Abe tænker robot til handling

I en dramatisk visning af potentialet ved protesearme var en abe ved University of Pittsburgh i stand til at bruge sin hjerne til direkte at styre en robotarm og fodre sig selv med en skumfidus. Forskningen, offentliggjort i dag i tidsskriftet Natur , er den første til at vise, at en grænseflade, der konverterer hjernesignaler direkte til handling, er sofistikeret nok til at udføre en praktisk funktion: at spise. Forskere, der ledede arbejdet, er netop begyndt på menneskelige test af en relateret teknologi.

Hjernekraft: En abe med en række små elektroder implanteret i hans hjerne bruger sine tanker til at styre en robotarm, griber et stykke skumfidus og fører det til munden. Forskere håber i sidste ende, at denne type hjernemaskine-grænseflade vil hjælpe lammede mennesker med at udføre hverdagsopgaver, som at spise sig selv eller børste deres hår.

Det er første gang, en abe – eller et menneske – direkte med deres hjerne styrer en rigtig armprotese, siger Krishna Shenoy , en neuroforsker ved Stanford University, som ikke var involveret i forskningen.

Mennesker, der lider af slagtilfælde eller rygmarvsskade eller af nogle neurodegenerative sygdomme, såsom amyotrofisk lateral sklerose (ALS), efterlades ofte lammede. Men deres hjernebark - de dele af hjernen, der styrer bevægelse, planlægning og andre funktioner - kan forblive stort set intakte. Forskere håber at drage fordel af det med udviklingen af ​​hjernemaskine-grænseflader – enheder, der konverterer hjerneaktivitet til handling, såsom bevægelse af en markør på en computerskærm.

Folk, der er fuldstændig lammede, kan nu bruge hjernemaskine-grænseflader, der non-invasivt måler signaler optaget fra overfladen af ​​hovedbunden, men enhederne er langsomme og kræver vedvarende koncentration for at fungere. For at skabe en protese, der fungerer som en rigtig arm – brugeren tænker på at bevæge sin arm, og den bevæger sig – vil det højst sandsynligt kræve, at elektrisk aktivitet registreres direkte fra hjernen.

Multimedier

• Se aben bruge robotarmen til at brødføde sig selv.

• Se aben manipulere robotarmen, så han kan slikke robothånden.

Det er blevet muligt i de senere år takket være fremskridt i de små arrays af elektroder, der bruges til at optage neurale signaler. I tidligere forskning, John Donoghue og hans kolleger ved Brown University viste, at elektroder implanteret i hjernen på en lam mand kunne bruges til at flytte en markør på en computerskærm og endda lave en simpel bevægelse med en robotarm. Men den og anden forskning har været begrænset til en- eller todimensionelle bevægelser, og bortset fra nogle få tilfælde ved hjælp af en mekanisk arm eller griber, blev de udført virtuelt på en skærm.

I den seneste forskning, ledet af neuroforsker Andrew Schwartz ved University of Pittsburgh var aben i stand til at udføre en mere kompliceret opgave. Andy har taget dette et skridt videre, til en praktisk enhed, der kunne være nyttig i den virkelige verden, siger John Kalaska , en neurovidenskabsmand ved University of Montreal i Canada, som skrev en kommentar, der fulgte med publikationen. Dyret kan ganske enkelt gennem en slags mental øvelse få robotten til at bevæge sig hen imod hvor [maden] er, lukke hånden og bringe den tilbage til munden og lade ham spise den.

For at opnå bedriften fik to aber et gitter af mikroelektroder implanteret i den motoriske cortex, en del af hjernen, der styrer motorisk planlægning og udførelse. Dyrene var tidligere blevet trænet til at bevæge en antropomorf robotarm med bevægelige led ved skulder, albue og håndled ved hjælp af et joystick. For at lære at styre protesen med deres sind, fik aberne deres arme midlertidigt fastholdt, mens de så en computer bevæge armen gennem de påkrævede bevægelser – for at forlænge armen til madstykket, tage fat i det, føre det til munden og frigive det. De forestiller sig, at de udfører opgaven, ligesom atleter gør til sport, siger Schwartz. Neuronerne er aktive, når de observerer bevægelsen, og så kan vi fange de [neurale signaler] og bruge dem til vores egen kontrol.

