Συνδέστε με: η φυσική των διεπαφών εγκεφάλου-υπολογιστή – Physics World

Ο ανθρώπινος εγκέφαλος είναι ένα εκπληκτικό και πολύπλοκο κομμάτι μηχανήματος. Με περισσότερους από 80 δισεκατομμύρια νευρώνες στον ανθρώπινο εγκεφαλικό φλοιό, ο καθένας με χίλιες συνάψεις, ο εγκέφαλός μας επεξεργάζεται περίπου 100 megabit πληροφοριών ανά δευτερόλεπτο. Φανταστείτε τότε, να προσπαθείτε να μετρήσετε, να εξαγάγετε και να ερμηνεύσετε όλα τα σήματα στον εγκέφαλό μας σε πραγματικό χρόνο, με την ταχύτητα της σκέψης. Το χτύπημα στον εγκέφαλο μπορεί κάποτε να ήταν αποκλειστικά στη σφαίρα του επιστημονικής φαντασίας – από X Men προς την Το Matrix – αλλά σήμερα, είναι πραγματικά δυνατό να συνδέσετε τον εγκέφαλό σας με έναν υπολογιστή και να ελέγξετε ένα ρομποτικό χέρι, ας πούμε, ή να μεταφράσετε τις σκέψεις σας σε κείμενο.

Μια διεπαφή εγκεφάλου-υπολογιστή (BCI) λειτουργεί ως γέφυρα μεταξύ του εγκεφάλου σας και μιας εξωτερικής συσκευής, συνήθως ενός υπολογιστή. Τα BCI συλλέγουν, αναλύουν και μεταφράζουν ηλεκτρικά σήματα από τον εγκέφαλό σας σε εντολές που μπορούν να γίνουν κατανοητές και να εκτελεστούν από έναν υπολογιστή. Μπορούν επίσης να εφαρμόσουν εξωτερικά σήματα για τη ρύθμιση του εγκεφάλου. Χάρη σε έναν συνδυασμό νευροεπιστήμης, βιοϊατρικής, φυσικής και τεχνολογίας, οι BCI μπορούν να αλλάξουν τις ζωές ατόμων με σοβαρές ιατρικές παθήσεις. Έχουν επίσης εφαρμογές σε ρομποτική, νευροεπιστήμη, τεχνολογία, παιχνίδια και υπολογιστές.

Τα τελευταία 25 χρόνια, τα BCI επέτρεψαν στους παράλυτους να το κάνουν χειρίζονται υπολογιστές μόνο με τη σκέψη. Εχουν αποκατεστημένη ομιλία αφού έχει χαθεί λόγω εγκεφαλικού? έχουν επιτρέψει σε όσους αγνοούνται ή παράλυτα άκρα για να λειτουργήσουν ξανά ή τους βοήθησε να χειρίζονται ρομποτικά χέρια και τα χέρια. Τα BCI έχουν διαγνωσμένη επιληψία και άλλες νευρολογικές παθήσεις, και τις μετρίασε για δεκάδες χιλιάδες ανθρώπους. Έχουν δείξει ακόμη και υπόσχεση για αποκατάσταση της όρασης στους τυφλούς.

