Интерфейс мозг/компьютер (МКИ) — это новая вспомогательная технология, позволяющая людям с параличом печатать на экранах компьютеров или манипулировать роботизированными протезами, просто думая о перемещении собственного тела. В течение многих лет исследовательские МКИ, используемые в клинических испытаниях, требовали кабелей для подключения сенсорной матрицы в мозге к компьютерам, которые декодируют сигналы и используют их для управления внешними устройствами.
Теперь впервые участники клинических испытаний BrainGate с тетраплегией продемонстрировали использование внутрикоркового беспроводного МКИ с внешним беспроводным передатчиком. Система способна передавать сигналы мозга с разрешением одного нейрона и в полной широкополосной точности без физической привязки пользователя к системе декодирования. Традиционные кабели заменяются небольшим передатчиком размером около 5 см и весом чуть более 40 г. Устройство располагается на голове пользователя и подключается к электродной матрице в моторной коре головного мозга с помощью того же порта, что и проводные системы.
Для исследования, опубликованного в IEEE Transactions on Biomedical Engineering, два участника клинических испытаний с параличом использовали систему BrainGate с беспроводным передатчиком, чтобы указывать, щелкать мышью и печатать на стандартном планшетном компьютере. Исследование показало, что беспроводная система передавала сигналы практически с той же точностью, что и проводные системы, и участники достигли аналогичной точности и скорости набора текста.
«Мы продемонстрировали, что эта беспроводная система функционально эквивалентна проводным системам, которые были золотым стандартом производительности BCI в течение многих лет, — сообщил Джон Симерал (John Simeral), доцент инженерного факультета Университета Брауна, член исследовательского консорциума BrainGate и ведущий автор исследования. — Сигналы записываются и передаются с соответствующей точностью, что означает, что мы можем использовать те же алгоритмы декодирования, которые мы использовали с проводным оборудованием. Единственное отличие заключается в том, что людям больше не нужно физически привязываться к нашему оборудованию, что открывает новые возможности с точки зрения того, как можно использовать систему».
Ученые говорят, что это исследование представляет собой ранний, но важный шаг к главной цели в исследовании МКИ: полностью имплантируемой внутрикорковой системе, которая поможет восстановить независимость для людей, потерявших способность двигаться. Хотя ранее сообщалось о беспроводных устройствах с более низкой полосой пропускания, это первое устройство, передающее полный спектр сигналов, записанных внутрикорковым датчиком. Этот широкополосный беспроводной сигнал позволяет проводить клинические исследования фундаментальной нейробиологии человека, что гораздо сложнее выполнить с помощью проводных МКИ.
Исследование продемонстрировало некоторые из этих новых возможностей. Участники, 35-летний мужчина и 63-летний мужчина, оба парализованные травмами спинного мозга, смогли использовать эту систему у себя дома, в то время как ранее большинство исследований МКИ проводились в лаборатории. Не обремененные кабелями, участники могли использовать МКИ непрерывно в течение 24 часов, предоставляя исследователям длительные данные, в том числе во время сна участников.
«Мы хотим понять, как нейронные сигналы эволюционируют с течением времени, — говорит Ли Хохберг (Leigh R. Hochberg), инженер-профессор Университета Брауна, исследователь Института науки о мозге и руководитель клинического исследования BrainGate. — С помощью этой системы мы можем наблюдать активность мозга в домашних условиях в течение длительных периодов времени таким образом, который был почти невозможен раньше. Это поможет нам разработать алгоритмы декодирования, которые обеспечат плавное, интуитивно понятное, надежное восстановление связи и мобильности для людей с параличом».
Устройство, использованное в исследовании, было впервые разработано в Университете Брауна в лаборатории Арто Нурмикко (Arto Nurmikko), профессора Инженерной школы Брауна. Получившее название Brown Wireless Device (BWD), оно предназначалось для передачи высокоточных сигналов при минимальной мощности. В настоящем исследовании два устройства, используемые вместе, регистрировали нейронные сигналы со скоростью 48 мегабит в секунду от 200 электродов со временем автономной работы более 36 часов.
