Tutkijat tekevät läpimurron aivokone rajapinnan teknologiassa

BrainGate -tutkijat ovat tehneet merkittävän läpimurron aivokone rajapintojen (BCI) alalla, kun kliinisten kokeiden osallistujat, jotka kärsivät tetraplegiasta, osoittivat kykenevänsä käyttämään intrakortikaalista langatonta BCI:ä ulkoisella langattomalla lähettimellä. Se oli ensimmäinen kerta, kun tällaista järjestelmää käytettiin, ja se kykenee lähettämään aivosignaaleja yksittäisen hermosolun resoluutiolla.

Tutkimus julkaistiin IEEE Transactions on Biomedical Engineering kuukauden takaisemmin.

Järjestelmä lähettää myös täysin kaistanleveyden uskollisuudella ja ei vaadi fyysistä kytkemistä dekoodausjärjestelmään. Sen sijaan perinteisten kaapeliyhteyksien sijaan järjestelmä perustuu 5-senttiseen lähettimeen, joka painaa vain 43 grammaa. Tämä yksikkö asetetaan käyttäjän pään päälle, ja se kytketään elektrodiyhdisteeseen, joka on aivokuoren liiketoimintayksikössä, ja se tehdään saman portin kautta, jonka langalliset järjestelmät käyttävät.

Tutkimus käsitti kaksi kliinistä kokeen osallistujaa, jotka kärsivät halvauksesta, ja he käyttivät BrainGate-järjestelmää langattoman lähettimen kanssa. Langattoman lähettimen kautta he pystyivät osoittamaan, napsauttamaan ja kirjoittamaan standarditabletilla.

Tutkimus osoitti, että langaton järjestelmä on kykenevä lähettämään signaaleja samalla uskollisuudella kuin langalliset järjestelmät.

John Simeral on apulaisprofessori insinööritieteessä Brownin yliopistossa. Hän on tutkimuksen ensisijainen tekijä ja BrainGate-tutkimusyhteisön jäsen.

“Olemme osoittaneet, että tämä langaton järjestelmä on toiminnallisesti vastaava kuin langalliset järjestelmät, jotka ovat olleet BCI-suorituskyvyn kultainen standardi vuosien ajan”, sanoi Simeral. “Signaalit tallennetaan ja lähetetään samalla uskollisuudella, mikä tarkoittaa, että voimme käyttää samaa dekoodausalgoritmia, jonka käytimme langattomalla laitteistolla. Ainoa ero on, että ihmiset eivät enää tarvitse olla fyysisesti kytkettynä laitteistoomme, mikä avaa uusia mahdollisuuksia siinä, miten järjestelmää voidaan käyttää.”

Tutkijoiden mukaan uusi läpimurto tuo meidät lähemmäs täysin implantoitavaa intrakortikaalista järjestelmää, joka voi tarjota vammautuneille yksilöille mahdollisuuden liikkua uudelleen. Uusi kehitys on ensimmäinen laite, joka lähettää koko spektrin signaaleja, jotka tallennetaan intrakortikaalisella anturilla.

Tutkimuksen tulokset

Kokeeseen osallistui 35-vuotias mies ja 63-vuotias mies, jotka molemmat kärsivät selkärankavammasta. He pystyivät käyttämään järjestelmää kotona laboratorion sijaan kaapeliyhteyden puutteen vuoksi, ja he pystyivät käyttämään sitä jopa 24 tuntia. Tämä pitkä aika mahdollisti tutkijoiden kerätä pitkäaikaista dataa.

Leigh Hochberg on insinööritieteen professori Brownin yliopistossa ja tutkija Brownin Carney-instituutissa aivotieteessä. Hochberg johti BrainGate-kliinistä kokeen.

“Haluumme ymmärtää, miten hermoston signaalit kehittyvät ajan myötä”, sanoi Hochberg. “Tällä järjestelmällä pystymme tarkastelemaan aivotoimintaa kotona, pitkinä aikajaksoina tavalla, joka oli aiemmin lähes mahdotonta. Tämä auttaa meitä suunnittelemaan dekoodausalgoritmeja, jotka tarjoavat viivettömän, intuitiivisen ja luotettavan kommunikaation ja liikkumisen palauttamisen vammautuneille henkilöille.”

BrainGate-konsortio

BrainGate-konsortio on monitieteinen tutkijaryhmä, johon kuuluvat tutkijat Brownin, Stanfordin ja Case Western Reserven yliopistoista. Siihen osallistuvat myös yksilöt Providence Veterans Affairs -sairaalan ja Massachusetts General Hospitalin tutkimuskeskuksista.

Tutkijaryhmä julkaisi tutkimuksen vuonna 2012, jossa havaittiin, miten kliiniset kokeen osallistujat pystyivät ohjaamaan moniulotteisia robottikäsivarsia BCI:n avulla ensimmäistä kertaa. Siitä lähtien ryhmä on jatkuvasti parantanut järjestelmää ja saavuttanut uusia läpimurtoja.

Sharlene Flesher on yhteisjulkaisija ja aiempi postdoc-tutkija Stanfordin yliopistossa. Flesher työskentelee nyt laitteistosuunnittelijana Applella.

“Intrakortikaalisten BCI:iden kehittyminen langallisista järjestelmistä langattomiin lähettimiin on merkittävä askel kohti toiminnallista käyttöä täysin implantoiduista, korkean suorituskyvyn hermostoliittimistä”, sanoi Flesher. “Kun alalla siirrytään vähentämään siirrettävää kaistanleveyttä säilyttäen apuvälineen ohjauksen tarkkuutta, tämä tutkimus saattaa olla yksi harvoista, jotka havaitsevat koko aivokuoren signaaleja pitkinä aikajaksoina, myös käytännön BCI-käytön aikana.”

BrainGate-tiimi on pystynyt jatkamaan työtään COVID-19-pandemian aikana, koska laite on langaton ja sitä voidaan käyttää kotona ilman tekniikkoa.

Hochberg on myös kriittisen hoitoon erikoistunut neurologi Massachusetts General Hospitalissa ja V.A. Rehabilitation Research and Development Center for Neurorestoration and Neurotechnologyn johtaja.

“Maaliskuussa 2020 selvisi, ettemme voisi vierailla tutkimusosallistujien kodeissa”, sanoi Hochberg. “Mutta kouluttamalla hoitajia langattoman yhteyden muodostamiseen, tutkimusosallistuja pystyi käyttämään BCI:ä ilman, että tiimimme jäsenet olivat fyysisesti läsnä. Joten emme ainoastaan voineet jatkaa tutkimusta, vaan tämä teknologia mahdollisti meidän jatkaa täysin kaistanleveyden ja uskollisuuden kanssa, mitä meillä oli aiemmin.”

Simeralin mukaan “Useat yritykset ovat loistavasti tulleet BCI-kentälle, ja jotkut ovat jo osoittaneet ihmisten käytön matalakaistaisia langattomia järjestelmiä, mukaan lukien joitakin, jotka ovat täysin implantoiduissa. Tässä raportissa olemme innoissamme käyttäneet korkean kaistanleveyden langatonta järjestelmää, joka edistää tulevien järjestelmien tieteellisiä ja kliinisiä mahdollisuuksia.”