Naukowcy dokonują przełomu w technologii interfejsu mózg-komputer

Brama Mózgu badacze dokonali niedawno istotnego przełomu w dziedzinie interfejsów mózg-komputer (BCI), po tym jak uczestnicy badań klinicznych z tetraplegią zademonstrowali zastosowanie wewnątrzkorowego bezprzewodowego BCI z zewnętrznym nadajnikiem bezprzewodowym. Po raz pierwszy zastosowano taki system, który jest w stanie przesyłać sygnały mózgowe z rozdzielczością pojedynczego neuronu. 

Badanie zostało opublikowane w Transakcje IEEE dotyczące inżynierii biomedycznej w zeszłym miesiącu. 

System transmituje również w pełnej jakości szerokopasmowej i nie musi fizycznie wiązać użytkownika z systemem dekodującym. Zamiast tradycyjnych kabli system opiera się na 2-calowym nadajniku, który waży nieco ponad 1.5 uncji. Urządzenie to umieszcza się na głowie użytkownika i łączy z układem elektrod znajdującym się w korze ruchowej mózgu, a robi to za pośrednictwem tego samego portu, z którego korzystają systemy przewodowe. 

W badaniu wzięło udział dwóch uczestników badania klinicznego, którzy cierpieli na paraliż, i używali oni systemu BrainGate z bezprzewodowym nadajnikiem. Za pomocą nadajnika bezprzewodowego mogli wskazywać, klikać i pisać na standardowym tablecie. 

Badanie wykazało, że system bezprzewodowy jest w stanie przesyłać sygnały z taką samą wiernością jak systemy przewodowe.

John Simeral jest adiunktem inżynierii na Uniwersytecie Browna. Jest głównym autorem badania i członkiem konsorcjum badawczego BrainGate. 

„Wykazaliśmy, że ten system bezprzewodowy jest funkcjonalnie równoważny systemom przewodowym, które od lat stanowią złoty standard wydajności BCI” – powiedział Simeral. „Sygnały są rejestrowane i przesyłane z odpowiednio podobną wiernością, co oznacza, że ​​możemy zastosować te same algorytmy dekodowania, których używaliśmy w sprzęcie przewodowym. Jedyna różnica polega na tym, że ludzie nie muszą już być fizycznie przywiązani do naszego sprzętu, co otwiera nowe możliwości w zakresie wykorzystania systemu”.

Według naukowców nowy przełom przybliża nas do w pełni wszczepialnego systemu wewnątrzkorowego, który może przywrócić osobom rannym możliwość poruszania się. To nowe osiągnięcie jest pierwszym urządzeniem umożliwiającym transmisję pełnego spektrum sygnałów zarejestrowanych przez czujnik wewnątrzkorowy. 

Wyniki badania

W procesie uczestniczyli 35-letni mężczyzna i 63-letni mężczyzna, obaj z urazami rdzenia kręgowego. Ze względu na brak kabli mogli używać systemu w domu zamiast w laboratorium, a także mogli z niego korzystać nawet przez 24 godziny. Tak długi okres czasu umożliwił naukowcom zebranie długotrwałych danych. 

Leigh Hochberg jest profesorem inżynierii w Brown i pracownikiem naukowym w Brown's Carney Institute for Brain Science. Hochberg kierował badaniem klinicznym BrainGate. 

„Chcemy zrozumieć, jak sygnały neuronowe ewoluują w czasie” – powiedział Hochberg. „Dzięki temu systemowi jesteśmy w stanie obserwować aktywność mózgu w domu przez długi czas w sposób, który wcześniej był prawie niemożliwy. Pomoże nam to zaprojektować algorytmy dekodowania, które zapewnią płynne, intuicyjne i niezawodne przywrócenie komunikacji i mobilności osobom z paraliżem.

Konsorcjum BrainGate 

Konsorcjum BrainGate to interdyscyplinarna grupa badaczy z uniwersytetów Brown, Stanford i Case Western Reserve. W projekt zaangażowane są także osoby z Providence Veterans Affairs Medical Center i Massachusetts General Hospital. 

W 2012 roku zespół opublikował badanie, które pokazało, w jaki sposób uczestnicy badań klinicznych mogą po raz pierwszy obsługiwać wielowymiarowe protezy robotyczne przy użyciu BCI. Od tego czasu grupa stale udoskonalała system i osiągała nowe przełomy. 

Sharlene Flesher jest współautorką i poprzednią stażystką podoktorską na Uniwersytecie Stanforda. Flesher pracuje obecnie jako inżynier sprzętu w Apple. 

„Ewolucja wewnątrzkorowych BCI – od konieczności stosowania kabla przewodowego do stosowania zamiast tego miniaturowego nadajnika bezprzewodowego, to ważny krok w kierunku funkcjonalnego wykorzystania w pełni wszczepionych, wydajnych interfejsów neuronowych” – powiedział Flesher. „W miarę jak dziedzina zmierza w kierunku zmniejszania przesyłanej przepustowości przy jednoczesnym zachowaniu dokładności sterowania urządzeniami wspomagającymi, niniejsze badanie może być jednym z niewielu, które rejestruje pełny zakres sygnałów korowych przez dłuższy czas, w tym podczas praktycznego stosowania BCI”. 

Zespół BrainGate mógł kontynuować pracę podczas pandemii COVID-19, ponieważ urządzenie jest bezprzewodowe i można z niego korzystać w domu bez technika. 

Hochberg jest także neurologiem oddziału intensywnej terapii w Massachusetts General Hospital i dyrektorem Centrum Badań i Rozwoju Rehabilitacji VA w zakresie Neurorestoracji i Neurotechnologii. 

„W marcu 2020 r. stało się jasne, że nie będziemy mogli odwiedzać domów uczestników badania” – powiedział Hochberg. „Jednak dzięki szkoleniu opiekunów w zakresie nawiązywania połączenia bezprzewodowego uczestnik badania mógł korzystać z BCI bez fizycznej obecności członków naszego zespołu. Zatem nie tylko mogliśmy kontynuować nasze badania, ale ta technologia pozwoliła nam nadal korzystać z pełnej przepustowości i wierności, jaką mieliśmy wcześniej”.

Według Simerala „Wiele firm z sukcesem weszło na rynek BCI, a niektóre już wykazały wykorzystanie przez ludzi systemów bezprzewodowych o niskiej przepustowości, w tym niektóre w pełni wszczepione. W tym raporcie jesteśmy podekscytowani możliwością zastosowania systemu bezprzewodowego o dużej przepustowości, który zwiększa możliwości naukowe i kliniczne przyszłych systemów”.