Вторник, 27 февраля, 2024
ДомойТехнологииПрорыв в контроле над разумом: новаторский ультразвуковой интерфейс «мозг-машина» Калифорнийского технологического института

Прорыв в контроле над разумом: новаторский ультразвуковой интерфейс «мозг-машина» Калифорнийского технологического института

- Advertisement -

Последние достижения в области мозго-машинных интерфейсов включают функциональное ультразвуковое исследование (ФУЗ) — неинвазивный метод измерения активности мозга. Это нововведение показало многообещающие результаты в управлении устройствами с минимальной задержкой и без необходимости частой повторной калибровки. Фото: SciTechDaily.com

Функциональное ультразвуковое исследование (ФУЗ) знаменует собой значительный скачок в технологии интерфейса «мозг-машина», предлагая менее инвазивный метод точного управления электронными устройствами путем интерпретации активности мозга.

Интерфейсы «мозг-машина» (ИМТ) — это устройства, которые могут считывать активность мозга и преобразовывать эту активность для управления электронными устройствами, такими как протез руки или компьютерный курсор. Они обещают дать возможность людям с параличом перемещать протезы силой мысли.

Многие ИМТ требуют инвазивных операций по имплантации электродов в мозг для считывания активности нейронов. Однако в 2021 году исследователи Калифорнийского технологического института разработали способ считывания активности мозга с помощью функционального ультразвука (ФУЗ), гораздо менее инвазивного метода.

Функциональное УЗИ: меняет правила игры в отношении ИМТ

Теперь новое исследование является доказательством концепции того, что технология ФУЗ может стать основой для «онлайн» ИМТ, который считывает активность мозга и расшифровывает ее значение с помощью декодеров, запрограммированных с помощью машинное обучениеи, следовательно, управляет компьютером, который может точно предсказать движение с минимальной задержкой.

Ультразвук используется для получения двухмерных изображений мозга, которые затем можно сложить вместе для создания трехмерного изображения. Фото: любезно предоставлено У. Григгсом.

Исследование проводилось в лабораториях Калифорнийского технологического института Ричарда Андерсена, профессора нейробиологии Джеймса Г. Босвелла, директора и руководителя Института неврологии. Центр мозго-машинного интерфейса T&C Chen; и Михаил Шапиро, профессор химической и медицинской инженерии Макса Дельбрюка и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза. Работа проводилась в сотрудничестве с лабораторией Микаэля Тантера, директора по физике медицины INSERM в Париже, Франция.

Преимущества функционального ультразвука

«Функциональное ультразвуковое исследование — это совершенно новый метод, который можно добавить к арсеналу интерфейсов мозг-машина, который может помочь людям с параличом», — говорит Андерсен. «Он предлагает привлекательные возможности менее инвазивности, чем мозговые имплантаты, и не требует постоянной повторной калибровки. Эта технология была разработана в результате совместных усилий, которые не могли быть реализованы одной лабораторией в одиночку».

«В целом, все инструменты для измерения активности мозга имеют свои преимущества и недостатки», — говорит Самнер Норман, бывший старший научный сотрудник Калифорнийского технологического института и соавтор исследования. «Хотя электроды могут очень точно измерять активность отдельных нейронов, они требуют имплантации в сам мозг, и их трудно масштабировать более чем на несколько небольших участков мозга. Неинвазивные методы также имеют свои компромиссы. Функциональная магнитно-резонансная томография[[фМРТ]обеспечивает доступ ко всему мозгу, но ограничен ограниченной чувствительностью и разрешением. Портативные методы, такие как электроэнцефалография. [EEG] им мешают плохое качество сигнала и неспособность локализовать глубокие функции мозга».

Сосудистая сеть задней теменной коры, измеренная с помощью функциональной ультразвуковой нейровизуализации. Фото: любезно предоставлено У. Григгсом.

Объяснение ультразвуковой визуализации

Ультразвуковая визуализация работает путем излучения импульсов высокочастотного звука и измерения того, как эти звуковые вибрации отражаются по всему веществу, например, в различных тканях человеческого тела. Звуковые волны распространяются с разной скоростью через эти типы тканей и отражаются от границ между ними. Этот метод обычно используется для получения изображений плода. в утробеи для других диагностических изображений.

Поскольку череп сам по себе непроницаем для звуковых волн, использование ультразвука для визуализации мозга требует установки в череп прозрачного «окна». «Важно, что ультразвуковую технологию не нужно имплантировать в сам мозг», — говорит Уитни Григгс (доктор философии ’23), соавтор исследования. «Это значительно снижает вероятность заражения и оставляет ткань мозга и ее защитную оболочку совершенно неповрежденными».