Αλλά τα περισσότερα από αυτά τα παραδείγματα απαιτούν χειρουργική επέμβαση εγκεφάλου, στην οποία τοποθετούνται ηλεκτρόδια πάνω ή μέσα στο επιφανειακό στρώμα του εγκεφάλου (τον φλοιό) και ενδεχομένως ακόμη πιο βαθιά, κάτι που είναι επικίνδυνο καθώς θα μπορούσε να προκαλέσει αιμορραγίες ή λοιμώξεις. Ένα άλλο πρόβλημα είναι ότι οι ερευνητές δεν έχουν επί του παρόντος μια σαφή ιδέα για τον αντίκτυπο και την πιθανή ζημιά που θα μπορούσαν να προκαλέσουν τα εμφυτευμένα ηλεκτρόδια στον εγκεφαλικό ιστό, ενώ επίσης δεν γνωρίζουν πόσο καιρό μπορεί να διαρκέσουν. Όλα αυτά σημαίνουν ότι τα ηλεκτρικά εμφυτεύματα στην τρέχουσα κατάστασή τους δεν μπορούν να βοηθήσουν με ασφάλεια και αξιοπιστία τα εκατομμύρια που θα ωφεληθούν από αυτά. Στην πραγματικότητα, οι ανθρώπινες εμφυτεύσεις πραγματοποιούνται μόνο όταν όλες οι άλλες θεραπείες αποτυγχάνουν ή σε πειραματική βάση – για περίπου 50 άτομα παγκοσμίως με σοβαρούς περιορισμούς όπως η παράλυση – όπου η πιθανότητα βελτίωσης μιας κακής ποιότητας ζωής υπερτερεί των κινδύνων.

Ευτυχώς, οι λύσεις σε ορισμένα από αυτά τα ζητήματα μπορεί να βρίσκονται στις αρχές και τις μεθόδους της φυσικής, οι οποίες θα μπορούσαν να καταστήσουν αυτές τις συσκευές ασφαλέστερες, πιο ανθεκτικές και πιο ευρέως διαθέσιμες. Η φυσική θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση των μεθόδων και υλικών εμφύτευσης BCI. Πιο κρίσιμη όμως, είναι η ανάγκη εξάλειψης ή ελαχιστοποίησης της χειρουργικής επέμβασης στον εγκέφαλο παρέχοντας τρόπους αλληλεπίδρασης με τον εγκέφαλο μέσω φωτός, μαγνητικών πεδίων ή υπερήχων. Τα μη επεμβατικά, ασύρματα και φορητά ή φορητά BCI θα μπορούσαν να ενισχύσουν την έρευνα του εγκεφάλου και την ιατρική θεραπεία και να χρησιμοποιηθούν και στην καθημερινή ζωή.

Χτυπήστε με μια σκέψη

Από την αρχαιότητα μέχρι τον 19ο αιώνα, γιατροί και πειραματιστές, συχνά άθελά τους, διεξήγαγαν διάφορα στοιχειώδη πειράματα στα οποία προσπάθησαν να τροποποιήσουν την ηλεκτρική δραστηριότητα του εγκεφάλου για ιατρική θεραπεία. Το 1924 αυτές οι προσπάθειες έγιναν αυστηρές όταν ο Γερμανός ψυχίατρος Χανς Μπέργκερ κατέγραψε την ηλεκτρική δραστηριότητα του εγκεφάλου χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδια που τοποθετήθηκαν στο κρανίο ενός ασθενούς, επινοώντας έτσι την τεχνική της ηλεκτροεγκεφαλογραφίας (ΗΕΓ). Στη δεκαετία του 1970, ο φυσικός και επιστήμονας υπολογιστών Jacques Vidal έδειξε τον έλεγχο της σκέψης μιας εξωτερικής συσκευής, καθώς ανθρώπινα υποκείμενα με επαφές EEG κινούσαν νοερά έναν δρομέα που εμφανιζόταν σε μια οθόνη υπολογιστή.

Το ΗΕΓ παραμένει ένα πολύτιμο μη επεμβατικό εργαλείο για τη διάγνωση καταστάσεων όπως η επιληψία, επιτρέποντάς μας να προσδιορίσουμε την αιτία και τον τύπο των κρίσεων από τους οποίους μπορεί να υποφέρει ένας ασθενής, καθώς και να διερευνήσουμε άλλες καταστάσεις όπως άνοια, όγκοι εγκεφάλου και διάσειση. Αλλά ένα ΗΕΓ λαμβάνει δείγματα μεγάλων ομάδων νευρώνων και η αναλογία σήματος προς θόρυβο είναι φτωχή, καθιστώντας δύσκολη τη συσχέτιση των σημάτων με συγκεκριμένες εγκεφαλικές δραστηριότητες.

