Forskere gør gennembrud i hjernen-computer-grænseflade-teknologi

BrainGate-forskere har nyligt gjort et større gennembrud inden for området for hjernen-computer-grænseflader (BCI) efter, at kliniske forsøgspersoner med tetraplegi har demonstreret brug af en intracortikal trådløs BCI med en ekstern trådløs transmitter. Det var første gang, sådan et system blev brugt, og det er i stand til at transmittere hjernesignaler med enkelt-neuron opløsning.

Forskningen blev offentliggjort i IEEE Transactions on Biomedical Engineering sidste måned.

Systemet transmitterer også i fuld bredbånds-trofasthed og har ikke brug for at fysisk forbinde brugeren til et afkodningssystem. I stedet for de traditionelle kabler afhænger systemet af en 2-tommer transmitter, der vejer kun over 1,5 ounces. Denne enhed placeres på toppen af en brugers hoved og forbindes til en elektrode-array, der er i hjernens motorcortex, og det gør den via samme port, som de kabelforsynede systemer bruger.

Studiet omfattede to kliniske forsøgspersoner, der har lammelse, og de brugte BrainGate-systemet med en trådløs transmitter. Gennem den trådløse transmitter kunne de pege, klikke og skrive på en standard tablet-computer.

Studiet viste, at det trådløse system er i stand til at transmittere signaler med samme trofasthed som kabelforsynede systemer.

John Simeral er adjunkt i ingeniørvidenskab på Brown University. Han er hovedforfatter på studiet og medlem af BrainGate-forskningskonsortiet.

“Vi har demonstreret, at dette trådløse system er funktionelt ækvivalent til de kabelforsynede systemer, der har været guldstandarden i BCI-ydelse i år,” sagde Simeral. “Signalerne bliver optaget og transmitteret med tilsvarende trofasthed, hvilket betyder, at vi kan bruge de samme afkodningsalgoritmer, vi brugte med kabelforsynet udstyr. Den eneste forskel er, at mennesker ikke længere behøver at være fysisk forbundet til vores udstyr, hvilket åbner op for nye muligheder for, hvordan systemet kan bruges.”

Ifølge forskerne bringer det nye gennembrud os tættere på et fuldt implantabelt intracorticalt system, der kan give sårede individer mulighed for at genoprette evnen til at bevæge sig. Den nye udvikling er den første enhed, der transmitterer det fulde spektrum af signaler, der bliver optaget af en intracortical sensor.

Studiets Resultater

Forsøget omfattede en 35-årig mand og en 63-årig mand, der begge lider af rygmarvsskader. De kunne bruge systemet hjemme i stedet for på laboratoriet på grund af manglen på kabler, og de kunne også bruge det i op til 24 timer. Denne lange periode gjorde det muligt for forskerne at indsamle langvarige data.

Leigh Hochberg er professor i ingeniørvidenskab på Brown og forsker på Brown’s Carney Institute for Brain Science. Hochberg ledede BrainGate-kliniske forsøg.

“Vi vil forstå, hvordan neurale signaler udvikler sig over tid,” sagde Hochberg. “Med dette system kan vi se på hjernens aktivitet hjemme over lange perioder på en måde, der var næsten umulig før. Dette vil hjælpe os med at designe afkodningsalgoritmer, der giver en problemfri, intuitiv og pålidelig genoprettelse af kommunikation og mobilitet for mennesker med lammelse.”

BrainGate Konsortiet

BrainGate-konsortiet er en tværfaglig gruppe af forskere fra Brown, Stanford og Case Western Reserve universiteter. Det omfatter også personer fra Providence Veterans Affairs Medicinske Center og Massachusetts General Hospital.

Holdet offentliggjorde forskning i 2012, der viste, hvordan kliniske forsøgspersoner kunne operere multidimensionale robotproteser ved hjælp af en BCI for første gang. Siden da har gruppen kontinuerligt forfinet systemet og opnået nye gennembrud.

Sharlene Flesher er medforfatter og tidligere postdoc-stipendiat på Stanford. Flesher arbejder nu som hardware-ingeniør på Apple.

“Udviklingen af intracortical BCI’er fra at kræve en wirekabel til i stedet at bruge en miniature-trådløs transmitter er et større skridt mod funktionel brug af fuldt implantable, højtydende neurale grænseflader,” sagde Flesher. “Da feltet bevæger sig mod at reducere transmitteret båndbredde, mens man bevarende nøjagtigheden af assistive enhedsstyring, kan denne studie være en af de få, der fanger det fulde omfang af corticale signaler over lange perioder, herunder under praktisk BCI-brug.”

BrainGate-holdet har kunnet fortsætte arbejdet under COVID-19-pandemien, da enheden er trådløs og kan bruges hjemme uden en tekniker.

Hochberg er også kritisk sygehus-neurolog på Massachusetts General Hospital og direktør for V.A. Rehabilitation Research and Development Center for Neurorestoration og Neuroteknologi.

“I marts 2020 blev det klart, at vi ikke ville kunne besøge vores forsøgspersoners hjem,” sagde Hochberg. “Men ved at træne plejepersonale i, hvordan man etablerer den trådløse forbindelse, kunne en forsøgsperson bruge BCI’en uden, at medlemmer af vores hold fysisk var til stede. Så ikke kun kunne vi fortsætte vores forskning, men denne teknologi gjorde det også muligt for os at fortsætte med fuld båndbredde og trofasthed, som vi havde før.”

Ifølge Simeral, “Flere virksomheder er gået ind i BCI-feltet og har allerede demonstreret menneskelig brug af lav-båndbredde trådløse systemer, herunder nogle, der er fuldt implantable. I denne rapport er vi glade for at have brugt et høj-båndbredde trådløst system, der fremmer de videnskabelige og kliniske muligheder for fremtidige systemer.”