Forskere gjør gjennombrudd i hjernen-datamaskin grensesnitt teknologi

BrainGate forskere har nylig gjort et større gjennombrudd i området hjernen-datamaskin grensesnitt (BCI) etter at kliniske prøvedeltagere med tetraplegi viste bruk av en intrakortikal trådløs BCI med en ekstern trådløs sender. Det var første gang en slik system ble brukt, og det er i stand til å overføre hjernesignaler med enkelt-neuron oppløsning. 

Forskningen ble publisert i IEEE Transactions on Biomedical Engineering forrige måned. 

Systemet overfører også i full bredbåndstrothet og trenger ikke å fysisk koble brukeren til en dekodningssystem. I stedet for de tradisjonelle kablene, baserer systemet seg på en 2-tommers sender som veier bare over 1,5 unser. Denne enheten plasseres på toppen av en brukers hode, og den kobler til en elektrode-array som er i hjernens motoriske cortex, og den gjør dette gjennom samme porten som de kablene systemer bruker. 

Studien involverte to kliniske prøvedeltagere som har lammelse, og de brukte BrainGate-systemet med en trådløs sender. Gjennom den trådløse senderen, kunne de peke, klikke og skrive på en standard tablet-datamaskin. 

Studien viste at det trådløse systemet er i stand til å overføre signaler med samme trothet som kablene systemer.

John Simeral er en assistentprofessor i ingeniørvidenskab ved Brown University. Han er hovedforfatter av studien og en del av BrainGate-forskningskonsortiet. 

“Vi har vist at dette trådløse systemet er funksjonelt ekvivalent til de kablene systemer som har vært gullstandarden i BCI-ytelse i år,” sa Simeral. “Signalene blir innspilt og overført med tilsvarende trothet, hvilket betyr at vi kan bruke samme dekodningsalgoritmer vi brukte med kablene utstyr. Den eneste forskjellen er at mennesker ikke lenger trenger å være fysisk koblet til vårt utstyr, hvilket åpner opp nye muligheter for hvordan systemet kan brukes.”

Ifølge forskerne, bringer det nye gjennombruddet oss nærmere en fullstendig implantabel intrakortikal system som kan gi skadde individer muligheten til å bevege seg igjen. Den nye utviklingen er den første enheten som overfører hele spekteret av signaler innspilt av en intrakortikal sensor. 

Studiens resultater

Prøven involverte en 35-åring mann og en 63-åring mann som begge lider av ryggmargskader. De kunne bruke systemet hjemme i stedet for laboratoriet på grunn av mangelen på kabler, og de kunne også bruke det i opptil 24 timer. Denne lange tiden enablet forskerne til å samle inn langvarig data. 

Leigh Hochberg er en ingeniørprofessor ved Brown og en forsker ved Brown’s Carney Institute for Brain Science. Hochberg ledet BrainGate-kliniske prøver. 

“Vi ønsker å forstå hvordan nevralsignaler utvikler seg over tid,” sa Hochberg. “Med dette systemet, er vi i stand til å se på hjernaktivitet, hjemme, over lange perioder på en måte som var nesten umulig før. Dette vil hjelpe oss til å designe dekodningsalgoritmer som gir en sømløs, intuitiv, pålitelig gjenopprettelse av kommunikasjon og mobilitet for mennesker med lammelse.”

BrainGate Konsortiet 

BrainGate konsortiet er en tverrfaglig gruppe av forskere fra Brown, Stanford og Case Western Reserve universiteter. Det involverer også individer fra Providence Veterans Affairs Medical Center og Massachusetts General Hospital. 

Teamet publiserte forskning i 2012 som viste hvordan kliniske prøvedeltagere kunne operere multidimensjonale robotproteser ved hjelp av en BCI for første gang. Siden da, har gruppen kontinuerlig forbedret systemet og oppnådd nye gjennombrudd. 

Sharlene Flesher er medforfatter og tidligere postdoktor ved Stanford. Flesher arbeider nå som en hardwareingeniør ved Apple. 

“Utviklingen av intrakortikale BCI’er fra å kreve en kabel til å bruke en miniatyr trådløs sender er et større skritt mot funksjonell bruk av fullstendig implantable, høy-ytelses neurale grensesnitt,” sa Flesher. “Ettersom feltet går mot å redusere overført båndbredde samtidig som man beholder nøyaktigheten av assistive enhetkontroll, kan denne studien være en av få som fanger hele bredde av kortikale signaler over lange perioder, inkludert under praktisk BCI-bruk.” 

BrainGate teamet har vært i stand til å fortsette å arbeide gjennom COVID-19-pandemien siden enheten er trådløs og kan brukes hjemme uten en tekniker. 

Hochberg er også en kritisk sykehusnevrolog ved Massachusetts General Hospital og direktør for V.A. Rehabilitation Research and Development Center for Neurorestoration and Neurotechnology. 

“I mars 2020, ble det klart at vi ikke ville kunne besøke våre forskningsdeltagere hjemme,” sa Hochberg. “Men ved å trene omsorgspersonale hvordan man etablerer den trådløse forbindelsen, kunne en prøvedeltager bruke BCI’en uten at medlemmer av vårt team var fysisk til stede. Så ikke bare kunne vi fortsette vår forskning, denne teknologien tillot oss å fortsette med full båndbredde og trothet som vi hadde før.”

Ifølge Simeral, “Flere selskaper har gått inn i BCI-feltet, og noen har allerede demonstrert menneskelig bruk av lav-båndbredde trådløse systemer, inkludert noen som er fullstendig implantable. I denne rapporten, er vi glade for å ha brukt et høy-båndbredde trådløst system som fremmer de vitenskapelige og kliniske evnene for fremtidige systemer.”