Τα εμφυτευμένα ηλεκτρόδια, από την άλλη πλευρά, λαμβάνουν απευθείας δείγματα επιλεγμένων νευρώνων. Αυτό αποδείχθηκε πειραματικά το 1998, όταν ο νευρολόγος Philip Kennedy με έδρα την Ατλάντα τοποθέτησε ειδικά σχεδιασμένα ηλεκτρόδια στον εγκέφαλο ενός ασθενούς που ονομάστηκε "JR", ο οποίος είχε μείνει "κλειδωμένος" από εγκεφαλικό (IEEE Trans. Αποκατάσταση. Eng. 8 198). Ο άτυχος ασθενής είχε στην κατοχή του τις πλήρεις γνωστικές του ικανότητες, αλλά δεν μπορούσε να κινηθεί ή να μιλήσει. Τελικά, ο JR έμαθε να επικοινωνεί ελέγχοντας διανοητικά έναν δρομέα υπολογιστή για να γράφει λέξεις.

Τώρα πολλοί ερευνητές και κλινικοί γιατροί χρησιμοποιούν μια εμφυτευμένη συστοιχία ηλεκτροδίων, γνωστή ως το "Utah Array" από τη Blackrock Neurotech. Αυτό το προσαρμοσμένο προϊόν πυριτίου είναι μια σειρά 100 pΗλεκτρόδια πυριτίου τύπου (σε διαμόρφωση 10 × 10), σε απόσταση 400 μm μεταξύ τους σε μονωτικό υπόστρωμα 4 × 4 mm – περίπου στο μέγεθος ενός κόκκου πιπεριού. Τα ηλεκτρόδια, μήκους 0.5 έως 1.5 mm, καλύπτονται με οξείδιο πλατίνας ή ιριδίου. Περίπου 30 άνθρωποι σε όλο τον κόσμο, που πάσχουν από διαφορετικά συμπτώματα παράλυσης, έχουν τοποθετηθεί με αυτές τις συσκευές. Για παράδειγμα, το 2015 εμφυτεύτηκαν τέσσερις συστοιχίες Νέιθαν Κόουλαντ, ο οποίος έμεινε παράλυτος από το στήθος και κάτω μετά από ένα τροχαίο ατύχημα το 2004. Τα εμφυτεύματα του επιτρέπουν να ελέγχει έναν υπολογιστή, να παίζει βιντεοπαιχνίδια και να ελέγχει ένα ρομποτικό χέρι, με τις σκέψεις του. Τη στιγμή που γράφεται αυτό το άρθρο, ο Copeland είναι ο μακροβιότερος ασθενής με ένα τέτοιο εμφύτευμα, αλλά οι πραγματικά μακροπρόθεσμες επιπτώσεις αυτής της επεμβατικής τεχνολογίας δεν είναι πλήρως κατανοητές.

Μείωση της επεμβατικότητας

Το πρόβλημα με ένα ηλεκτρόδιο ή οποιοδήποτε άλλο τεχνητό εμφύτευμα στον εγκέφαλο είναι ότι μπορεί να προκαλέσει μια ανοσολογική απόκριση, η οποία προκαλεί φλεγμονή και ουλές σε κοντινό ιστό. Αυτό επιδεινώνεται από τη μηχανική αναντιστοιχία μεταξύ ενός άκαμπτου ηλεκτροδίου και του μαλακού ιστού του εγκεφάλου, που με τη σειρά του μπορεί επίσης να υποβαθμίσει την απόδοση του ηλεκτροδίου.

Η εύρεση ανθεκτικών, βιοσυμβατών υλικών με κατάλληλες ηλεκτρικές ιδιότητες για ηλεκτρόδια και υποστρώματα είναι μια πρόκληση για τη φυσική και την επιστήμη των υλικών

Αλλά η εύρεση ανθεκτικών, βιοσυμβατών υλικών με κατάλληλες ηλεκτρικές ιδιότητες για ηλεκτρόδια και υποστρώματα είναι μια πρόκληση για τη φυσική και την επιστήμη των υλικών. Οι πολλά υποσχόμενοι υποψήφιοι περιλαμβάνουν μαλακά και εύκαμπτα αγώγιμα πολυμερή, καθώς και εξαιρετικά λεπτούς ηλεκτρικούς αγωγούς όπως νανοσωλήνες άνθρακα και νανοσύρματα πυριτίου (για μια άλλη προσέγγιση, βλέπε πλαίσιο παρακάτω).

