Forskare gör genombrott inom hjärndatorgränssnittsteknologi

BrainGate-forskare har nyligen gjort ett stort genombrott inom området hjärndatorgränssnitt (BCI) efter att kliniska försökspersoner med tetraplegi demonstrerat användning av ett intrakortikalt trådlöst BCI med en extern trådlös sändare. Det var första gången ett sådant system användes, och det kan överföra hjärnsignaler med enkellneuronsupplösning. 

Forskningen publicerades i IEEE Transactions on Biomedical Engineering förra månaden. 

Systemet överför också i full bredbandsfidelitet och behöver inte fysiskt ansluta användaren till ett avkodningssystem. Istället för de traditionella kablar, förlitar sig systemet på en 2-tums sändare som väger strax över 1,5 uns. Den här enheten placeras ovanpå en användares huvud, och den ansluter till en elektrodmatris som finns i hjärnans motorcortex, och det gör den genom samma port som de kabelförsedda systemen använder. 

Studien involverade två kliniska försökspersoner som har paralys, och de använde BrainGate-systemet med en trådlös sändare. Genom den trådlösa sändaren kunde de peka, klicka och skriva på en standard surfplatta. 

Studien visade att det trådlösa systemet är kapabelt att överföra signaler med samma fidelitet som kabelförsedda system.

John Simeral är biträdande professor i ingenjörsvetenskap vid Brown University. Han är huvudförfattare till studien och medlem i BrainGate-forskningskonsortiet. 

“Vi har visat att det här trådlösa systemet är funktionellt ekvivalent med de kabelförsedda system som har varit guldstandarden för BCI-prestanda under många år”, sa Simeral. “Signalerna spelas in och överförs med liknande fidelitet, vilket innebär att vi kan använda samma avkodningsalgoritmer som vi använde med kabelförsedd utrustning. Den enda skillnaden är att människor inte längre behöver vara fysiskt anslutna till vår utrustning, vilket öppnar upp nya möjligheter för hur systemet kan användas.”

Enligt forskarna, bringar det här genombrottet oss närmare ett fullständigt implantabelt intrakortikalt system som kan ge skadade individer möjlighet att återfå förmågan att röra sig. Den nya utvecklingen är den första enheten som överför fullständigt spektrum av signaler som registreras av en intrakortikal sensor. 

Studiens resultat

Försöket involverade en 35-årig man och en 63-årig man som båda lider av ryggmärgsskador. De kunde använda systemet hemma istället för i laboratoriet på grund av avsaknaden av kablar, och de kunde också använda det i upp till 24 timmar. Den här långa tiden möjliggjorde för forskarna att samla in långvarig data. 

Leigh Hochberg är professor i ingenjörsvetenskap vid Brown och forskare vid Brown’s Carney Institute for Brain Science. Hochberg ledde BrainGate-kliniska försöket. 

“Vi vill förstå hur neurala signaler utvecklas över tid”, sa Hochberg. “Med det här systemet kan vi titta på hjärnaktivitet, hemma, under långa perioder på ett sätt som var nästan omöjligt tidigare. Detta kommer att hjälpa oss att utforma avkodningsalgoritmer som tillhandahåller en sömlös, intuitiv, tillförlitlig återställning av kommunikation och rörelse för människor med paralys.”

BrainGate-konsortiet 

BrainGate-konsortiet är en tvärvetenskaplig grupp av forskare från Brown, Stanford och Case Western Reserve universitet. Det involverar också individer från Providence Veterans Affairs Medical Center och Massachusetts General Hospital. 

Teamet publicerade forskning 2012 som visade hur kliniska försökspersoner kunde operera multidimensionella robotproteser med hjälp av ett BCI för första gången. Sedan dess har gruppen kontinuerligt förfinat systemet och uppnått nya genombrott. 

Sharlene Flesher är medförfattare och tidigare postdoktorand vid Stanford. Flesher arbetar nu som maskiningenjör på Apple. 

“Utvecklingen av intrakortikala BCI från att kräva en kabel till att istället använda en miniatyr trådlös sändare är ett stort steg mot funktionell användning av fullständigt implantabla, högpresterande neurala gränssnitt”, sa Flesher. “Medan fältet rör sig mot att minska den överförda bandbredden samtidigt som man bevarar kontrollen av assistansenheter, kan den här studien vara en av de få som fångar fullständigt spektrum av kortikala signaler under långa perioder, inklusive under praktisk BCI-användning.” 

BrainGate-teamet har kunnat fortsätta arbeta genom COVID-19-pandemin eftersom enheten är trådlös och kan användas hemma utan en tekniker. 

Hochberg är också en kritisk vård neurolog vid Massachusetts General Hospital och direktör för V.A. Rehabilitation Research and Development Center for Neurorestoration and Neurotechnology. 

“I mars 2020, blev det klart att vi inte skulle kunna besöka våra forskningsdeltagares hem”, sa Hochberg. “Men genom att utbilda vårdgivare hur man etablerar den trådlösa anslutningen, kunde en försöksperson använda BCI utan att medlemmar av vårt team fysiskt var där. Så inte bara kunde vi fortsätta vår forskning, utan den här tekniken möjliggjorde också att vi kunde fortsätta med full bandbredd och fidelitet som vi hade tidigare.”

Enligt Simeral, “Flera företag har underbart gått in i BCI-fältet, och några har redan demonstrerat mänsklig användning av lågbandbredds trådlösa system, inklusive några som är fullständigt implantabla. I den här rapporten är vi glada över att ha använt ett högbandbredds trådlöst system som förbättrar de vetenskapliga och kliniska förmågorna för framtida system.”