem studie a členem výzkumného konsorcia BrainGate.

“Prokázali jsme, že tento bezdrátový systém je funkčně ekvivalentní drátovým systémům, které byly po léta zlatým standardem pro výkon BCI,” řekl Simeral. “Signály jsou zaznamenávány a přenášeny se stejně podobnou věrností, což znamená, že můžeme použít stejné dekodovací algoritmy, které jsme používali s drátovým vybavením. Jediný rozdíl je v tom, že lidé již nemusí být fyzicky spojeni s naším vybavením, což otevírá nové možnosti, jak systém lze použít.”

Podle výzkumníků nový průlom přibližuje plně implantovatelnému intrakortikálnímu systému, který může poskytnout zraněným jedincům schopnost pohybu. Nový vývoj je prvním zařízením, které přenáší plný spektrum signálů zaznamenaných intrakortikálním senzorem.

Výsledky studie

Studie zahrnovala 35letého muže a 63letého muže, kteří trpí poraněním míchy. Mohli použít systém doma místo v laboratoři díky absenci kabelů a mohli ho používat až 24 hodin. Tato dlouhá doba umožnila výzkumníkům shromáždit dlouhodobá data.

Leigh Hochberg je profesor inženýrství na Brownově univerzitě a výzkumník v Carneyově institutu pro vědu o mozku. Hochberg vedl klinickou studii BrainGate.

“Chceme pochopit, jak se neuronové signály vyvíjejí v čase,” řekl Hochberg. “S tímto systémem jsme schopni sledovat mozkovou aktivitu, doma, po dlouhou dobu, způsobem, který byl dříve téměř nemožný. To nám pomůže navrhnout dekodovací algoritmy, které poskytnou bezproblémové, intuitivní a spolehlivé obnovení komunikace a mobility pro lidi s paralýzou.”

Konsorcium BrainGate

Konsorcium BrainGate je mezioborová skupina výzkumníků z Brownovy, Stanfordské a Case Western Reserve univerzity. Zahrnuje také jednotlivce z Providence Veterans Affairs Medical Center a Massachusetts General Hospital.

Tým zveřejnil výzkum v roce 2012, který prokázal, jak účastníci klinických studií mohli ovládat multidimenzionální robotické protézy pomocí BCI poprvé.

Sharlene Flesher je spoluautorka a bývalá postdoktorandka na Stanfordské univerzitě. Flesher nyní pracuje jako hardwarový inženýr v Apple.

“Evoluce intrakortikálních BCI z požadavku drátového kabelu na použití miniaturizovaného bezdrátového přenosiče je významným krokem směrem k funkčnímu použití plně implantovatelných, vysokovýkonných neuronových rozhraní,” řekla Flesher. “Jak se oblast směřuje k redukci přenášeného pásma při zachování přesnosti ovládání pomocných zařízení, tato studie může být jednou z mála, která zachytí plnou šíři kortikálních signálů po dlouhou dobu, včetně během praktického použití BCI.”

Tým BrainGate mohl pokračovat ve výzkumu během pandemie COVID-19, protože zařízení je bezdrátové a lze jej používat doma bez technika.

Hochberg je také kritický neurolog v Massachusetts General Hospital a ředitel V.A. Rehabilitation Research and Development Center for Neurorestoration and Neurotechnology.

“V březnu 2020 bylo jasné, že nebudeme moci navštívit domovy našich účastníků výzkumu,” řekl Hochberg. “Ale tím, že jsme naučili pečovatele, jak navázat bezdrátové spojení, mohl účastník studie použít BCI bez fyzické přítomnosti našeho týmu. Takže nejenom, že jsme mohli pokračovat ve výzkumu, ale tato technologie nám umožnila pokračovat v plné šíři a věrnosti, kterou jsme měli předtím.”

Podle Simerala, “Několik společností vstoupilo do oblasti BCI a některé již prokázaly použití low-bandwidth bezdrátových systémů, včetně těch, které jsou plně implantovány. V této zprávě jsme rádi, že jsme použili high-bandwidth bezdrátový systém, který rozšiřuje vědecké a klinické schopnosti pro budoucí systémy.”