Οι ερευνητές εργάζονται επίσης για τη μείωση των χειρουργικών κινδύνων, προσαρμόζοντας τις υπάρχουσες ιατρικές τεχνολογίες. Τα στεντ - μικροσκοπικοί κοίλοι κύλινδροι - χρησιμοποιούνται συνήθως για να κρατούν ανοιχτούς διάφορους τύπους αγγείων στο σώμα. Σε μια κοινή χρήση, διατηρούν τις στεφανιαίες αρτηρίες ανοιχτές και θεωρούνται ελάχιστα επεμβατικές. Η εταιρεία Neurotech Synchron έχει αναπτύξει «stentrodes» (συστοιχία εγγραφής stent-electrode). Είναι ηλεκτρόδια τοποθετημένα σε ένα στεντ που εμφυτεύεται μόνιμα σε ένα αιμοφόρο αγγείο στον εγκέφαλο. Μπορούν να ανιχνεύσουν εγκεφαλικά σήματα και να τα στείλουν ασύρματα σε έναν υπολογιστή. Σε δοκιμές σε ανθρώπους, τα stentrodes επέτρεψαν σε παράλυτα άτομα να χειριστούν υπολογιστές (J. NeuroIntervent. Surg. 13 102).

Χρησιμοποιώντας μια διαφορετική προσέγγιση, η εταιρεία των Η.Π.Α Neuralink ανακοίνωσε το 2019 ότι είχε αναπτύξει ένα BCI που θα εμφυτευόταν στο ίδιο επίπεδο με το κρανίο από ένα χειρουργικό ρομπότ, το οποίο θα τοποθετούσε επίσης 1024 ή περισσότερα εύκαμπτα ηλεκτρόδια στον εγκέφαλο (J. Med. Internet Res. 21 e16194). Η Neuralink, η οποία ιδρύθηκε από τον Έλον Μασκ, δεν έχει δημοσιεύσει περισσότερες λεπτομέρειες από τότε, αλλά μετά την πρόσφατη έγκρισή της από τον Οργανισμό Τροφίμων και Φαρμάκων των ΗΠΑ (FDA) για δοκιμές σε ανθρώπους, ενδέχεται να υπάρχουν περισσότερες πληροφορίες. Σε οποιαδήποτε μορφή, τα BCI που βασίζονται σε ηλεκτρόδια θα συνεχίσουν να είναι σημαντικά λόγω της υψηλής χωρικής διακριτικότητας και της γρήγορης απόκρισής τους, αλλά οι μη επεμβατικές προσεγγίσεις αναπτύσσονται επίσης γρήγορα.

Τα φωτόνια διερευνούν τον εγκέφαλο

Στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, το φως κοντά στο υπέρυθρο (NIR), το οποίο εκτείνεται από 700 έως 1400 nm, μπορεί διασχίζω το κρανίο και να διεισδύσει στον εγκέφαλο σε βάθος εκατοστών, χωρίς να κάνει κακό, αρκεί η πυκνότητα ισχύος να διατηρείται στα milliwatts ανά τετραγωνικό εκατοστό. Μια μη επεμβατική μέθοδος NIR που ονομάζεται «φωτοβιοτροποποίηση» έχει δείξει ότι μπορεί να διεγείρει τον εγκέφαλο. Για παράδειγμα, σε μια κλινική δοκιμή το 2021, οι ασθενείς με άνοια εκτέθηκαν επανειλημμένα σε LED που εκπέμπουν φως στα 1060-1080 nm. Αυτή η ομάδα έδειξε αξιοσημείωτες βελτιώσεις στη γνωστική λειτουργία και την υποκειμενική διάθεση σε σύγκριση με μια ομάδα ελέγχου (Γήρανση Dis. 12 954). Θεωρείται ότι το φως ενισχύει την κυτταρική λειτουργία ή μειώνει τη φλεγμονή, αλλά χρειάζεται περισσότερη έρευνα για να καθοριστεί ο ακριβής μηχανισμός.

