Durchbruch bei der Gedankenkontrolle: Caltechs bahnbrechende Ultraschall-Gehirn-Maschine-Schnittstelle

von Manuel Costa
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Ultrasound Brain-Machine Interface

Durchbruch in der Gedankenkontrolle: Caltechs revolutionäre Gehirn-Maschine-Schnittstelle unter Verwendung von Ultraschall

Die neuesten Fortschritte bei Brain-Machine Interfaces (BMIs) haben den funktionellen Ultraschall (fUS) eingeführt, eine nicht-invasive Technik zur Überwachung der Gehirnaktivität. Diese bahnbrechende Innovation zeigt vielversprechende Ergebnisse bei der präzisen Steuerung elektronischer Geräte mit minimaler Verzögerung, sodass keine häufige Neukalibrierung erforderlich ist.

Funktioneller Ultraschall (fUS) stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Brain-Machine-Interface-Technologie dar und bietet einen weniger invasiven Ansatz zur Interpretation der Gehirnaktivität zum Zweck der Steuerung elektronischer Geräte.

BMIs sind Geräte, die dazu dienen, die Gehirnaktivität zu lesen und sie in Befehle für elektronische Geräte wie Prothesen oder Computercursor umzuwandeln. Sie haben das Potenzial, gelähmten Menschen die Möglichkeit zu geben, Prothesen mithilfe ihrer Gedanken zu manipulieren.

Herkömmliche BMIs erfordern häufig invasive chirurgische Eingriffe, bei denen Elektroden direkt in das Gehirn implantiert werden, um die neuronale Aktivität zu erfassen. Im Jahr 2021 führten Forscher am Caltech jedoch eine neuartige Methode zur Überwachung der Gehirnaktivität mithilfe von funktionellem Ultraschall (fUS) ein, einer weitaus weniger invasiven Technik.

Funktioneller Ultraschall: BMIs verändern

Eine aktuelle Studie dient als Proof-of-Concept dafür, dass die fUS-Technologie einen „Online“-BMI unterstützen könnte. Ein solcher BMI würde nicht nur die Gehirnaktivität ablesen, sondern auch ihre Bedeutung durch maschinelle Lernalgorithmen entschlüsseln und anschließend einen Computer mit minimaler Verzögerung steuern und gleichzeitig Bewegungen genau vorhersagen.

Mithilfe der Ultraschalltechnologie werden zweidimensionale Gehirnbilder erstellt, die dann zu einer dreidimensionalen Darstellung gestapelt werden können. Dieser für den Schädel transparente Ansatz erfordert keine Implantation in das Gehirn selbst, wodurch das Infektionsrisiko verringert und die Integrität des Gehirngewebes und seiner Schutzhülle, der Dura, erhalten bleibt.

Ultraschallbildgebung verstehen

Die Funktion der Ultraschallbildgebung besteht darin, hochfrequente Schallimpulse auszusenden und zu messen, wie sich diese Schwingungen durch verschiedene Substanzen, beispielsweise menschliches Körpergewebe, ausbreiten. Schallwellen breiten sich in diesen Geweben mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aus und werden an ihren Grenzen reflektiert. Diese Technik wird häufig für die diagnostische Bildgebung verwendet, einschließlich der fetalen Bildgebung während der Schwangerschaft.

Da Schallwellen den Schädel nicht durchdringen können, muss ein transparentes „Fenster“ in den Schädel eingebaut werden, um die Bildgebung des Gehirns mit Ultraschall zu ermöglichen. Der Schlüssel zum funktionellen Ultraschall liegt in der Überwachung von Veränderungen des Blutflusses in bestimmten Gehirnregionen. Wenn die neuronale Aktivität schwankt, ändert sich auch die Nutzung von Stoffwechselressourcen wie Sauerstoff, die über den Blutkreislauf wieder aufgefüllt werden. Diese Studie nutzte Ultraschall zur Messung von Veränderungen im Blutfluss und ermöglichte so die gleichzeitige Überwachung der Aktivität kleiner neuronaler Populationen, von denen einige nur aus 60 Neuronen bestehen und über das gesamte Gehirn verteilt sind.

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Innovative Anwendung bei nichtmenschlichen Primaten

Forscher verwendeten funktionellen Ultraschall, um die Gehirnaktivität im hinteren parietalen Kortex (PPC) nichtmenschlicher Primaten zu überwachen. Diese Region regelt die Planung und Ausführung von Bewegungen und wurde vom Andersen-Labor mit verschiedenen Techniken eingehend untersucht.

Den Tieren wurde beigebracht, zwei Aufgaben auszuführen, bei denen sie Bewegungen planen mussten, entweder mit ihren Händen, um einen Cursor auf einem Bildschirm zu steuern, oder mit ihren Augen, um sich auf einen bestimmten Teil des Bildschirms zu konzentrieren. Bemerkenswerterweise mussten sie nur über die Ausführung der Aufgabe nachdenken, da der BMI die Planungsaktivität in ihrem PPC interpretierte.

