Forscher erzielen Durchbruch in der Technologie der Gehirn-Computer-Schnittstelle

BrainGate-Forscher haben kürzlich einen bedeutenden Durchbruch im Bereich der Gehirn-Computer-Schnittstellen (BCIs) erzielt, nachdem Teilnehmer an klinischen Studien mit Tetraplegie die Verwendung einer intrakortikalen drahtlosen BCI mit einem externen drahtlosen Transmitter demonstrierten. Es war das erste Mal, dass ein solches System verwendet wurde, und es ist in der Lage, Hirnsignale mit einer Auflösung von einzelnen Neuronen zu übertragen.

Die Forschung wurde im IEEE Transactions on Biomedical Engineering vor einem Monat veröffentlicht.

Das System überträgt auch in voller Breitband-Treue und benötigt keine physische Verbindung zum Dekodierungssystem. Anstelle der herkömmlichen Kabel verlässt sich das System auf einen 2-Zoll-Transmitter, der gerade über 1,5 Unzen wiegt. Diese Einheit wird auf dem Kopf des Benutzers platziert und verbindet sich mit einer Elektroden-Anordnung, die im motorischen Kortex des Gehirns ist, und dies über den gleichen Port, den die verkabelten Systeme verwenden.

Die Studie umfasste zwei Teilnehmer an klinischen Studien, die an Lähmungen leiden, und sie verwendeten das BrainGate-System mit einem drahtlosen Transmitter. Durch den drahtlosen Transmitter konnten sie auf einem Standard-Tablet-Computer zeigen, klicken und tippen.

Die Studie zeigte, dass das drahtlose System in der Lage ist, Signale mit der gleichen Treue wie verkabelte Systeme zu übertragen.

John Simeral ist Assistant Professor für Ingenieurwesen an der Brown University. Er ist der Hauptautor der Studie und Mitglied des BrainGate-Forschungskonsortiums.

“Wir haben gezeigt, dass dieses drahtlose System funktional äquivalent zu den verkabelten Systemen ist, die über Jahre hinweg den Goldstandard in der BCI-Leistung waren”, sagte Simeral. “Die Signale werden mit der gleichen Treue aufgezeichnet und übertragen, was bedeutet, dass wir die gleichen Dekodierungs-Algorithmen verwenden können, die wir mit verkabelten Geräten verwendet haben. Der einzige Unterschied ist, dass Menschen nicht mehr physisch an unsere Geräte gebunden sind, was neue Möglichkeiten in Bezug auf die Verwendung des Systems eröffnet.”

Laut den Forschern bringt der neue Durchbruch uns näher an ein vollständig implantierbares intrakortikales System, das verletzten Personen die Fähigkeit geben kann, sich wieder zu bewegen. Die neue Entwicklung ist das erste Gerät, das das gesamte Spektrum von Signalen überträgt, die von einem intrakortikalen Sensor aufgezeichnet werden.

Die Ergebnisse der Studie

Die Studie umfasste einen 35-jährigen Mann und einen 63-jährigen Mann, die beide an Rückenmarksverletzungen leiden. Sie konnten das System zu Hause anstelle des Labors verwenden, da es keine Kabel benötigt, und sie konnten es auch bis zu 24 Stunden lang verwenden. Diese lange Zeitspanne ermöglichte es den Forschern, Langzeit-Daten zu sammeln.

Leigh Hochberg ist Professor für Ingenieurwesen an der Brown University und Forscher am Carney Institute for Brain Science. Hochberg leitete die BrainGate-Klinische Studie.

“Wir möchten verstehen, wie sich neuronale Signale im Laufe der Zeit entwickeln”, sagte Hochberg. “Mit diesem System können wir uns das Gehirnverhalten zu Hause über lange Zeiträume hinweg ansehen, was vorher fast unmöglich war. Dies wird uns helfen, Dekodierungs-Algorithmen zu entwerfen, die eine nahtlose, intuitive und zuverlässige Wiederherstellung der Kommunikation und Mobilität für Menschen mit Lähmungen ermöglichen.”

BrainGate-Konsortium

Das BrainGate-Konsortium ist eine interdisziplinäre Gruppe von Forschern von der Brown University, der Stanford University und der Case Western Reserve University. Es umfasst auch Personen vom Providence Veterans Affairs Medical Center und dem Massachusetts General Hospital.

Das Team veröffentlichte 2012 eine Forschung, die zeigte, wie Teilnehmer an klinischen Studien multidimensionale Roboter-Prothesen mithilfe einer BCI bedienen konnten. Seitdem hat die Gruppe das System kontinuierlich verfeinert und neue Durchbrüche erzielt.

Sharlene Flesher ist Co-Autorin und ehemalige Postdoktorandin an der Stanford University. Flesher arbeitet jetzt als Hardware-Ingenieurin bei Apple.

“Die Evolution von intrakortikalen BCIs von einem verkabelten Kabel zu einem miniaturisierten drahtlosen Transmitter ist ein bedeutender Schritt in Richtung funktionaler Verwendung von vollständig implantierbaren, hochleistungsfähigen neuronalen Schnittstellen”, sagte Flesher. “Wenn das Feld in Richtung Reduzierung der übertragenen Bandbreite geht, während die Genauigkeit der Steuerung von Hilfegeräten erhalten bleibt, kann diese Studie eine der wenigen sein, die die volle Breite von kortikalen Signalen für längere Zeiträume aufzeichnet, einschließlich während der praktischen Verwendung von BCIs.”

Das BrainGate-Team konnte während der COVID-19-Pandemie weiterarbeiten, da das Gerät drahtlos ist und zu Hause ohne einen Techniker verwendet werden kann.

Hochberg ist auch ein Neurologe für Intensivmedizin am Massachusetts General Hospital und Direktor des V.A. Rehabilitation Research and Development Center for Neurorestoration and Neurotechnology.

“Im März 2020 wurde klar, dass wir die Häuser unserer Forschungsteilnehmer nicht besuchen konnten”, sagte Hochberg. “Aber indem wir die Pflegekräfte anwiesen, die drahtlose Verbindung herzustellen, konnte ein Forschungsteilnehmer die BCI ohne physische Anwesenheit unseres Teams verwenden. Wir konnten also nicht nur unsere Forschung fortsetzen, sondern auch die volle Bandbreite und Treue beibehalten, die wir zuvor hatten.”

Laut Simeral “haben mehrere Unternehmen den BCI-Bereich erfolgreich betreten, und einige haben bereits die Verwendung von drahtlosen Systemen mit niedriger Bandbreite bei Menschen demonstriert, einschließlich einiger, die vollständig implantiert sind. In diesem Bericht sind wir begeistert, ein drahtloses System mit hoher Bandbreite verwendet zu haben, das die wissenschaftlichen und klinischen Fähigkeiten für zukünftige Systeme vorantreibt.”