Połączenie między mózgiem a komputerem umożliwiło ostatnio osobom z poważnymi osłabieniami kończyn pisanie poprzez bezpośrednią kontrolę mózgu przy najwyższych zgłoszonych do tej pory prędkościach i poziomach dokładności.

Dwóch uczestników ma stwardnienie zanikowe boczne, zwane również chorobą Lou Gehriga, a jeden ma uraz rdzenia kręgowego.

Każdy z nich miał jedną lub dwie macierze elektrod wielkości dziecięcej aspiryny umieszczone w ich mózgach, aby rejestrować sygnały z kory ruchowej, obszaru kontrolującego ruch mięśni. Sygnały były przesyłane do komputera za pomocą kabla i tłumaczone przez algorytmy na polecenia typu „wskaż i kliknij”, kierując kursor do znaków na klawiaturze ekranowej.

Każdy uczestnik, po minimalnym przeszkoleniu, opanował technikę na tyle, aby przewyższyć wyniki wcześniejszych testów interfejsów mózg-komputer lub BCI, w celu poprawy komunikacji osób z podobnie upośledzonymi ruchami. Warto zauważyć, że osiągnęli szybkość pisania bez użycia automatycznego wspomagania uzupełniania wyrazów, powszechnego w dzisiejszych aplikacjach z klawiaturą elektroniczną, co prawdopodobnie zwiększyłoby ich wydajność.

Jeden z uczestników, Dennis Degray z Menlo Park w Kalifornii, był w stanie wpisać 39 poprawnych znaków na minutę, co odpowiada około ośmiu słowom na minutę.

To podejście typu „wskaż i kliknij” można zastosować do różnych urządzeń komputerowych, w tym smartfonów i tabletów, bez istotnych modyfikacji – twierdzą naukowcy. Ich odkrycia pojawiają się w czasopiśmie eLife.

„To jedna z najfajniejszych gier wideo, w jakie kiedykolwiek miałem okazję grać. I nie muszę nawet wkładać do tego ćwierćdolarówki.

„Sukces naszego badania jest kamieniem milowym na drodze do poprawy jakości życia osób z paraliżem” – mówi Jaimie Henderson, profesor neurochirurgii na Uniwersytecie Stanforda, który wykonał dwie z trzech procedur implantacji urządzenia w szpitalu Stanford. Trzecia miała miejsce w Massachusetts General Hospital.

„To badanie wykazuje najwyższą szybkość i dokładność, trzykrotnie w porównaniu z tym, co wykazano wcześniej”, mówi współautorka, Krishna Shenoy, profesor elektrotechniki. „Zbliżamy się do prędkości, z jaką można pisać tekst na telefonie komórkowym”.

„Występ jest naprawdę ekscytujący”, mówi były doktor habilitowany Chethan Pandarinath, który ma teraz wspólną nominację na Emory University i Georgia Institute of Technology jako adiunkt inżynierii biomedycznej. „Osiągamy wskaźniki komunikacji, które wiele osób z paraliżem rąk i dłoni uznałoby za przydatne. To kluczowy krok w tworzeniu urządzeń nadających się do użytku w świecie rzeczywistym”.

Laboratorium Shenoya jest pionierem algorytmów używanych do dekodowania złożonych salw sygnałów elektrycznych wysyłanych przez komórki nerwowe w korze ruchowej, mózgowego centrum dowodzenia ruchem, i przekształcania ich w czasie rzeczywistym w czynności wykonywane zwykle przez rdzeń kręgowy i mięśnie.

„Wykorzystanie tych wysokowydajnych algorytmów BCI w badaniach klinicznych na ludziach pokazuje potencjał tej klasy technologii w przywracaniu komunikacji osobom z paraliżem” – mówi doktor habilitowany Paul Nuyujukian.

„Wyrzucałem śmieci w deszczu”

Miliony ludzi z paraliżem mieszkają w Stanach Zjednoczonych. Czasami ich paraliż pojawia się stopniowo, jak to ma miejsce w ALS. Czasami pojawia się nagle, jak w przypadku Degraya.

64-letni Degray doznał czterokończynowości 10 października 2007 roku, kiedy upadł i doznał zmieniającego życie urazu rdzenia kręgowego. „Wyrzucałem śmieci w deszczu” – powiedział. Trzymając śmieci w jednej ręce, a recykling w drugiej, poślizgnął się na trawie i wylądował na brodzie. Uderzenie oszczędziło mu mózg, ale poważnie uszkodziło kręgosłup, odcinając wszelką komunikację między mózgiem a mięśniami od głowy w dół. „Nic się nie dzieje pod obojczykami” – mówi.

