Ученые сделали прорыв в технологии интерфейса мозг-компьютер

BrainGate исследователи недавно сделали значительный прорыв в области интерфейсов мозг-компьютер (ИМК) после того, как участники клинического испытания с тетраплегией продемонстрировали использование внутрикортикального беспроводного ИМК с внешней беспроводной передачей. Это было первое использование такой системы, 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 полной широкополосной верности и не требует физического подключения пользователя к системе декодирования. Вместо традиционных кабелей система использует передатчик размером 2 дюйма, весом чуть более 1,5 унций. Этот блок устанавливается на голову пользователя и подключается к электродной матрице, расположенной в моторной коре мозга, через тот же порт, который используются в проводных системах.

Исследование включало двух участников клинического испытания, страдающих параличом, которые использовали систему BrainGate с беспроводной передачей. С помощью беспроводной передачи они могли указывать, щелкать и набирать текст на стандартном планшетном компьютере.

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

Джон Симерал – ассистент профессора инженерии 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 золотым стандартом в производительности ИМК в течение многих лет”, – сказал Симерал. “Сигналы записываются и передаются с подобной верностью, 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 том, как система может быть использована.”

По мнению исследователей, новый прорыв приближает нас к полностью имплантируемой внутрикортикальной системе, которая может предоставить людям с травмами возможность снова двигаться. Новое развитие – это первый прибор, передающий полный спектр сигналов, записанных внутрикортикальным датчиком.

Результаты исследования

Испытания включали 35-летнего мужчину и 63-летнего мужчину, оба страдающих от травм спинного мозга. Они могли использовать систему дома, а не в лаборатории, благодаря отсутствию кабелей, и они также могли использовать ее до 24 часов. Этот длительный период времени позволил исследователям собрать данные за длительное время.

Лей Хохберг – профессор инженерии в Университете Брауна и исследователь 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 – это междисциплинарная группа исследователей из университетов Брауна, Стэнфорда и Кейс Вестерн Резерв. Он также включает лиц 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 ИМК впервые. С тех пор группа постоянно усовершенствовала систему и достигла новых прорывов.

Шарлин Флешер – соавтор и бывший постдокторант в Стэнфорде. Флешер теперь работает инженером по аппаратному обеспечению в Apple.

“Эволюция внутрикортикальных ИМК от использования проводного кабеля к использованию миниатюрного беспроводного передатчика – это значительный шаг к функциональному использованию полностью имплантируемых высокопроизводительных нейронных интерфейсов”, – сказала Флешер. “Когда область движется в сторону снижения передаваемой полосы пропускания, сохраняя при этом точность управления вспомогательными устройствами, это исследование может быть одним из немногих, которые захватывают полный спектр кортикальных сигналов за длительные периоды времени, включая практическое использование ИМК.”

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 нейротехнологий ВА.

“В марте 2020 года стало ясно, что мы не сможем посетить дома наших участников исследования”, – сказал Хохберг. “Но, обучив опекунов устанавливать беспроводную связь, один из участников испытания смог использовать ИМК без присутствия членов нашей команды. Итак, не только мы смогли продолжить наше исследование, но и эта технология позволила нам продолжать с полной полосой пропускания и верностью, которую мы имели раньше.”

По мнению Симерала, “Несколько компаний прекрасно вошли в область ИМК, и некоторые уже продемонстрировали использование человеком низкочастотных беспроводных систем, включая некоторые, которые полностью имплантируются. В этом отчете мы рады, что использовали высокочастотную беспроводную систему, которая продвигает научные и клинические возможности для будущих систем.”