211service.com
Aap denkt robot in actie
In een dramatische weergave van het potentieel van prothetische armen, was een aap aan de Universiteit van Pittsburgh in staat zijn hersenen te gebruiken om een robotarm rechtstreeks te besturen en zichzelf een marshmallow te voeden. Het onderzoek, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuur , is de eerste die aantoont dat een interface die hersensignalen direct omzet in actie, geavanceerd genoeg is om een praktische functie uit te voeren: eten. Onderzoekers die het werk leidden, zijn net begonnen met menselijke tests van een verwante technologie.
Hersen kracht: Een aap met een reeks kleine elektroden die in zijn hersenen zijn geïmplanteerd, gebruikt zijn gedachten om een robotarm te besturen, grijpt een stuk marshmallow en brengt het naar zijn mond. Wetenschappers hopen uiteindelijk dat dit type hersenmachine-interface verlamde mensen zal helpen bij het uitvoeren van alledaagse taken, zoals zichzelf voeden of hun haar borstelen.
Het is de eerste keer dat een aap – of een mens – rechtstreeks, met zijn hersenen, een echte prothetische arm bestuurt, zegt Krishna Shenoy , een neurowetenschapper aan de Stanford University die niet betrokken was bij het onderzoek.
Mensen die lijden aan beroertes of ruggenmergletsel, of aan sommige neurodegeneratieve ziekten, zoals amyotrofische laterale sclerose (ALS), blijven vaak verlamd. Maar hun hersenschors - de delen van de hersenen die beweging, planning en andere functies regelen - kunnen grotendeels intact blijven. Wetenschappers hopen daar op in te spelen met de ontwikkeling van brain machine interfaces – apparaten die hersenactiviteit omzetten in actie, zoals het bewegen van een cursor op een computerscherm.
Mensen die volledig verlamd zijn, kunnen nu hersenmachine-interfaces gebruiken die niet-invasieve signalen meten die zijn opgenomen vanaf het oppervlak van de hoofdhuid, maar de apparaten zijn traag en vereisen aanhoudende concentratie om te werken. Om een prothese te maken die werkt als een echte arm – de gebruiker denkt erover om zijn arm te bewegen, en hij beweegt – zal hoogstwaarschijnlijk vereisen dat elektrische activiteit rechtstreeks vanuit de hersenen wordt geregistreerd.
Multimedia
Kijk hoe de aap de robotarm gebruikt om zichzelf te voeden.
Zie hoe de aap de robotarm manipuleert zodat hij de robothand kan likken.
Dat is de afgelopen jaren mogelijk geworden dankzij de vooruitgang in de kleine arrays van elektroden die worden gebruikt om neurale signalen op te nemen. In eerder onderzoek is John Donoghue en zijn collega's van de Brown University toonden aan dat elektroden die in de hersenen van een verlamde man zijn geïmplanteerd, kunnen worden gebruikt om een cursor op een computerscherm te verplaatsen en zelfs een eenvoudige beweging met een robotarm te maken. Maar dat en ander onderzoek bleef beperkt tot een- of tweedimensionale bewegingen en werd, afgezien van enkele gevallen waarbij een mechanische arm of grijper werd gebruikt, virtueel op een scherm uitgevoerd.
In het laatste onderzoek, geleid door neurowetenschapper Andrew Schwartz aan de Universiteit van Pittsburgh was de aap in staat om een meer gecompliceerde taak uit te voeren. Andy is nog een stap verder gegaan, naar een praktisch apparaat dat in de echte wereld van pas kan komen, zegt John Kalaska , een neurowetenschapper aan de Universiteit van Montreal, in Canada, die een commentaar schreef bij de publicatie. Het dier kan eenvoudig, door een soort mentale oefening, de robot ertoe brengen te bewegen naar waar het [voedsel] is, de hand sluiten en het terug naar de mond brengen en hem het laten eten.
Om de prestatie te bereiken, hadden twee apen een raster van micro-elektroden geïmplanteerd in de motorische cortex, een deel van de hersenen dat de motorische planning en uitvoering regelt. De dieren waren eerder getraind om met een joystick een antropomorfe robotarm met beweegbare gewrichten aan schouder, elleboog en pols te bewegen. Om te leren de prothese met hun geest te besturen, hielden de apen hun armen tijdelijk vast terwijl ze keken hoe een computer de arm door de vereiste bewegingen bewoog - om de arm uit te strekken naar het stuk voedsel, het vast te pakken, het naar de mond te brengen en laat het los. Ze stellen zich voor dat ze de taak uitvoeren, zoals atleten doen voor sport, zegt Schwartz. De neuronen zijn actief terwijl ze de beweging observeren, en dan kunnen we de [neurale signalen] opvangen en gebruiken voor onze eigen controle.
Schwartz en zijn team gebruikten relatief eenvoudige algoritmen om de patronen van neurale activiteit te decoderen die tijdens de observatiefase werden geregistreerd, en gebruikten die informatie vervolgens om de robotarm in realtime te besturen. (Wetenschappers kunnen zowel richting als snelheid van een beoogde beweging afleiden uit de activiteit van ensembles van neuronen in de motorische cortex: activiteit van specifieke verzamelingen cellen geeft richting aan, terwijl de amplitude van het algehele signaal snelheid dicteert.)
Na slechts twee dagen training leerden de apen de arm in drie dimensies te besturen en de grijper aan het uiteinde te besturen die als een hand fungeert. De dieren leerden zelfs de arm te gebruiken op manieren waarop ze niet waren getraind: een begeleidende video toont een dier dat de arm gebruikt om een stuk voedsel in zijn mond te duwen. In een tweede video brengt de aap de grijper terug naar zijn mond en likt eraan, waarbij hij een ander stuk voedsel negeert. Hij wordt zo goed in het gebruik van de tool dat hij er misschien over gaat nadenken als onderdeel van zijn eigen lichaam, zegt Schwartz. Hij vergelijkt het trainingsproces met het leren gebruiken van een muis om een computercursor te besturen. Na een bepaalde leerperiode denk je er niet meer aan hoe je een spier in een wijsvinger moet activeren om op de linkermuisknop te drukken, zegt hij. Op die manier heb je de cursor op het scherm belichaamd.
Schwartz en zijn medewerkers testen de technologie nu op mensen. De eerste test, die net vorige week is begonnen, is bij een epilepsiepatiënt die een diagnostische test ondergaat, bekend als elektrocorticografie, waarbij elektroden chirurgisch op het oppervlak van de hersenen worden geplaatst om te proberen de bron van aanvallen te identificeren. De oppervlakte-elektroden zijn nauwkeuriger dan niet-invasieve hoofdhuidopnames en zijn minder invasief dan elektroden die in de hersenen zijn geïmplanteerd, hoewel ze een grovere mate van controle geven. Wetenschappers zullen meeliften op die diagnostische test en proberen de signalen van de elektroden te gebruiken om een computerprogramma te besturen.
Als dat lukt, zullen de onderzoekers de technologie gaan testen bij ALS-patiënten. In de eindstadia van deze ziekte zijn patiënten volledig verlamd; een door de hersenen gestuurd computerprogramma zou hen kunnen helpen om basisdingen te doen, zoals het schrijven van een e-mail. We denken dat dit hen een manier zou kunnen geven om met anderen te communiceren die sneller is dan bestaande methoden, zegt Schwartz. We hopen een interface te kunnen maken voor een gemiddelde typesnelheid, zo'n 30 tot 40 woorden per minuut.
De onderzoekers streven ernaar om binnen twee jaar volledig geïmplanteerde elektroden, zoals die bij de aap worden gebruikt om de robotarm te besturen, bij mensen te testen. Bij mensen verwacht ik een veel betere controle te krijgen, zegt Schwartz. Behalve dat ze gemakkelijker te trainen zijn, kunnen mensen hopelijk uitleggen wat moeilijk is of moet worden verbeterd, zegt hij.
Zelfs als die tests succesvol zijn, blijven er nog aanzienlijke hindernissen voordat dergelijke apparaten routinematig bij patiënten kunnen worden gebruikt. De elektroden die momenteel in gebruik zijn, zijn niet ideaal voor langdurige opnames: de signalen verslechteren na verloop van tijd. En uiteindelijk zal het hele systeem draagbaar en draadloos moeten worden gemaakt, of in ieder geval gebruiksvriendelijk. We moeten het gemakkelijk genoeg maken zodat patiënten kunnen oefenen wanneer ze maar willen, in plaats van een technicus naar huis te laten komen en ingewikkelde apparatuur in te stellen, zegt Schwartz. We hopen dat er verbetering zal zijn in elektrode-arrays - alles van bioactieve coatings tot telemetrie. Over twee jaar zou er veel van moeten zijn.