Degray otrzymał dwa implanty urządzenia w ręce Hendersona w sierpniu 2016 r. W kilku kolejnych sesjach badawczych, on i dwóch pozostałych uczestników badania, którzy przeszli podobne operacje, zostali zachęceni do próby lub wizualizacji wzorców pożądanych ruchów ramion, dłoni i palców. Uzyskane sygnały neuronowe z kory ruchowej zostały elektronicznie wyodrębnione przez wbudowane urządzenia rejestrujące, przesłane do komputera i przetłumaczone przez algorytmy Shenoya na polecenia kierujące kursor na klawiaturze ekranowej do znaków określonych przez uczestnika.

Szybki brązowy lis…

Naukowcy zmierzyli szybkość, z jaką pacjenci byli w stanie poprawnie kopiować frazy i zdania – na przykład: „Szybki brązowy lis przeskoczył nad leniwym psem”. Średnie współczynniki wynosiły 7.8 słów na minutę dla Degraya oraz odpowiednio 6.3 i 2.7 słowa na minutę dla pozostałych dwóch uczestników.

System eksperymentalny wykorzystany w badaniu, wewnątrzkorowy interfejs mózg-komputer, zwany BrainGate Neural Interface System, reprezentuje najnowszą generację BCI. Poprzednie pokolenia odbierały sygnały najpierw za pomocą przewodów elektrycznych umieszczonych na skórze głowy, a następnie chirurgicznie umieszczając je na powierzchni mózgu pod czaszką.

Wewnątrzkorowy BCI wykorzystuje maleńki chip krzemowy o powierzchni nieco ponad jednej szóstej cala kwadratowego, z którego wystaje 100 elektrod, które penetrują mózg na grubość około jednej czwartej i łączą się z aktywnością elektryczną poszczególnych komórek nerwowych w korze ruchowej.

Henderson porównał uzyskaną w rezultacie lepszą rozdzielczość wykrywania neuronowego, w porównaniu z rozdzielczością BCI starszej generacji, do rozdawania mierników aplauzu poszczególnym członkom publiczności w studiu, zamiast umieszczania ich na suficie, „więc można powiedzieć, jak mocno i jak szybko każda osoba na widowni klaszcze”.

System bezprzewodowy 24/7

Shenoy przewiduje, że nadejdzie dzień, w którym samokalibrujący się, w pełni wszczepiony system bezprzewodowy będzie mógł być używany bez pomocy opiekuna, nie będzie miał żadnego efektu kosmetycznego. i może być używany przez całą dobę.

„Nie widzę żadnych wyzwań nie do pokonania”, mówi. „Znamy kroki, które musimy podjąć, aby się tam dostać”.

Degray, który nadal aktywnie uczestniczy w badaniach, umiał pisać przed wypadkiem, ale nie był w tym ekspertem. Opisał swoje nowo ujawnione umiejętności w języku miłośnika gier wideo.

„To jedna z najfajniejszych gier wideo, w jakie kiedykolwiek miałem okazję grać” – mówi. „I nie muszę nawet wkładać w to ćwierć”.

Asystentka naukowa ze Stanford, Christine Blabe, jest również współautorką badania, podobnie jak badacze BrainGate z Massachusetts General Hospital i Case Western University.

Fundusze pochodziły z National Institutes of Health, Stanford Office of Postdoctoral Affairs, Craig H. Neilsen Foundation, Stanford Medical Scientist Training Program, Stanford BioX-NeuroVentures, Stanford Institute for Neuro-Innovation and Translational Neuroscience, Stanford Neuroscience Institute , Larry i Pamela Garlick, Samuel i Betsy Reeves, Howard Hughes Medical Institute, US Department of Veterans Affairs, MGH-Dean Institute for Integrated Research on Atrial Fibrillation and Udar oraz Massachusetts General Hospital.

Biuro Licencjonowania Technologii Stanforda posiada własność intelektualną dotyczącą międzykorowych postępów inżynieryjnych związanych z BCI, dokonanych w laboratorium Shenoy.

{youtube}9oka8hqsOzg{/youtube}

Źródło: Bruce Goldman za Stanford University

Powiązane książki

at Rynek wewnętrzny i Amazon