Kompiuterio valdymas protu kažkada buvo gryna mokslinė fantastika, bet dabar tai įmanoma dėl smegenų ir kompiuterio sąsajos (BCI) technologijos. Šiuolaikinės BCI sistemos padarė nepaprastą pažangą valdydamos sudėtingas mašinas mintimis, tačiau vis dar yra viena pagrindinė kliūtis – naujo signalo, kuris gali būti įrašytas per jūsų galvos odą ir kaukolę, nustatymas.
Johnso Hopkinso taikomosios fizikos laboratorijos (APL) Lorelyje, Merilando valstijoje, ir Johnso Hopkinso medicinos mokyklos Baltimorėje mokslininkai pasiekė proveržį neinvaziniame, didelės raiškos nervinių smegenų veiklos registravime.
Straipsnyje, paskelbtame m Mokslinės ataskaitoskomanda įrodo, kad nervinio audinio deformacijos gali būti naujas signalas smegenų veiklai, kuris gali būti panaudotas būsimiems BCI įrenginiams.
APL tyrimai buvo Gynybos pažangių tyrimų projektų agentūros naujos kartos nechirurginės neurotechnologijos programos dalis.
„Šiandien didžiausio poveikio BCI technologijoms reikalingi invaziniai chirurginiai implantai, norint įrašyti ir iššifruoti smegenų veiklą“, – sakė APL žmogaus ir mašinų intelekto programos vadovas Mike'as Wolmetzas.
„Yra tik keletas nechirurginių metodų, kurie visi turi reikšmingų ir esminių erdvinės skiriamosios gebos, laiko skiriamosios gebos, signalo ir triukšmo santykio ir formos faktoriaus apribojimų. Mūsų išvados yra naujo požiūrio, kuris galėtų žymiai išplėsti galimybes, pagrindus. nechirurginiam BCI.
BCI technologijos veikia registruodamos nervinį aktyvumą, susietą su tokia funkcija kaip kalba, judesys ar dėmesys, o vėliau tą veiklą interpretuoja, dažnai valdydami išorinį įrenginį nejudindami raumenų.
Sudėtingų sistemų be chirurginių implantų valdymas gali būti plačiai pritaikytas, o tai naudinga platesnei gyventojų grupei. Šiandien BCI apsiriboja klinikiniais atvejais dėl savo invazinio pobūdžio. Maždaug 50 žmonių buvo implantuotas BCI.
„Yra du iššūkiai, norint įgyvendinti neinvazinį BCI įrenginį: nustatyti signalą smegenyse, kuris galėtų padėti suprasti, kada ir kur vyksta nervinė veikla, ir parodyti, kad šis signalas gali įrašyti per žmogaus galvos odą ir kaukolę“, – sakė Davidas. Blodgettas, pagrindinis projekto tyrėjas ir vyriausiasis APL mokslininkas.
Komanda siekė išspręsti pirmąjį iš šių iššūkių, sukurdama skaitmeninę holografinę vaizdavimo (DHI) sistemą, kuri identifikuotų ir patvirtintų signalą kaip audinių deformaciją, atsirandančią nervų veiklos metu. Audinių deformacija yra tik dešimčių nanometrų aukščio, todėl DHI sistema buvo sukurta naudojant nanometrų skalę.
DHI sistema veikia aktyviai apšviesdama audinį lazeriu ir specialia kamera fiksuodama iš nervinio audinio išsklaidytą šviesą.
Ši informacija apdorojama, kad susidarytų sudėtingas audinio vaizdas, iš kurio galima tiksliai įrašyti dydžio ir fazės informaciją, kad būtų galima erdviškai išspręsti smegenų audinio greičio pokyčius. Per kelerius metus buvo atlikta daugybė pagrindinių bandymų, siekiant užtikrinti, kad komandos nustatytas signalas iš tikrųjų buvo susijęs su neuronų šaudymo laiku.
Neuroninį signalą nustatyti buvo sudėtinga dėl konkuruojančio triukšmo dėl fiziologinės netvarkos, tokios kaip kraujotaka, širdies susitraukimų dažnis ir kvėpavimo dažnis.
Blodgettas, kurio pagrindas yra oro ir povandeninio nuotolinio stebėjimo technologijų kūrimas, apibūdino iššūkį kaip nuotolinio stebėjimo problemą, kai komandai reikėjo aptikti nedidelį signalą – nervinę veiklą – sudėtingoje, netvarkingoje aplinkoje – smegenyse.
Norint įveikti šį iššūkį, reikėjo daugybės techninių galimybių. Blodgett ir jo komanda bendradarbiavo su Johns Hopkins Medicine ir sujungė daugiadalykę biomedicininio vaizdavimo, povandeninio vaizdo, akustinio apdorojimo realaus laiko aparatinės ir programinės įrangos sistemų, neurologijos ir medicinos tyrimų patirtį.
Nors komandos tikslas buvo sušvelninti fiziologinę netvarką, kad būtų galima nustatyti nervinį signalą, jie atrado, kad ši netvarka taip pat gali suteikti informacijos apie asmens sveikatą. Galimybė įrašyti fiziologinius signalus išplečia sistemos taikymo galimybes.
Vienas iš pavyzdžių buvo supratimas, kad sistema gali neinvaziškai registruoti intrakranijinį spaudimą. Kai gydytojai turi išmatuoti paciento intrakranijinį spaudimą, jie turi išgręžti skylę per kaukolę.
Jei kas nors patiria trauminį smegenų sužalojimą ir jam skiriami vaistai, gydytojai nežino, ar vaistai veikia, kol pacientas nepabunda. Galimybė stebėti smegenų sveikatą iš išorės galėtų padėti gydytojams spręsti šias problemas be invazinių metodų.
„Galimybė stebėti smegenų funkciją ir sveikatą per kaukolę be invazinių operacijų yra kliniškai labai naudinga”, – sakė Johnso Hopkinso universiteto neurologijos docentas Austen Lefebvre ir šio straipsnio autorius.
„Nors vis dar reikia daug ką suprasti apie neuroninį signalą, komandos išvados atveria naujas galimybes optiniam smegenų funkcijos registravimui, nes skaitmeninis holografinis vaizdas yra neinvazinis būdas, galintis įrašyti didelės raiškos“, – sakė Wolmetzas. „Dabar prioritetas yra parodyti pagrindinio ir klinikinio neurologijos taikymo žmonėms galimybes.”