Naukowcy dokonali przełomu w technologii interfejsu mózg-komputer

BrainGate naukowcy niedawno dokonali znaczącego przełomu w dziedzinie interfejsów mózg-komputer (BCI) po tym, jak uczestnicy badań klinicznych z tetraplegią wykazali używanie bezprzewodowego BCI z zewnętrznym bezprzewodowym nadajnikiem. Był to pierwszy raz, kiedy użyto takiego systemu, i jest on w stanie transmitować sygnały mózgu z rozdzielczością pojedynczych neuronów.

Badanie zostało opublikowane w IEEE Transactions on Biomedical Engineering w zeszłym miesiącu.

System transmituje również w pełnej wierności i nie wymaga fizycznego połączenia użytkownika z systemem dekodującym. Zamiast tradycyjnych kabli system opiera się na 2-calowym nadajniku, który waży niecałe 1,5 uncji. Urządzenie to umieszcza się na głowie użytkownika i łączy się z matrycą elektrod umieszczoną w korze mózgu, a robi to przez ten sam port, który używają systemy przewodowe.

Badanie obejmowało dwóch uczestników badań klinicznych, którzy mają paraliż, i używali systemu BrainGate z bezprzewodowym nadajnikiem. Za pomocą bezprzewodowego nadajnika mogli wskazywać, klikać i pisać na standardowym tablecie.

Badanie wykazało, że system bezprzewodowy jest w stanie transmitować sygnały o tej samej wierności, co systemy przewodowe.

John Simeral jest asystentem profesora inżynierii na Uniwersytecie Brown. Jest głównym autorem badania i członkiem konsorcjum badawczego BrainGate.

“Udowodniliśmy, że ten system bezprzewodowy jest funkcjonalnie równoważny systemom przewodowym, które były standardem w dziedzinie BCI przez lata”, powiedział Simeral. “Sygnały są rejestrowane i transmittowane z odpowiednio podobną wiernością, co oznacza, że możemy używać tych samych algorytmów dekodujących, które używaliśmy z urządzeniami przewodowymi. Jedyna różnica polega na tym, że ludzie nie muszą już być fizycznie połączeni z naszym sprzętem, co otwiera nowe możliwości w zakresie używania systemu.”

Według naukowców nowy przełom przybliża nas do w pełni implantowalnego systemu BCI, który może zapewnić osobom z urazami możliwość poruszania się. Nowy system jest pierwszym urządzeniem, które transmituje pełne spektrum sygnałów rejestrowanych przez sensor BCI.

Wyniki badania

Badanie obejmowało 35-letniego mężczyznę i 63-letniego mężczyznę, którzy obaj mają urazy rdzenia kręgowego. Mogli używać systemu w domu zamiast w laboratorium dzięki braku kabli i mogli go używać przez okres do 24 godzin. Ten długi okres czasu umożliwił naukowcom zebranie danych o długim czasie trwania.

Leigh Hochberg jest profesorem inżynierii na Uniwersytecie Brown i naukowcem w Carney Institute for Brain Science. Hochberg kierował badaniem klinicznym BrainGate.

“Chcemy zrozumieć, jak sygnały nerwowe ewoluują w czasie”, powiedział Hochberg. “Z tym systemem możemy obserwować aktywność mózgu w domu, przez długi czas, w sposób, który był prawie niemożliwy wcześniej. To pomoże nam zaprojektować algorytmy dekodujące, które zapewnią bezproblemową, intuicyjną i niezawodną rekonstrukcję komunikacji i mobilności dla osób z paraliżem.”

Konsorcjum BrainGate

Konsorcjum BrainGate to międzydyscyplinarna grupa naukowców z Uniwersytetu Brown, Stanford i Case Western Reserve. Uczestniczą w nim również osoby z Providence Veterans Affairs Medical Center i Massachusetts General Hospital.

Zespół opublikował badanie w 2012 roku, które wykazało, jak uczestnicy badań klinicznych mogli obsługiwać wielowymiarowe protezy robocze za pomocą BCI po raz pierwszy. Od tego czasu grupa nieustannie udoskonala system i osiąga nowe przełomy.

Sharlene Flesher jest współautorem i byłym stypendystą w Stanford. Flesher obecnie pracuje jako inżynier sprzętu w Apple.

“Ewolucja BCI z wymogu kabla do zastosowania miniaturowego nadajnika bezprzewodowego jest znaczącym krokiem w kierunku funkcjonalnego zastosowania w pełni implantowalnych, wysokowydajnych interfejsów nerwowych”, powiedziała Flesher. “Podczas gdy dziedzina zmierza ku zmniejszeniu przesyłanego pasma, przy zachowaniu dokładności sterowania urządzeniami wspomagającymi, to badanie może być jednym z nielicznych, które ujmuje pełne spektrum sygnałów korowych na dłuższy czas, w tym podczas praktycznego zastosowania BCI.”

Zespół BrainGate mógł kontynuować pracę podczas pandemii COVID-19, ponieważ urządzenie jest bezprzewodowe i może być używane w domu bez technika.

Hochberg jest również neurologiem w Massachusetts General Hospital i dyrektorem V.A. Rehabilitation Research and Development Center for Neurorestoration and Neurotechnology.

“W marcu 2020 roku stało się jasne, że nie będziemy mogli odwiedzać domów naszych uczestników badań”, powiedział Hochberg. “Ale szkoląc opiekunów, jak nawiązać połączenie bezprzewodowe, jeden z uczestników badań mógł używać BCI bez fizycznej obecności naszego zespołu. Więc nie tylko mogliśmy kontynuować nasze badania, ale ta technologia pozwoliła nam kontynuować z pełnym pasmem i wiernością, które mieliśmy wcześniej.”

Według Simerala, “Wiele firm weszło wspaniale w dziedzinę BCI, a niektóre z nich już wykazały użycie ludzi systemów bezprzewodowych o niskim paśmie, w tym niektóre, które są w pełni implantowane. W tym raporcie jesteśmy podekscytowani, że użyliśmy systemu bezprzewodowego o wysokim paśmie, który rozwija możliwości naukowe i kliniczne dla przyszłych systemów.”