Các nhà nghiên cứu đạt được đột phá trong công nghệ giao diện não máy tính

BrainGate các nhà nghiên cứu gần đây đã đạt được một bước đột phá lớn trong lĩnh vực giao diện não máy tính (BCI) sau khi các tham gia thử nghiệm lâm sàng với tetraplegia đã chứng minh việc sử dụng một BCI không dây intracortical với một bộ truyền không dây ngoài. Đây là lần đầu tiên một hệ thống như vậy được sử dụng và nó có khả năng truyền tín hiệu não với độ phân giải đơn neuron. 

Nghiên cứu được công bố trên IEEE Transactions on Biomedical Engineering tháng trước. 

Hệ thống cũng truyền ở băng thông đầy đủ và không cần phải kết nối vật lý người dùng với hệ thống giải mã. Thay vì sử dụng cáp truyền thống, hệ thống dựa trên một bộ truyền 2 inch nặng chỉ hơn 1,5 ounce. Bộ truyền này được đặt trên đầu người dùng và kết nối với một mảng điện cực trong vỏ não vận động, và nó thực hiện việc này thông qua cùng một cổng mà các hệ thống có dây sử dụng. 

Nghiên cứu liên quan đến hai người tham gia thử nghiệm lâm sàng có tê liệt và họ sử dụng hệ thống BrainGate với một bộ truyền không dây. Thông qua bộ truyền không dây, họ có thể chỉ, nhấp và nhập văn bản trên một máy tính bảng tiêu chuẩn. 

Nghiên cứu đã chứng minh rằng hệ thống không dây có khả năng truyền tín hiệu với cùng độ trung thực như hệ thống có dây.

John Simeral là một giáo sư trợ lý về kỹ thuật tại Đại học Brown. Ông là tác giả chính của nghiên cứu và là thành viên của tập đoàn nghiên cứu BrainGate. 

“Chúng tôi đã chứng minh rằng hệ thống không dây này là tương đương về mặt chức năng với các hệ thống có dây đã là tiêu chuẩn vàng trong hiệu suất BCI trong nhiều năm,” Simeral nói. “Các tín hiệu được ghi lại và truyền với độ trung thực tương tự, điều này có nghĩa chúng tôi có thể sử dụng cùng các thuật toán giải mã mà chúng tôi đã sử dụng với thiết bị có dây. Sự khác biệt duy nhất là người dùng không còn cần phải kết nối vật lý với thiết bị của chúng tôi, điều này mở ra những khả năng mới về cách hệ thống có thể được sử dụng.”

Theo các nhà nghiên cứu, bước đột phá mới này đưa chúng ta gần hơn với một hệ thống intracortical có thể cấy ghép hoàn toàn có thể cung cấp cho các cá nhân bị thương khả năng di chuyển lại. Phát triển mới này là thiết bị đầu tiên truyền toàn bộ phổ tín hiệu được ghi lại bởi một cảm biến intracortical. 

Kết quả của nghiên cứu

Thử nghiệm liên quan đến một người đàn ông 35 tuổi và một người đàn ông 63 tuổi đều bị chấn thương tủy sống. Họ có thể sử dụng hệ thống tại nhà thay vì trong phòng thí nghiệm do không có cáp, và họ cũng có thể sử dụng nó trong tối đa 24 giờ. Thời gian dài này cho phép các nhà nghiên cứu thu thập dữ liệu dài. 

Leigh Hochberg là một giáo sư kỹ thuật tại Đại học Brown và là nhà nghiên cứu tại Viện Khoa học Não Carney của Brown. Hochberg dẫn đầu thử nghiệm lâm sàng BrainGate. 

“Chúng tôi muốn hiểu cách tín hiệu thần kinh tiến hóa theo thời gian,” Hochberg nói. “Với hệ thống này, chúng tôi có thể xem xét hoạt động của não, tại nhà, trong thời gian dài theo cách mà trước đây gần như không thể. Điều này sẽ giúp chúng tôi thiết kế các thuật toán giải mã cung cấp sự phục hồi giao tiếp và di chuyển mượt mà, trực quan và đáng tin cậy cho những người bị tê liệt.”

Tập đoàn BrainGate 

Tập đoàn BrainGate là một nhóm nghiên cứu liên ngành từ các trường đại học Brown, Stanford và Case Western Reserve. Nó cũng bao gồm các cá nhân từ Trung tâm Y tế Cựu chiến binh Providence và Bệnh viện Tổng hợp Massachusetts. 

Đội ngũ đã công bố nghiên cứu vào năm 2012 cho thấy cách các tham gia thử nghiệm lâm sàng có thể vận hành các cánh tay giả robot đa chiều sử dụng BCI lần đầu tiên. Kể từ đó, nhóm đã liên tục tinh chỉnh hệ thống và đạt được những bước đột phá mới. 

Sharlene Flesher là đồng tác giả và là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ trước đây tại Stanford. Flesher hiện đang làm việc như một kỹ sư phần cứng tại Apple. 

“Sự tiến hóa của các BCI intracortical từ yêu cầu một cáp đến sử dụng một bộ truyền không dây nhỏ là một bước tiến lớn hướng tới sử dụng chức năng của các giao diện thần kinh cao hiệu suất cấy ghép hoàn toàn,” Flesher nói. “Khi lĩnh vực này hướng tới giảm băng thông truyền trong khi vẫn giữ độ chính xác của việc kiểm soát thiết bị hỗ trợ, nghiên cứu này có thể là một trong số ít nghiên cứu thu được toàn bộ phổ tín hiệu của vỏ não trong thời gian dài, bao gồm cả trong quá trình sử dụng BCI thực tế.” 

Đội ngũ BrainGate đã có thể tiếp tục làm việc thông qua đại dịch COVID-19 vì thiết bị không dây và có thể được sử dụng tại nhà mà không cần một kỹ thuật viên. 

Hochberg cũng là một bác sĩ thần kinh chăm sóc крит tại Bệnh viện Tổng hợp Massachusetts và là giám đốc của Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Phục hồi chức năng V.A. cho Phục hồi thần kinh và Công nghệ thần kinh. 

“Vào tháng 3 năm 2020, đã rõ ràng rằng chúng tôi sẽ không thể đến thăm nhà của những người tham gia nghiên cứu của chúng tôi,” Hochberg nói. “Nhưng bằng cách đào tạo những người chăm sóc cách thiết lập kết nối không dây, một người tham gia thử nghiệm có thể sử dụng BCI mà không cần thành viên trong đội ngũ của chúng tôi có mặt vật lý. Vì vậy, không chỉ chúng tôi có thể tiếp tục nghiên cứu của mình, mà công nghệ này còn cho phép chúng tôi tiếp tục với toàn bộ băng thông và độ trung thực mà chúng tôi đã có trước đó.”

Theo Simeral, “Nhiều công ty đã tham gia vào lĩnh vực BCI một cách tuyệt vời, và một số đã chứng minh việc sử dụng các hệ thống không dây băng thông thấp ở người, bao gồm cả những hệ thống được cấy ghép hoàn toàn. Trong báo cáo này, chúng tôi rất hào hứng khi đã sử dụng một hệ thống không dây băng thông cao cấp, điều này sẽ thúc đẩy khả năng khoa học và lâm sàng cho các hệ thống trong tương lai.”