Vielversprechende Ergebnisse und Zukunftsaussichten

Echtzeit-Ultraschalldaten wurden an einen Decoder übertragen, der darauf trainiert war, diese Daten mithilfe von maschinellem Lernen zu interpretieren. Anschließend generierte der Decoder Steuersignale, um einen Cursor an die vom Tier vorgesehene Stelle zu bewegen. Dieser BMI erreichte eine erfolgreiche Kontrolle über acht radiale Ziele mit mittleren Fehlern von weniger als 40 Grad.

Bemerkenswert ist, dass diese Technik eine tägliche Neukalibrierung überflüssig macht und sie von anderen BMIs unterscheidet. Stellen Sie sich dagegen ein Szenario vor, in dem jemand seine Computermaus jeden Tag bis zu 15 Minuten lang neu kalibrieren muss, bevor er sie verwendet.

Nächste Schritte: Humanstudien und verbesserte Bildgebung

Zu den künftigen Aufgaben des Forschungsteams gehört es, die Leistung von BMIs auf Basis der Ultraschalltechnologie beim Menschen zu untersuchen und die fUS-Technologie zu verfeinern, um eine dreidimensionale Bildgebung für eine höhere Präzision zu ermöglichen.

Diese Studie mit dem Titel „Dekodierung motorischer Pläne mithilfe einer Ultraschall-Gehirn-Maschine-Schnittstelle mit geschlossenem Regelkreis“ wurde am 30. November 2023 in der Zeitschrift Nature Neuroscience veröffentlicht.

Referenz: „Dekodierung motorischer Pläne mithilfe einer Ultraschall-Gehirn-Maschine-Schnittstelle mit geschlossenem Regelkreis“ von Whitney S. Griggs, Sumner L. Norman, Thomas Deffieux, Florian Segura, Bruno-Félix Osmanski, Geeling Chau, Vasileios Christopoulos, Charles Liu, Mickael Tanter , Mikhail G. Shapiro und Richard A. Andersen, 30. November 2023, Nature Neuroscience.
DOI: 10.1038/s41593-023-01500-7

Whitney Griggs (PhD '23), eine MD/PhD-Studentin der UCLA-Caltech, und Sumner Norman, ein ehemaliger Postdoktorand, der jetzt bei Forest Neurotech angestellt ist, sind die Hauptautoren der Studie. Neben Griggs, Norman und Andersen gehören zu den Co-Autoren des Caltech auch der Doktorand Geeling Chau und Vasileios Christopoulos, ein Gastwissenschaftler in Biologie und Biotechnik. Weitere Co-Autoren sind Charles Liu von USC sowie Mickael Tanter, Thomas Deffieux und Florian Segura von INSERM in Paris, Frankreich. Die Finanzierung der Forschung erfolgte durch das National Eye Institute, ein Josephine de Karman-Stipendium, das UCLA-Caltech MSTP, die Della Martin Foundation, das National Institute of Neurological Disorders and Stroke, die National Institutes of Health und die T&C Chen Brain-Machine Interface Center und die Boswell Foundation.

Häufig gestellte Fragen (FAQs) zur Ultraschall-Gehirn-Maschine-Schnittstelle

Was ist funktionelle Ultraschalltechnologie (fUS)?

Funktioneller Ultraschall (fUS) ist eine nicht-invasive Technik zur Überwachung der Gehirnaktivität, die eine präzise Steuerung elektronischer Geräte durch Interpretation neuronaler Signale ermöglicht.

Wie unterscheiden sich traditionelle Brain-Machine Interfaces (BMIs) von fUS-basierten BMIs?

Herkömmliche BMIs erfordern oft invasive Operationen, um Elektroden in das Gehirn zu implantieren, während fUS-basierte BMIs Ultraschall verwenden, um die Gehirnaktivität zu überwachen, ohne dass eine Implantation erforderlich ist.

Welche Vorteile bietet die fUS-Technologie?

Funktioneller Ultraschall ist weniger invasiv als herkömmliche Gehirnimplantate, erfordert keine häufige Neukalibrierung und ermöglicht die gleichzeitige Überwachung der Aktivität in mehreren Gehirnregionen.

Wie funktioniert in diesem Zusammenhang die Ultraschallbildgebung?

Ultraschall sendet hochfrequente Schallimpulse aus und misst, wie sie sich durch Gewebe ausbreiten. Veränderungen im Blutfluss, die mit neuronaler Aktivität zusammenhängen, werden durch den Doppler-Effekt erkannt und ermöglichen so eine präzise Überwachung.

Was sind die möglichen Anwendungen dieser Technologie?

Diese Technologie könnte gelähmten Menschen die Möglichkeit geben, Prothesen oder Computer mit ihren Gedanken zu steuern und so eine neue Mobilität und Unabhängigkeit zu ermöglichen.

Gibt es Pläne, diese Technologie am Menschen zu testen?

Ja, das Forschungsteam plant, die Wirkung von fUS-basierten BMIs beim Menschen zu untersuchen und diese Innovation möglicherweise einem breiteren Publikum zugänglich zu machen.

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