Schwartz og hans team brugte relativt simple algoritmer til at afkode mønstrene for neural aktivitet, der blev registreret under observationsfasen, og brugte derefter denne information til at styre robotarmen i realtid. (Forskere kan udlede både retning og hastighed af en tilsigtet bevægelse ud fra aktiviteten af ​​ensembler af neuroner i den motoriske cortex: aktivitet af specifikke samlinger af celler angiver retning, mens amplituden af ​​det overordnede signal dikterer hastigheden.)

Efter blot to dages træning lærte aberne at styre armen i tre dimensioner og at styre griberen placeret for enden, der fungerer som en hånd. Dyrene lærte endda at bruge armen på måder, som de ikke var blevet trænet på: En medfølgende video viser et dyr, der bruger armen til at skubbe et stykke mad ind i munden. I en anden video bringer aben griberen tilbage til munden og slikker den og ignorerer endnu et stykke mad. Han bliver så god til at bruge værktøjet, at han måske tænker på det som en del af sin egen krop, siger Schwartz. Han sammenligner træningsprocessen med at lære at bruge en mus til at styre en computermarkør. Efter en vis indlæringsperiode tænker du ikke på, hvordan du skal aktivere en muskel i en pegefinger for at trykke på venstre museknap, siger han. På den måde har du inkarneret markøren på skærmen.

Schwartz og hans samarbejdspartnere tester nu teknologien i mennesker. Den første testkørsel, der blev påbegyndt i sidste uge, er hos en epilepsipatient, som gennemgår en diagnostisk test, kendt som elektrokortikografi, hvor elektroder kirurgisk placeres på overfladen af ​​hjernen for at forsøge at identificere kilden til anfald. Overfladeelektroderne er mere præcise end ikke-invasive hovedbundsoptagelser og er mindre invasive end elektroder implanteret i hjernen, selvom de giver et mere råt kontrolniveau. Forskere vil piggyback på den diagnostiske test og forsøge at bruge signalerne optaget fra elektroderne til at styre et computerprogram.

Hvis det lykkes, vil forskerne begynde at teste teknologien i ALS-patienter. I slutstadierne af denne sygdom er patienterne fuldstændigt lammet; et hjernestyret computerprogram kunne hjælpe dem med at gøre grundlæggende ting, såsom at skrive en e-mail. Vi tror, ​​at dette kunne give dem en måde at kommunikere med andre på, der er hurtigere end eksisterende metoder, siger Schwartz. Vi håber at være i stand til at skabe en grænseflade til moderat skrivehastighed, omkring 30 til 40 ord i minuttet.

Forskerne sigter mod at teste fuldt implanterede elektroder, som dem der bruges i aben til at kontrollere robotarmen, hos mennesker inden for de næste to år. Med mennesker forventer jeg fuldt ud at få meget bedre kontrol, siger Schwartz. Ud over at være lettere at træne, kan mennesker forhåbentlig forklare, hvad der er svært eller skal forbedres, siger han.

Selvom disse tests er vellykkede, er der stadig betydelige forhindringer, før sådanne enheder rutinemæssigt kan bruges hos patienter. Elektroderne, der i øjeblikket er i brug, er ikke ideelle til langtidsoptagelse: signalerne nedbrydes over tid. Og hele systemet skal i sidste ende gøres bærbart og trådløst, eller i det mindste brugervenligt. Vi skal gøre det nemt nok, så patienterne kan øve sig, når som helst, de vil, frem for at få en tekniker til at komme ud til huset og sætte kompliceret udstyr op, siger Schwartz. Vi håber, at der vil ske forbedringer i elektrodearrays – alt fra bioaktive belægninger til telemetri. Om to år skulle meget af det være på plads.

skjule