«По мере изменения активности нейронов меняется и использование ими метаболических ресурсов, таких как кислород», — говорит Норман. «Эти ресурсы пополняются через кровоток, что является ключом к функциональному ультразвуку». В этом исследовании ученые использовали ультразвук для измерения изменений притока крови к определенным участкам мозга. Точно так же, как звук сирены скорой помощи меняет высоту звука по мере приближения и удаления от вас, эритроциты будут увеличивать высоту отраженных ультразвуковых волн по мере их приближения к источнику и уменьшать высоту по мере их удаления. . Измерение этого явления эффекта Доплера позволило исследователям зафиксировать крошечные изменения в кровотоке мозга в пространственных областях шириной всего 100 микрометров, что примерно равно ширине человеческого волоса. Это позволило им одновременно измерять активность крошечных нейронных популяций, некоторые из которых насчитывают всего 60 нейронов, по всему мозгу.

Открытие движения: помощь парализованным людям с помощью мысли для управления компьютерами и роботизированными конечностями

Инновационное применение у приматов, не являющихся человеком

Исследователи использовали функциональный ультразвук для измерения активности мозга в задней теменной коре (PPC) приматов, области, которая управляет планированием движений и способствует их выполнению. Этот регион изучался лабораторией Андерсена на протяжении десятилетий с использованием других методов.

Животных обучали двум задачам, требующим от них либо спланировать движение руки, чтобы направить курсор на экран, либо спланировать движение глаз, чтобы посмотреть на определенную часть экрана. Им нужно было только думать о выполнении задачи, а не двигать глазами или руками, поскольку BMI считывает действия по планированию в своем PPC.

«Я помню, насколько впечатляюще это было, когда два десятилетия назад такой вид прогнозирующего декодирования работал с электродами, и сейчас удивительно видеть, как он работает с гораздо менее инвазивным методом, таким как ультразвук», — говорит Шапиро.

Многообещающие результаты и планы на будущее

Ультразвуковые данные в режиме реального времени отправлялись на декодер (ранее обученный декодировать значение этих данных с помощью машинного обучения), а затем генерировались управляющие сигналы для перемещения курсора туда, куда животное намеревалось направить его. BMI смог успешно проделать это с восемью радиальными целями со средней ошибкой менее 40 градусов.

«Важно, что этот метод не требует ежедневной повторной калибровки ИМТ, в отличие от других ИМТ», — говорит Григгс. «В качестве аналогии представьте, что вам нужно калибровать компьютерную мышь в течение 15 минут каждый день перед использованием».

Далее команда планирует изучить, как ИМТ, основанный на ультразвуковой технологии, работает на людях, и продолжить разработку технологии фУЗ, которая позволит получать трехмерные изображения для улучшения показателей. точность.

Статья называется «Декодирование двигательных планов с использованием замкнутого ультразвукового интерфейса мозг-машина» и была опубликована в журнале. Природа Нейронауки 30 ноября.

Ссылка: «Декодирование двигательных планов с использованием замкнутого ультразвукового интерфейса мозг-машина» Уитни С. Григгс, Самнер Л. Норман, Томас Деффье, Флориан Сегура, Бруно-Феликс Османски, Гилинг Чау, Василиос Христопулос, Чарльз Лю, Микаэль Тантер , Михаил Г. Шапиро и Ричард А. Андерсен, 30 ноября 2023 г., Природа Нейронауки.
DOI: 10.1038/s41593-023-01500-7

Уитни Григгс (доктор философии ’23 г.), Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе— Студент Калифорнийского технологического института, доктор медицинских наук и аспирант, и Самнер Норман, бывший научный сотрудник, ныне работающий в Forest Neurotech, являются первыми авторами исследования. Помимо Григгса, Нормана и Андерсена, соавторами Калифорнийского технологического института являются аспирант Гилинг Чау и Василиос Христопулос, приглашенный научный сотрудник в области биологии и биологической инженерии. Другими соавторами являются Чарльз Лю из ОСК; и Микаэль Тантер, Томас Деффье и Флориан Сегура из INSERM в Париже, Франция. Финансирование было предоставлено Национальным глазным институтом, стипендией Жозефины де Карман, MSTP Калифорнийского технологического института в Лос-Анджелесе, Фондом Деллы Мартин, Национальным институтом неврологических расстройств и инсульта, Национальные институты здоровьяЦентр мозго-машинного интерфейса T&C Chen и Фонд Босвелла.

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме