211service.com
Minder invasieve herseninterfaces
Met behulp van neurale activiteit die is geregistreerd vanaf een vel elektroden dat direct op het oppervlak van de hersenen van een patiënt is gelegd, kunnen wetenschappers de beweging van vingers voorspellen, evenals welke van de verschillende geluiden de patiënt zich voorstelt. Uiteindelijk hopen onderzoekers de bevindingen te gebruiken om intuïtieve neurale prothesen te ontwikkelen, zoals een robothand die zijn vingers beweegt met zo weinig mentale inspanning als nodig is om echte te bewegen, of een computerinterface die ingebeelde woorden detecteert. Om deze visie te realiseren, ontwikkelen wetenschappers ook kleinere, flexibelere technologie, die gemakkelijker kan worden geïmplanteerd en beter contact kan maken met de hersenen. Details van de nieuwste hersen-computerinterfacetechnologie werden deze week gepresenteerd op de Society for Neurosciences-conferentie in Washington, DC.
De hersenen stimuleren: Chirurgen gebruiken elektrocorticografie (ECoG), waarbij een laag elektroden op het oppervlak van de hersenen wordt gelegd om elektrische activiteit vast te leggen, om de oorsprong van aanvallen bij epilepsiepatiënten in kaart te brengen. Hier wordt een röntgenfoto van de hersenen getoond met een overlay die de locatie van elke elektrode onthult.
Het zou de basis kunnen vormen voor een brein-computerinterface die zeer intuïtief is, en een opnameplatform dat zeer robuust is, zegt Gerwin Schalk , een onderzoekswetenschapper aan het Wadsworth Center, in Albany, NY, die een van de projecten leidde.
Schalk en zijn collega's bestudeerden epilepsiepatiënten die een procedure ondergingen die bekend staat als elektrocorticografie (ECoG), waarbij een vlakke reeks elektroden over een blootliggend deel van de cortex wordt gelegd om elektrische activiteit vast te leggen. Normaal gesproken gebruiken chirurgen deze informatie om de bron van aanvallen te lokaliseren en om de locatie van specifieke hersenfuncties in kaart te brengen, die tijdens de operatie moeten worden vermeden. De techniek genereert een betere ruimtelijke resolutie dan elektro-encefalografie (EEG), een niet-invasieve benadering die activiteit via de hoofdhuid registreert. ECoG wordt nu onderzocht voor gebruik in hersen-computerinterfaces. Er is een groeiende interesse in het gebruik van ECoG-signalen omdat niets in de hersenen doordringt, en dat spreekt mensen meer aan dan penetrerende elektroden, zegt Marc Schieber , een arts en wetenschapper aan de University of Rochester Medical School, die niet betrokken was bij het onderzoek.
Schalk en zijn medewerkers registreerden elektrische activiteit van de motorische cortex en het gebied van Broca, een deel van de hersenen dat betrokken is bij spraak, bij vijf patiënten terwijl ze hun handen en vingers op specifieke manieren bewogen en specifieke geluiden vocaliseerden of zich voorstelden. Vervolgens zochten de onderzoekers met speciaal ontwikkelde algoritmen in de neurale activiteit naar patronen die te maken hebben met een bepaalde beweging of geluid. We kunnen je vertellen hoe ze elk van hun vingers buigen, zegt Schalk. Bovendien konden de onderzoekers in realtime bepalen welke van de twee geluiden een patiënt zich verbeeldde. Dit soort informatie zou kunnen worden gebruikt om een hersen-computerinterface te besturen, waardoor mensen met ernstige verlamming een reddingslijn kunnen krijgen, zoals die in verband met eindstadium amyotrofische laterale sclerose , een neurodegeneratieve ziekte, of locked-in-syndroom, het resultaat van een specifiek soort beroerte waardoor de patiënt niet in staat is te bewegen of te communiceren.
Als je verlamd bent en niet kunt praten, maar je cortex is nog steeds in orde, kan het vermogen om een paar woorden als 'ja' of 'nee', 'eten' en 'water' over te brengen, erg handig zijn, zegt Schieber. Maar de vraag is, zullen we in staat zijn om alle fonemen van menselijke taal te decoderen uit ECoG-signalen? Kun je genoeg specifieke informatie krijgen om verschillende soorten grepen te onderscheiden, zoals knijpen versus hoe je een hamer vasthoudt?
Om de informatie te gebruiken om een prothese of computer aan te sturen, zullen wetenschappers de relevante informatie ook in realtime moeten kunnen extraheren. (In het huidige project werd de analyse gedaan na de neurale opname.)
Schalk en anderen bestuderen ECoG als een mogelijk alternatief voor elektroden die in hersenweefsel worden geïmplanteerd. Wetenschappers hebben snelle vooruitgang geboekt met het gebruik van laatstgenoemde als interface voor prothetische apparaten, en hebben onlangs aangetoond dat apen zichzelf kunnen voeden met een robotarm die wordt bestuurd door een hersencomputerinterface, en verlamde patiënten een cursor op een computerscherm kunnen bewegen met vergelijkbare apparatuur. Het is nog niet duidelijk dat ECoG, dat extracellulaire elektrische activiteit registreert en dus informatie uit verschillende cellen gemiddeld, dezelfde nauwkeurigheid zal bieden als geïmplanteerde elektroden, die activiteit van afzonderlijke cellen registreren. Wat de controle over de ledematen betreft, denk ik dat het enigszins basaal zal zijn, zegt: Andrew Schwartz , een neurowetenschapper aan de Universiteit van Pittsburgh.
ECoG heeft echter enkele belangrijke voordelen. Met geïmplanteerde elektroden neemt de kwaliteit van de opgenomen signalen in de loop van de tijd af, en de stijve elektroden kunnen soms in de squishy hersenen bewegen, waardoor het systeem opnieuw moet worden gekalibreerd. ECoG-apparaten zijn minder gevoelig voor beweging. En omdat ze op het oppervlak van de hersenen liggen, zijn ze mogelijk minder vatbaar voor de immuunreactie die geïmplanteerde elektroden zou schaden. Oppervlakte-elektroden zijn waarschijnlijk geschikter voor langdurig gebruik, zegt Schalk.
Geminiaturiseerde ECoG-apparaten die nu in ontwikkeling zijn, kunnen deze technologie nog aantrekkelijker maken. Bij de huidige procedure moet een chirurg een groot stuk schedel verwijderen om de elektrodenreeks in te brengen. Maar Justin Williams, een biologisch ingenieur aan de Universiteit van Wisconsin-Madison, ontwikkelt een miniatuur ECoG-apparaat dat door een klein gaatje in de schedel kan worden gevoerd en zich vervolgens kan ontvouwen om een groter gebied van het corticale oppervlak te bedekken. Gemaakt van platinadraden ingebed in een flexibel polymeer genaamd polyimide, dat vaak wordt gebruikt in de elektronica, de elektrode-array is flexibel en plakt aan de natte hersenen. Dat betekent dat het beweegt zoals de hersenen bewegen, en een beter signaal opvangt. Het werkt als Saran-wikkel op een Jell-O-mal, zegt Williams.