Onderzoekers behalen doorbraak in hersen-computerinterface-technologie

BrainGate-onderzoekers hebben onlangs een belangrijke doorbraak behaald op het gebied van hersen-computerinterfaces (BCI’s) nadat deelnemers aan klinische trials met tetraplegie het gebruik van een intracorticale draadloze BCI met een externe draadloze zender hebben gedemonstreerd. Het was de eerste keer dat een dergelijk systeem werd gebruikt en het is in staat om hersensignalen met een resolutie van enkele neuronen te verzenden.

Het onderzoek werd vorige maand gepubliceerd in IEEE Transactions on Biomedical Engineering .

Het systeem verzendt ook in volle breedbandkwaliteit en heeft geen fysieke verbinding met een decoderingssysteem nodig. In plaats van de traditionele kabels, vertrouwt het systeem op een 2-inch zender die net iets meer dan 1,5 ounce weegt. Deze eenheid wordt op het hoofd van de gebruiker geplaatst en maakt verbinding met een elektrodenarray die in de motorische cortex van de hersenen zit, en dit doet het via dezelfde poort die de bedrade systemen gebruiken.

De studie omvatte twee deelnemers aan klinische trials die verlamd zijn en die het BrainGate-systeem met een draadloze zender gebruikten. Via de draadloze zender konden ze een standaard tabletcomputer bedienen.

De studie toonde aan dat het draadloze systeem in staat is om signalen met dezelfde kwaliteit te verzenden als bedrade systemen.

John Simeral is assistent-professor in de ingenieurswetenschappen aan de Brown University. Hij is de hoofdauteur van de studie en lid van de BrainGate-onderzoeksconsortium.

“We hebben aangetoond dat dit draadloze systeem functioneel equivalent is aan de bedrade systemen die jarenlang de standaard waren voor BCI-prestaties”, zei Simeral. “De signalen worden opgenomen en verzonden met een vergelijkbare kwaliteit, wat betekent dat we dezelfde decoderingsalgoritmen kunnen gebruiken die we met bedrade apparatuur gebruikten. Het enige verschil is dat mensen niet langer fysiek verbonden hoeven te zijn met onze apparatuur, wat nieuwe mogelijkheden biedt voor het gebruik van het systeem.”

Volgens de onderzoekers brengt de nieuwe doorbraak ons dichter bij een volledig implanteerbaar intracorticaal systeem dat gewonde individuen in staat kan stellen om te bewegen. De nieuwe ontwikkeling is het eerste apparaat dat het volledige spectrum van signalen die door een intracorticale sensor worden opgenomen, kan verzenden.

De resultaten van de studie

De trial omvatte een 35-jarige man en een 63-jarige man die beiden last hebben van ruggengraadletsels. Ze konden het systeem thuis gebruiken in plaats van in het laboratorium vanwege het ontbreken van kabels en ze konden het ook tot 24 uur gebruiken. Deze lange periode stelde de onderzoekers in staat om langdurige gegevens te verzamelen.

Leigh Hochberg is professor in de ingenieurswetenschappen aan de Brown University en onderzoeker aan het Carney Institute for Brain Science van Brown. Hochberg leidde de BrainGate-klinische trial.

“We willen begrijpen hoe neurale signalen in de loop van de tijd evolueren”, zei Hochberg. “Met dit systeem kunnen we naar hersenactiviteit kijken, thuis, over lange perioden, op een manier die eerder bijna onmogelijk was. Dit zal ons helpen om decoderingsalgoritmen te ontwerpen die een naadloze, intuïtieve, betrouwbare restauratie van communicatie en mobiliteit voor mensen met verlamming mogelijk maken.”

BrainGate Consortium

Het BrainGate-consortium is een multidisciplinaire groep onderzoekers van de Brown, Stanford en Case Western Reserve-universiteiten. Het omvat ook individuen van het Providence Veterans Affairs Medical Center en het Massachusetts General Hospital.

Het team publiceerde onderzoek in 2012 dat aantoonde hoe deelnemers aan klinische trials multidimensionale robotprotheses konden bedienen met een BCI voor het eerst. Sindsdien heeft de groep het systeem voortdurend verfijnd en nieuwe doorbraken behaald.

Sharlene Flesher is co-auteur en voormalig postdoctoraal onderzoeker aan de Stanford University. Flesher werkt nu als hardware-ingenieur bij Apple.

“De evolutie van intracorticale BCI’s van het gebruik van een draadkabel naar het gebruik van een miniatuurdraadloze zender is een belangrijke stap naar functioneel gebruik van volledig geïmplanteerde, hoge-prestatie-neurale interfaces”, zei Flesher. “Terwijl het veld zich richt op het verminderen van de overgedragen bandbreedte terwijl de nauwkeurigheid van het besturen van hulpmiddelen behouden blijft, kan deze studie een van de weinige zijn die de volledige breedte van corticale signalen voor langere perioden vastlegt, inclusief tijdens praktisch BCI-gebruik.”

Het BrainGate-team kon doorwerken tijdens de COVID-19-pandemie omdat het apparaat draadloos is en thuis zonder technicus gebruikt kan worden.

Hochberg is ook een kritieke zorgneuroloog in het Massachusetts General Hospital en directeur van het V.A. Rehabilitation Research and Development Center for Neurorestoration and Neurotechnology.

“In maart 2020 werd het duidelijk dat we de huizen van onze onderzoekspersonen niet konden bezoeken”, zei Hochberg. “Maar door verzorgers te trainen om de draadloze verbinding tot stand te brengen, kon een proefpersoon de BCI gebruiken zonder dat leden van ons team fysiek aanwezig waren. Dus niet alleen konden we ons onderzoek voortzetten, maar deze technologie stelde ons ook in staat om door te gaan met de volledige bandbreedte en kwaliteit die we eerder hadden.”

Volgens Simeral “hebben meerdere bedrijven het BCI-veld op een geweldige manier betreden en hebben sommige al het gebruik van draadloze systemen met lage bandbreedte door mensen gedemonstreerd, waaronder sommige die volledig geïmplanteerd zijn. In dit rapport zijn we verheugd om een draadloos systeem met hoge bandbreedte te hebben gebruikt dat de wetenschappelijke en klinische mogelijkheden voor toekomstige systemen verder ontwikkelt.”