Μια δεύτερη μη επεμβατική μέθοδος, γνωστή ως «λειτουργική φασματοσκοπία κοντά στο υπέρυθρο» (fNIRS), χρησιμοποιεί φως NIR για να μετρήσει τις διακυμάνσεις του φωτός που απορροφάται από την αιμοσφαιρίνη στο αίμα που κυκλοφορεί στον εγκέφαλο. Η τεχνική μπορεί να χαρτογραφήσει την εγκεφαλική δραστηριότητα επειδή η αποοξυγονωμένη αιμοσφαιρίνη απορροφά το φως NIR διαφορετικά από την οξυγονωμένη μορφή, HbO₂. Οι ενεργοί νευρώνες χρειάζονται αυξημένη ροή HbO₂-εμπλουτισμένο αίμα, καθιστώντας δυνατή την ανίχνευση της εγκεφαλικής λειτουργίας. Δύο μήκη κύματος εφαρμόζονται στο κρανίο και μια μέτρηση των διαφορετικών εξασθενίσεών τους σε συγκεκριμένες θέσεις μπορεί να δείξει ποιες περιοχές είναι ενεργές. Το fNIRS έχει χρησιμοποιηθεί στην κλινική, με την αμερικανική εταιρεία νευροτεχνολογίας Kernel να αναπτύσσει μια έκδοση φορητών ακουστικών. Καλύπτει το κρανίο με 52 μονάδες, καθεμία με πηγές λέιζερ που εκπέμπουν στα 690 nm και 850 nm και έναν ανιχνευτή (J. Biomed. Επιλέγω. 27 074710). Το 2021 ο FDA ενέκρινε τη συσκευή για να δοκιμάσει την ανταπόκριση του εγκεφάλου σε ένα ψυχεδελικό φάρμακο.

Αν και χρειάζονται δευτερόλεπτα για να αναπτυχθεί η οξυγονωμένη ροή αίματος –καθιστώντας το fNIRS πολύ αργό για τον έλεγχο μιας εξωτερικής συσκευής– παρέχει υψηλότερη χωρική ανάλυση και καλύτερο σήμα προς θόρυβο από το EEG, που σημαίνει ότι μπορεί να εντοπίσει την εγκεφαλική δραστηριότητα με μεγαλύτερη ακρίβεια. Ένα σετ μικροφώνου-ακουστικού fNIRS θα μπορούσε να μετρήσει την εγκεφαλική δραστηριότητα ακόμη και σε ένα θέμα που κινείται ελεύθερα, καθιστώντας δυνατή τη χαρτογράφηση του εγκεφάλου και τη διάγνωση νευρικών καταστάσεων κάτω από διαφορετικές συνθήκες.

Γρήγορες αποκρίσεις μπορούν να ληφθούν με μια άλλη μέθοδο - γνωστή ως "οπτικό σήμα που σχετίζεται με συμβάντα" (EROS) - που χρησιμοποιεί υπέρυθρο φως για τη μέτρηση των αλλαγών στις οπτικές ιδιότητες του εγκεφαλικού ιστού του φλοιού. Η αλληλεπίδραση του φωτός με τον νευρικό ιστό αλλάζει όταν οι νευρώνες είναι ενεργοί επειδή αυτό αυξάνει την οπτική σκέδαση, επιμηκύνοντας τις διαδρομές των φωτονίων που διασχίζουν τον εγκέφαλο και καθυστερώντας την άφιξή τους σε έναν ανιχνευτή.

