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

к Мануэль Коста
0 комментарий
Ultrasound Brain-Machine Interface

Прорыв в контроле над разумом: революционный мозго-машинный интерфейс Калифорнийского технологического института с использованием ультразвука

Последние достижения в области интерфейсов «мозг-машина» (ИМТ) привели к появлению функционального ультразвука (ФУЗ) — неинвазивного метода мониторинга активности мозга. Эта революционная инновация показывает многообещающие результаты, обеспечивая точное управление электронными устройствами с минимальной задержкой, устраняя необходимость частой повторной калибровки.

Функциональное ультразвуковое исследование (ФУЗ) представляет собой значительный шаг вперед в технологии интерфейса «мозг-машина», обеспечивая менее инвазивный подход к интерпретации активности мозга с целью управления электронными устройствами.

ИМТ — это устройства, предназначенные для считывания активности мозга и перевода ее в команды для электронных устройств, таких как протезы конечностей или компьютерные курсоры. Они обладают потенциалом, позволяющим людям с параличом манипулировать протезами с помощью своей мысли.

Традиционные ИМТ часто требуют инвазивных хирургических процедур по имплантации электродов непосредственно в мозг для захвата нейронной активности. Однако в 2021 году исследователи из Калифорнийского технологического института представили новый метод мониторинга активности мозга с использованием функционального ультразвука (ФУЗ), гораздо менее инвазивного метода.

Функциональное ультразвуковое исследование: трансформация ИМТ

Недавнее исследование служит доказательством того, что технология ФУЗ может лежать в основе «онлайн» ИМТ. Такой ИМТ будет не только считывать активность мозга, но и декодировать ее значение с помощью алгоритмов машинного обучения, впоследствии управляя компьютером с минимальной задержкой и точно прогнозируя движения.

Ультразвуковая технология используется для создания двухмерных изображений мозга, которые затем можно сложить вместе для создания трехмерного изображения. Этот подход, прозрачен для черепа, не предполагает имплантации в сам мозг, что снижает риск заражения и сохраняет целостность ткани головного мозга и ее защитного покрытия, твердой мозговой оболочки.

Понимание ультразвуковой визуализации

Функция ультразвуковой визуализации заключается в излучении высокочастотных звуковых импульсов и измерении того, как эти вибрации распространяются через различные вещества, например ткани человеческого тела. Звуковые волны движутся с разными скоростями внутри этих тканей и отражаются от их границ. Этот метод обычно используется для диагностической визуализации, включая визуализацию плода во время беременности.

Поскольку звуковые волны не могут проникнуть в череп, в черепе необходимо установить прозрачное «окно», чтобы облегчить визуализацию мозга с помощью ультразвука. Ключом к функциональному ультразвуку является мониторинг изменений кровотока в определенных областях мозга. Поскольку нервная активность колеблется, меняется и использование метаболических ресурсов, таких как кислород, которые пополняются через кровоток. В этом исследовании ультразвук использовался для измерения изменений в кровотоке, что позволило одновременно отслеживать активность небольших популяций нейронов, некоторые из которых состоят всего из 60 нейронов, разбросанных по всему мозгу.

Открытие мобильности: расширение прав и возможностей парализованных людей с помощью компьютеров, управляемых мыслью, и роботизированных конечностей

Инновационное применение у приматов, не являющихся человеком

Исследователи применили функциональный ультразвук для мониторинга активности мозга в задней теменной коре (PPC) приматов. Эта область управляет планированием и выполнением движений и тщательно изучалась в лаборатории Андерсена с использованием различных методов.

Животных обучали выполнять две задачи, которые требовали от них планирования движений либо руками, чтобы управлять курсором на экране, либо глазами, чтобы сфокусироваться на определенной части экрана. Примечательно, что им нужно было только подумать о выполнении задачи, поскольку BMI интерпретировал деятельность по планированию в своем PPC.

Многообещающие результаты и перспективы на будущее

Ультразвуковые данные в реальном времени передавались на декодер, который был обучен интерпретировать эти данные с помощью машинного обучения. Впоследствии декодер генерировал управляющие сигналы для перемещения курсора в намеченное место, задуманное животным. Этот BMI достиг успешного контроля над восемью радиальными целями со средней ошибкой менее 40 градусов.