Хотя МКИ успешно использовался в течение нескольких лет в фундаментальных исследованиях нейробиологии, перед использованием системы в испытании BrainGate потребовалось дополнительное тестирование и разрешение регулирующих органов. Г-н Нурмикко говорит, что шаг к прикладному использованию знаменует собой ключевой момент в развитии этой технологии.
«Для меня большая честь быть частью команды, раздвигающей границы интерфейсов мозг/машина для использования человеком, — поделился он. — Важно отметить, что беспроводная технология, описанная в нашей статье, помогла нам получить решающее представление о пути вперед в поисках следующего поколения нейротехнологий, таких как полностью имплантированные беспроводные электронные интерфейсы высокой плотности для мозга».
Новое исследование знаменует собой еще один значительный прогресс, достигнутый исследователями из консорциума BrainGate, междисциплинарной группы исследователей из университетов Брауна, Стэнфорда и Case Western Reserve, а также Медицинского центра по делам ветеранов Провиденса и Массачусетской больницы общего профиля. В 2012 году команда опубликовала знаковое исследование, в котором участники клинических испытаний впервые смогли оперировать многомерными роботизированными протезами с помощью МКИ. За этой работой последовал постоянный поток усовершенствований системы, а также новые клинические прорывы, которые позволили людям печатать на компьютерах, использовать планшетные приложения и даже двигать своими парализованными конечностями.
«Эволюция внутрикорковых МКИ от требования проводного кабеля к использованию миниатюрного беспроводного передатчика является важным шагом в направлении функционального использования полностью имплантированных высокопроизводительных нейронных интерфейсов, — заявила соавтор исследования Шарлин Флешер (Sharlene Flesher), которая была аспирантом в Стэнфорде, а теперь служит инженером-аппаратчиком в Apple. — Поскольку поле движется к сокращению полосы пропускания передаваемых данных при сохранении точности управления вспомогательными устройствами, это исследование может быть одним из немногих, которые фиксируют всю широту кортикальных сигналов в течение длительных периодов времени, в том числе во время практического использования МКИ».
Новая беспроводная технология уже приносит неожиданные дивиденды, говорят исследователи. Поскольку участники могут использовать беспроводное устройство в своих домах без механика под рукой для поддержания проводного соединения, команда BrainGate смогла продолжить свою работу во время пандемии COVID-19.
«В марте 2020 года стало ясно, что мы не сможем посещать дома участников нашего исследования, — рассказал г-н Хохберг, который также является неврологом интенсивной терапии Массачусетской больницы общего профиля и директором реабилитационного Научно-исследовательского центра Нейроремонта и нейротехнологий. — Но, обучив сиделок тому, как устанавливать беспроводное соединение, участник эксперимента смог использовать МКИ без физического присутствия членов нашей команды. Таким образом, мы не только смогли продолжить наши исследования, эта технология позволила нам продолжить работу с полной пропускной способностью и точностью, которые у нас были раньше».
Г-н Симерал отметил, что «многие компании чудесно вошли в область BCI, и некоторые уже продемонстрировали использование людьми беспроводных систем с низкой пропускной способностью, в том числе некоторые из них полностью имплантированы. В этом отчете мы рады, что использовали широкополосную беспроводную систему, которая развивает научные и клинические возможности будущих систем».
Источник: https://www.sciencedaily.com/releases/2021/04/210401112415.htm
Основная статья: Джон Д Симерал, Томас Хосман, Джад Сааб, Шарлин Н Флешер, Марко Вилела, Брайан Франко, Джессика Келемен, Дэвид М Брандман, Джон Г Чианчибелло, Пеймон Г Резаи, Эмад Н. Эскандар, Дэвид М Рослер, Кришна В Шеной, Джейми М. Хендерсон, Арто В Нурмикко, Ли Р. Хохберг. Домашнее использование чрескожного беспроводного нутрикоркового интерфейса мозг/компьютер людьми с тетраплегией. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2021; 1 DOI: 10.1109/TBME.2021.3069119