211service.com
Mindre invasiva hjärngränssnitt
Med hjälp av neural aktivitet som registrerats från ett ark med elektroder som ligger direkt på ytan av en patients hjärna, kan forskare förutsäga rörelsen av fingrar, såväl som vilket av flera ljud som patienten föreställer sig. Så småningom hoppas forskarna kunna använda resultaten för att utveckla intuitiva neurala proteser, till exempel en robothand som rör sina fingrar med så lite mental ansträngning som det krävs för att flytta riktiga, eller ett datorgränssnitt som upptäcker inbillade ord. För att förverkliga denna vision utvecklar forskare också mindre, mer flexibel teknologi, som lättare kan implanteras och få bättre kontakt med hjärnan. Detaljer om den senaste hjärn-dator-gränssnittsteknologin presenterades denna vecka på Society for Neurosciences-konferensen i Washington, DC.
Att stimulera hjärnan: Kirurger använder elektrokortikografi (ECoG), vilket innebär att man lägger ett ark med elektroder på ytan av hjärnan för att registrera elektrisk aktivitet, för att kartlägga ursprunget till anfall hos epilepsipatienter. Här visas en röntgenbild av hjärnan med ett överlägg som avslöjar platsen för varje elektrod.
Det kan skapa grunden för ett hjärn-dator-gränssnitt som är väldigt intuitivt och en inspelningsplattform som är väldigt robust, säger Gerwin Schalk , en forskare vid Wadsworth Center, i Albany, NY, som ledde ett av projekten.
Schalk och hans kollegor studerade epilepsipatienter som genomgick en procedur som kallas elektrokortikografi (ECoG), där en platt grupp av elektroder läggs över en exponerad del av cortex för att registrera elektrisk aktivitet. Normalt använder kirurger denna information för att lokalisera källan till anfall och för att kartlägga platsen för specifika hjärnfunktioner, som måste undvikas under operationen. Tekniken genererar en bättre rumslig upplösning än elektroencefalografi (EEG), en icke-invasiv metod som registrerar aktivitet genom hårbotten. ECoG undersöks nu för användning i hjärn-datorgränssnitt. Det finns ett växande intresse för användning av ECoG-signaler eftersom ingenting tränger in i hjärnan, och det tilltalar människor mer än penetrerande elektroder, säger Marc Schieber , en läkare och forskare vid University of Rochester Medical School, som inte var involverad i forskningen.
Schalk och hans medarbetare registrerade elektrisk aktivitet från den motoriska cortexen och Brocas område, en del av hjärnan som är involverad i tal, hos fem patienter när de rörde sina händer och fingrar på specifika sätt och vokaliserade eller föreställde sig specifika ljud. Forskarna använde sedan specialutvecklade algoritmer för att söka den neurala aktiviteten efter mönster som rör en viss rörelse eller ett visst ljud. Vi kan berätta hur de böjer var och en av sina fingrar, säger Schalk. Dessutom kunde forskarna i realtid avgöra vilket av två ljud en patient föreställde sig. Den här typen av information kan användas för att styra ett hjärn-dator-gränssnitt, vilket ger en livlina för människor med svår förlamning, som den som är förknippad med slutstadiet amyotrofisk lateral skleros , en neurodegenerativ sjukdom, eller inlåst syndrom, resultatet av en specifik typ av stroke som gör att patienten inte kan röra sig eller kommunicera.
Om du är förlamad och inte kan prata men din cortex fortfarande är okej, kan förmågan att överföra några ord som 'ja' eller 'nej', 'mat' och 'vatten' vara mycket användbar, säger Schieber. Men frågan är, kommer vi att kunna avkoda alla fonem av mänskligt språk från ECoG-signaler? Kan du få tillräckligt med specifik information för att särskilja olika typer av grepp, som en nypa mot hur du håller en hammare?
För att kunna använda informationen för att styra en protes eller dator måste forskare också kunna extrahera relevant information i realtid. (I det aktuella projektet gjordes analysen efter den neurala registreringen.)
Schalk och andra studerar ECoG som ett möjligt alternativ till elektroder som implanteras i hjärnvävnad. Forskare har gjort snabba framsteg med att använda det sistnämnda som ett gränssnitt för protesanordningar, och visade nyligen att apor kan mata sig själva med en robotarm som styrs av ett hjärn-datorgränssnitt, och förlamade patienter kan flytta en markör på en datorskärm med liknande utrustning. Det är ännu inte klart att ECoG, som registrerar extracellulär elektrisk aktivitet och därmed genomsnittlig information som kommer från olika celler, kommer att kunna ge samma noggrannhet som implanterade elektroder, som registrerar aktivitet från enstaka celler. När det gäller lemkontroll tror jag att det blir något grundläggande, säger Andrew Schwartz , en neuroforskare vid University of Pittsburgh.
ECoG har dock några betydande fördelar. Med implanterade elektroder försämras kvaliteten på de inspelade signalerna med tiden, och de stela elektroderna kan ibland röra sig i den squishy hjärnan, vilket kräver omkalibrering av systemet. ECoG-enheter är mindre känsliga för rörelser. Och eftersom de ligger på hjärnans yta kan de vara mindre mottagliga för den immunreaktion som tros försämra implanterade elektroder. Ytelektroder är mer benägna att vara lämpliga för långvarig användning, säger Schalk.
Miniatyriserade ECoG-enheter som nu är under utveckling kan göra denna teknik ännu mer tilltalande. Med den nuvarande proceduren måste en kirurg ta bort en stor del av skallen för att sätta in elektroduppsättningen. Men Justin Williams, en biologisk ingenjör vid University of Wisconsin-Madison, utvecklar en miniatyr ECoG-enhet som kan matas genom ett litet hål i skallen och sedan vecklas ut för att täcka ett större område av den kortikala ytan. Tillverkad av platinatrådar inbäddade i en flexibel polymer som kallas polyimid, som ofta används inom elektronik, är elektroduppsättningen flexibel och fastnar på den våta hjärnan. Det betyder att den rör sig när hjärnan rör sig och fångar en bättre signal. Det fungerar som Saran wrap på en Jell-O-form, säger Williams.