Примечательно, что этот метод устраняет необходимость ежедневной повторной калибровки, что отличает его от других ИМТ. Напротив, представьте себе сценарий, в котором перед использованием необходимо выполнять повторную калибровку компьютерной мыши в течение 15 минут каждый день.

Следующие шаги: исследования на человеке и улучшенная визуализация

Будущие усилия исследовательской группы включают изучение эффективности ИМТ на основе ультразвуковой технологии у людей и совершенствование технологии фУЗ для обеспечения трехмерной визуализации с повышенной точностью.

Это исследование под названием «Декодирование двигательных планов с использованием ультразвукового интерфейса мозг-машина с обратной связью» было опубликовано в журнале Nature Neuroscience 30 ноября 2023 года.

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., Nature Neuroscience.
DOI: 10.1038/s41593-023-01500-7

Уитни Григгс (доктор философии '23), аспирантка Калифорнийского технологического института в Лос-Анджелесе, доктор медицинских наук и Самнер Норман, бывший научный сотрудник, ныне сотрудничающий с Forest Neurotech, являются основными авторами исследования. Помимо Григгса, Нормана и Андерсена, среди других соавторов Калифорнийского технологического института — аспирант Гилинг Чау и Василиос Христопулос, приглашенный научный сотрудник в области биологии и биологической инженерии. В число дополнительных соавторов входят Чарльз Лю из Университета Южной Калифорнии, а также Микаэль Тантер, Томас Деффье и Флориан Сегура из INSERM в Париже, Франция. Финансирование исследования было предоставлено Национальным глазным институтом, стипендией Жозефины де Карман, MSTP Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Калифорнийским технологическим институтом, Фондом Деллы Мартин, Национальным институтом неврологических расстройств и инсульта, Национальными институтами здравоохранения, мозговой машиной Чена T&C. Центр интерфейса и Фонд Босуэлла.

Часто задаваемые вопросы (FAQ) об ультразвуковом интерфейсе «мозг-машина»

Что такое технология функционального ультразвука (ФУЗ)?

Функциональное ультразвуковое исследование (ФУЗ) — это неинвазивный метод мониторинга активности мозга, позволяющий точно контролировать электронные устройства путем интерпретации нервных сигналов.

Чем традиционные интерфейсы «мозг-машина» (ИМТ) отличаются от ИМТ на основе фУС?

Традиционные ИМТ часто требуют инвазивных операций по имплантации электродов в мозг, в то время как ИМТ на основе ФУЗ использует ультразвук для мониторинга активности мозга без необходимости имплантации.

Какие преимущества дает технология FUS?

Функциональное ультразвуковое исследование менее инвазивно, чем традиционные имплантаты головного мозга, не требует частой повторной калибровки и позволяет контролировать активность в нескольких областях мозга одновременно.

Как в этом контексте работает ультразвуковое исследование?

Ультразвук излучает высокочастотные звуковые импульсы, измеряя, как они распространяются через ткани. Изменения кровотока, связанные с нейронной активностью, обнаруживаются с помощью эффекта Доплера, что позволяет осуществлять точный мониторинг.

Каковы потенциальные применения этой технологии?

Эта технология может дать парализованным людям возможность управлять протезами или компьютерами силой мысли, предлагая вновь обретенную мобильность и независимость.

Есть ли планы протестировать эту технологию на людях?

Да, исследовательская группа планирует изучить, как ИМТ на основе ФУЗ действуют на людей, потенциально предлагая это нововведение более широкой аудитории.

Подробнее об ультразвуковом интерфейсе «мозг-машина»

Вам также может понравиться

Оставить комментарий

* Используя эту форму, вы соглашаетесь с хранением и обработкой ваших данных на этом сайте.

1ТП1Т — веб-ресурс, посвященный предоставлению актуальной информации о быстро меняющемся мире науки и технологий. Наша миссия — сделать науку и технологии доступными для всех через нашу платформу, объединяя экспертов, новаторов и ученых, чтобы поделиться своими знаниями и опытом.

Подписаться

Подпишитесь на мою рассылку, чтобы получать новые сообщения в блоге, советы и новые фотографии. Давайте оставаться в курсе!

© 2023 1ТП1Т

ru_RUРусский