211service.com
Mniej inwazyjne interfejsy mózgowe
Wykorzystując aktywność neuronalną zarejestrowaną z arkusza elektrod ułożonych bezpośrednio na powierzchni mózgu pacjenta, naukowcy mogą przewidzieć ruch palców, a także, który z kilku dźwięków wyobraża sobie pacjent. W końcu naukowcy mają nadzieję wykorzystać odkrycia do opracowania intuicyjnych protez nerwowych, takich jak robotyczna ręka, która porusza palcami z tak niewielkim wysiłkiem umysłowym, jak poruszanie prawdziwymi palcami, lub interfejs komputerowy, który wykrywa wyimaginowane słowa. Aby urzeczywistnić tę wizję, naukowcy opracowują również mniejszą, bardziej elastyczną technologię, którą można by łatwiej wszczepiać i zapewniać lepszy kontakt z mózgiem. Szczegóły najnowszej technologii interfejsu mózg-komputer zostały zaprezentowane w tym tygodniu na konferencji Society for Neurosciences w Waszyngtonie.
Stymulowanie mózgu: Chirurdzy stosują elektrokortykografię (ECoG), która polega na umieszczeniu arkusza elektrod na powierzchni mózgu w celu rejestrowania aktywności elektrycznej, aby zmapować pochodzenie napadów u pacjentów z padaczką. Pokazano tutaj zdjęcie rentgenowskie mózgu z nakładką ujawniającą położenie każdej elektrody.
Mógłby stworzyć podstawę dla interfejsu mózg-komputer, który jest bardzo intuicyjny, oraz platformy do nagrywania, która jest bardzo solidna, mówi Gerwin Schalk , naukowiec z Wadsworth Center w Albany w stanie Nowy Jork, który kierował jednym z projektów.
Schalk i jego koledzy badali pacjentów z padaczką poddawanych procedurze zwanej elektrokortykografią (ECoG), w której na odsłoniętą część kory kładzie się płaski zestaw elektrod w celu rejestrowania aktywności elektrycznej. Zwykle chirurdzy wykorzystują te informacje, aby wskazać źródło napadów i zmapować lokalizację określonych funkcji mózgu, których należy unikać podczas operacji. Technika ta generuje lepszą rozdzielczość przestrzenną niż elektroencefalografia (EEG), nieinwazyjne podejście, które rejestruje aktywność przez skórę głowy. ECoG jest obecnie badane pod kątem wykorzystania w interfejsach mózg-komputer. Zainteresowanie wykorzystaniem sygnałów ECoG rośnie, ponieważ nic nie przenika do mózgu, a to przemawia do ludzi bardziej niż penetrujące elektrody, mówi Marc Schieber , lekarz i naukowiec z University of Rochester Medical School, który nie był zaangażowany w badania.
Schalk i jego współpracownicy zarejestrowali aktywność elektryczną kory ruchowej i obszaru Broca, części mózgu zaangażowanej w mowę, u pięciu pacjentów, którzy poruszali rękoma i palcami w określony sposób oraz wokalizowali lub wyobrażali sobie określone dźwięki. Następnie naukowcy wykorzystali specjalnie opracowane algorytmy do przeszukiwania aktywności neuronowej pod kątem wzorców odnoszących się do określonego ruchu lub dźwięku. Możemy powiedzieć, jak zginają każdy palec, mówi Schalk. Co więcej, naukowcy mogli w czasie rzeczywistym określić, który z dwóch dźwięków wyobrażał sobie pacjent. Tego rodzaju informacje można wykorzystać do kontrolowania interfejsu mózg-komputer, zapewniając linię ratunkową dla osób z poważnym paraliżem, na przykład związanym ze schyłkową fazą stwardnienie zanikowe boczne , choroba neurodegeneracyjna lub zespół zamknięcia, wynik określonego rodzaju udaru, który uniemożliwia pacjentowi poruszanie się lub komunikowanie się.
Jeśli jesteś sparaliżowany i nie możesz mówić, ale twoja kora mózgowa nadal jest w porządku, umiejętność przekazania kilku słów, takich jak „tak” lub „nie”, „jedzenie” i „woda”, może być bardzo przydatna, mówi Schieber. Ale pytanie brzmi, czy będziemy w stanie odszyfrować wszystkie fonemy ludzkiego języka z sygnałów ECoG? Czy możesz uzyskać wystarczająco dużo szczegółowych informacji, aby odróżnić różne rodzaje uchwytów, takie jak szczypanie od tego, jak trzymasz młotek?
Aby wykorzystać te informacje do sterowania protezą lub komputerem, naukowcy będą również musieli być w stanie wyodrębnić odpowiednie informacje w czasie rzeczywistym. (W obecnym projekcie analiza została wykonana po rejestracji neuronowej.)
Schalk i inni badają ECoG jako możliwą alternatywę dla elektrod wszczepianych do tkanki mózgowej. Naukowcy poczynili szybkie postępy, wykorzystując to drugie jako interfejs dla urządzeń protetycznych, pokazując ostatnio, że małpy mogą karmić się za pomocą ramienia robota kontrolowanego przez interfejs mózg-komputer, a sparaliżowani pacjenci mogą poruszać kursorem po ekranie komputera za pomocą podobnego sprzętu. Nie jest jeszcze jasne, czy ECoG, które rejestruje zewnątrzkomórkową aktywność elektryczną, a tym samym uśrednia informacje pochodzące z różnych komórek, będzie w stanie zapewnić taką samą dokładność, jak wszczepione elektrody, które rejestrują aktywność pojedynczych komórek. Jeśli chodzi o kontrolę kończyn, myślę, że będzie to trochę podstawowe, mówi Andrzeja Schwartza , neurolog z Uniwersytetu w Pittsburghu.
ECoG ma jednak pewne istotne zalety. W przypadku wszczepionych elektrod jakość zarejestrowanych sygnałów z czasem ulega pogorszeniu, a sztywne elektrody mogą czasami poruszać się w gąbczastym mózgu, wymagając w ten sposób ponownej kalibracji systemu. Urządzenia ECoG są mniej wrażliwe na ruch. A ponieważ leżą na powierzchni mózgu, mogą być mniej podatne na reakcję immunologiczną, o której sądzi się, że osłabiają wszczepione elektrody. Elektrody powierzchniowe z większym prawdopodobieństwem nadają się do długotrwałego użytkowania, mówi Schalk.
Zminiaturyzowane urządzenia ECoG, które są obecnie opracowywane, mogą uczynić tę technologię jeszcze bardziej atrakcyjną. Przy obecnej procedurze chirurg musi usunąć duży kawałek czaszki, aby wprowadzić zestaw elektrod. Ale Justina Williamsa, inżynier biologii z Uniwersytetu Wisconsin-Madison opracowuje miniaturowe urządzenie ECoG, które można wprowadzić przez mały otwór w czaszce, a następnie rozwinąć, aby pokryć większy obszar powierzchni korowej. Wykonana z drutów platynowych osadzonych w elastycznym polimerze zwanym poliimidem, który jest często używany w elektronice, macierz elektrod jest elastyczna i przykleja się do mokrego mózgu. Oznacza to, że porusza się wraz z ruchem mózgu, przechwytując lepszy sygnał. Działa jak owijka Saran na formie galaretki, mówi Williams.