211service.com
Mindre invasive hjernegrænseflader
Ved at bruge neural aktivitet optaget fra et ark elektroder, der er lagt direkte på overfladen af en patients hjerne, kan forskerne forudsige bevægelsen af fingre, såvel som hvilken af flere lyde patienten forestiller sig. Til sidst håber forskerne at bruge resultaterne til at udvikle intuitive neurale proteser, såsom en robothånd, der bevæger sine fingre med lige så lidt mental indsats, som det kræver at flytte rigtige, eller en computergrænseflade, der registrerer forestillede ord. For at realisere denne vision udvikler forskere også mindre, mere fleksibel teknologi, som lettere kan implanteres og skabe bedre kontakt med hjernen. Detaljer om den seneste hjerne-computer-interface-teknologi blev præsenteret i denne uge på Society for Neurosciences-konferencen i Washington, DC.
Stimulering af hjernen: Kirurger bruger elektrokortikografi (ECoG), som involverer at lægge et ark elektroder på overfladen af hjernen for at registrere elektrisk aktivitet, for at kortlægge oprindelsen af anfald hos epilepsipatienter. Her er vist et røntgenbillede af hjernen med en overlejring, der afslører placeringen af hver elektrode.
Det kunne skabe grundlaget for en hjerne-computer-grænseflade, der er meget intuitiv, og en optageplatform, der er meget robust, siger Gerwin Schalk , en forsker ved Wadsworth Center i Albany, NY, som ledede et af projekterne.
Schalk og hans kolleger undersøgte epilepsipatienter, der gennemgår en procedure kendt som elektrokortikografi (ECoG), hvor en flad række af elektroder lægges over en blotlagt del af cortex for at registrere elektrisk aktivitet. Normalt bruger kirurger denne information til at lokalisere kilden til anfald og til at kortlægge placeringen af specifikke hjernefunktioner, som skal undgås under operationen. Teknikken genererer en bedre rumlig opløsning end elektroencefalografi (EEG), en ikke-invasiv tilgang, der registrerer aktivitet gennem hovedbunden. ECoG bliver nu udforsket til brug i hjerne-computer-grænseflader. Der er en stigende interesse for brug af ECoG-signaler, fordi intet trænger ind i hjernen, og det appellerer til folk mere end gennemtrængende elektroder, siger Marc Schieber , en læge og videnskabsmand ved University of Rochester Medical School, som ikke var involveret i forskningen.
Schalk og hans samarbejdspartnere registrerede elektrisk aktivitet fra den motoriske cortex og Brocas område, en del af hjernen, der er involveret i tale, hos fem patienter, da de bevægede deres hænder og fingre på bestemte måder og vokalerede eller forestillede sig specifikke lyde. Forskerne brugte derefter specialudviklede algoritmer til at søge den neurale aktivitet efter mønstre, der relaterer sig til en bestemt bevægelse eller lyd. Vi kan fortælle dig, hvordan de bøjer hver af deres fingre, siger Schalk. Desuden kunne forskerne i realtid bestemme, hvilken af to lyde en patient forestillede sig. Denne form for information kan bruges til at styre en hjerne-computer-grænseflade, der giver en livline for mennesker med alvorlig lammelse, såsom den, der er forbundet med slutstadiet Amyotrofisk lateral sklerose , en neurodegenerativ sygdom eller locked-in syndrom, resultatet af en specifik slags slagtilfælde, der efterlader patienten ude af stand til at bevæge sig eller kommunikere.
Hvis du er lammet og ikke kan tale, men din cortex stadig er i orden, kan evnen til at overføre nogle få ord som 'ja' eller 'nej', 'mad' og 'vand' være meget nyttig, siger Schieber. Men spørgsmålet er, om vi vil være i stand til at afkode alle det menneskelige sprogs fonemer fra ECoG-signaler? Kan du få nok specifik information til at skelne mellem forskellige former for greb, som f.eks. en knivspids i forhold til hvordan du holder en hammer?
For at bruge informationen til at styre en protese eller computer, skal forskere også være i stand til at udtrække den relevante information i realtid. (I det aktuelle projekt blev analysen udført efter den neurale optagelse.)
Schalk og andre studerer ECoG som et muligt alternativ til elektroder implanteret i hjernevæv. Forskere har gjort hurtige fremskridt ved at bruge sidstnævnte som en grænseflade til proteseanordninger, og de har for nylig vist, at aber kan brødføde sig selv med en robotarm styret af en hjerne-computer-grænseflade, og lammede patienter kan flytte en markør på en computerskærm ved hjælp af lignende udstyr. Det er endnu ikke klart, at ECoG, som registrerer ekstracellulær elektrisk aktivitet og dermed gennemsnit af information, der kommer fra forskellige celler, vil være i stand til at give samme nøjagtighed som implanterede elektroder, der registrerer aktivitet fra enkelte celler. Hvad angår lemmerkontrol, tror jeg, det vil være noget grundlæggende, siger Andrew Schwartz , en neurovidenskabsmand ved University of Pittsburgh.
ECoG har dog nogle væsentlige fordele. Med implanterede elektroder forringes kvaliteten af de optagede signaler over tid, og de stive elektroder kan nogle gange bevæge sig inde i den squishy hjerne, hvilket kræver rekalibrering af systemet. ECoG-enheder er mindre følsomme over for bevægelse. Og fordi de ligger på overfladen af hjernen, kan de være mindre modtagelige for den immunreaktion, der menes at svække implanterede elektroder. Overfladeelektroder er mere tilbøjelige til at være egnede til langtidsbrug, siger Schalk.
Miniaturiserede ECoG-enheder, der nu er under udvikling, kan gøre denne teknologi endnu mere attraktiv. Med den nuværende procedure skal en kirurg fjerne et stort stykke kranie for at indsætte elektrodearrayet. Men Justin Williams, en biologisk ingeniør ved University of Wisconsin-Madison, er ved at udvikle en miniature ECoG-enhed, der kunne fodres gennem et lille hul i kraniet og derefter udfolde sig for at dække et større område af den kortikale overflade. Fremstillet af platintråde indlejret i en fleksibel polymer kaldet polyimid, som ofte bruges i elektronik, er elektrodearrayet fleksibelt og klæber til den våde hjerne. Det betyder, at den bevæger sig, mens hjernen bevæger sig, og fanger et bedre signal. Det fungerer som Saran-indpakning på en Jell-O-form, siger Williams.