Ученые добились прорыва в технологии интерфейса мозг-компьютер

BrainGate исследователи недавно добились значительного прорыва в области интерфейсов мозг-компьютер (BCI) после того, как участники клинического испытания с тетраплегией продемонстрировали использование беспроводного интракортикального BCI с внешним беспроводным передатчиком. Это был первый раз, когда такая система была использована, и она способна передавать сигналы мозга с разрешением отдельных нейронов.

Исследование было опубликовано в IEEE Transactions on Biomedical Engineering в прошлом месяце.

Система также передает сигналы в полном диапазоне частот и не требует физического подключения пользователя к системе декодирования. Вместо традиционных кабелей система использует передатчик размером 2 дюйма, который весит чуть более 1,5 унций. Этот блок устанавливается на голову пользователя и подключается к электродной матрице в моторной коре мозга через тот же порт, который используются в проводных системах.

Исследование включало двух участников клинического испытания, страдающих параличом, и они использовали систему BrainGate с беспроводным передатчиком. Через беспроводной передатчик они могли указывать, щелкать и набирать текст на стандартном планшетном компьютере.

Исследование продемонстрировало, что беспроводная система способна передавать сигналы с той же точностью, что и проводные системы.

Джон Симерал является доцентом инженерного факультета в Университете Брауна. Он является ведущим автором исследования и членом исследовательского консорциума BrainGate.

“Мы продемонстрировали, что эта беспроводная система функционально эквивалентна проводным системам, которые были эталоном производительности BCI в течение многих лет”, – сказал Симерал. “Сигналы записываются и передаются с подобной точностью, что означает, что мы можем использовать те же алгоритмы декодирования, которые мы использовали с проводным оборудованием. Единственное различие заключается в том, что людям больше не нужно быть физически подключенными к нашему оборудованию, что открывает новые возможности в плане того, как система может быть использована.”

По мнению исследователей, новый прорыв приближает нас к полностью имплантируемой интракортикальной системе, которая может предоставить людям с травмами возможность снова двигаться. Новое развитие является первым устройством, которое передает полный спектр сигналов, записанных интракортикальным датчиком.

Результаты исследования

Испытание включало 35-летнего мужчину и 63-летнего мужчину, оба страдающих от травм спинного мозга. Они могли использовать систему дома вместо лаборатории из-за отсутствия кабелей, и они также могли использовать ее до 24 часов. Этот длительный период времени позволил исследователям собрать данные за длительное время.

Лей Хохберг является профессором инженерного факультета в Университете Брауна и исследователем в Институте нейробиологии Карни. Хохберг возглавлял клиническое испытание BrainGate.

“Мы хотим понять, как нейронные сигналы эволюционируют со временем”, – сказал Хохберг. “С этой системой мы можем изучать активность мозга дома, в течение длительного времени, что было почти невозможно ранее. Это поможет нам разработать алгоритмы декодирования, которые обеспечат бесшовное, интуитивное и надежное восстановление коммуникации и подвижности для людей с параличом.”

Консорциум BrainGate

Консорциум BrainGate является междисциплинарной группой исследователей из Университета Брауна, Стэнфорда и Университета Кейс Вестерн Резерв. Он также включает в себя людей из медицинского центра ветеранов в Провиденсе и больницы Массачусетс Генерал.

Команда опубликовала исследование в 2012 году, которое продемонстрировало, как участники клинического испытания могли управлять многомерными роботизированными протезами с помощью BCI впервые. С тех пор группа постоянно усовершенствовала систему и достигла новых прорывов.

Шарлин Флешер является соавтором и бывшим постдокторантом в Стэнфорде. Флешер сейчас работает инженером по аппаратному обеспечению в Apple.

“Эволюция интракортикальных BCI от использования проводного кабеля к использованию миниатюрного беспроводного передатчика является значительным шагом к функциональному использованию полностью имплантируемых высокопроизводительных нейронных интерфейсов”, – сказала Флешер. “Когда область движется к уменьшению передаваемой полосы частот, сохраняя при этом точность управления вспомогательными устройствами, это исследование может быть одним из немногих, которые захватывают полный диапазон кортикальных сигналов за длительное время, включая практическое использование BCI.”

Команда BrainGate смогла продолжать работать во время пандемии COVID-19, поскольку устройство беспроводное и может быть использовано дома без техника.

Хохберг также является нейрологом критической помощи в больнице Массачусетс Генерал и директором центра реабилитационных исследований и разработок для нейрореставрации и нейротехнологий.

“В марте 2020 года стало ясно, что мы не сможем посетить дома наших участников исследования”, – сказал Хохберг. “Но, обучив опекунов, как устанавливать беспроводное соединение, участник исследования смог использовать BCI без физического присутствия членов нашей команды. Итак, не только мы смогли продолжить наше исследование, но и эта технология позволила нам продолжить с полной полосой частот и точностью, которую мы имели ранее.”

По мнению Симерала, “Несколько компаний замечательно вошли в область BCI, и некоторые уже продемонстрировали использование беспроводных систем с низкой полосой частот, включая некоторые, которые полностью имплантируются. В этом отчете мы рады использовать беспроводную систему с высокой полосой частот, которая расширяет научные и клинические возможности для будущих систем.”