Σε πρώιμα πειράματα σε ανθρώπους, το φως NIR που εφαρμόστηκε μέσω οπτικών ινών διείσδυσε στο κρανίο και ανιχνεύτηκε σε μικρή απόσταση, με καθυστέρηση 0.1 δευτερολέπτων ή λιγότερο μετά τη διέγερση των νευρώνων. Η περαιτέρω εργασία έχει περιοριστεί επειδή αυτές οι μετρήσεις είναι τεχνικά απαιτητικές, αλλά τα πρόσφατα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι το EROS σε συνδυασμό με το fNIRS θα μπορούσε να αποτελέσει τη βάση για μη επεμβατικά BCI με καλή χωρική και χρονική ανάλυση.

Ο μαγνητικός εγκέφαλος

Μια άλλη καθιερωμένη μη επεμβατική μέθοδος για τον εντοπισμό της νευρικής δραστηριότητας του εγκεφάλου είναι η «λειτουργική μαγνητική τομογραφία» (fMRI). Η τυπική μαγνητική τομογραφία ανιχνεύει τη συμπεριφορά των πρωτονίων στο νερό και το λίπος στο σώμα, μέσα σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, για να απεικονίσει τις σωματικές δομές. fMRI αντί ανιχνεύει σήματα από τη ροή του αίματος στον εγκέφαλο που, όπως αναφέρθηκε, εξαρτώνται από το επίπεδο οξυγόνωσης της αιμοσφαιρίνης. Όπως το fNIRS, αυτό επιτρέπει στο fMRI να επισημαίνει περιοχές νευρικής δραστηριότητας αλλά σε χωρική ανάλυση 1 mm αντί 1 cm. Η χρονική υστέρηση των δευτερολέπτων επιτρέπει τη χαρτογράφηση σχεδόν σε πραγματικό χρόνο, αλλά εξακολουθεί να είναι πολύ αργή για τον εγκεφαλικό έλεγχο εξωτερικών συσκευών. Η fMRI απαιτεί επίσης μια μεγάλη, ακριβή εγκατάσταση με υπεραγώγιμο μαγνήτη.

Οι ταχύτεροι χρόνοι απόκρισης έρχονται με τη μη επεμβατική «μαγνητοεγκεφαλογραφία» (MEG), η οποία παρακολουθεί τη νευρική δραστηριότητα ανιχνεύοντας το femtotesla (10^-15 tesla) μαγνητικά πεδία που δημιουργούνται καθώς ιονικά ρεύματα ρέουν μεταξύ των ενεργών νευρώνων. Αυτά τα πεδία μετρώνται από ευαίσθητες υπεραγώγιμες κβαντικές παρεμβολές (SQUID) τοποθετημένες κοντά στο τριχωτό της κεφαλής, μέσα σε ένα θωρακισμένο δωμάτιο για την αποφυγή μαγνητικής παρεμβολής. Το MEG παρέχει χωρική ανάλυση 1–2 mm και χρόνο απόκρισης χιλιοστών του δευτερολέπτου, αλλά απαιτεί μια ογκώδη συσκευή με υψηλό κόστος λειτουργίας.

Ένας νέος τύπος ανιχνευτή, το «μαγνητόμετρο οπτικής άντλησης» (OPM), βελτιώνει το MEG μετρώντας το μαγνητικό πεδίο του εγκεφάλου σε θερμοκρασία δωματίου. Το OPM χρησιμοποιεί ένα μικρό στοιχείο γεμάτο με ατμό ατόμου αλκαλίου. Μια δίοδος λέιζερ συντονισμένη σε μια συγκεκριμένη κβαντική μετάβαση αντλεί οπτικά τον ατμό, ο οποίος ευθυγραμμίζει τις ατομικές μαγνητικές ροπές. Αυτή η μαγνήτιση αλληλεπιδρά με το μαγνητικό πεδίο του εγκεφάλου για να αλλάξει την αδιαφάνεια του ατμού όπως καθορίζεται από έναν ανιχνευτή, ο οποίος καθιστά δυνατή τη μέτρηση του μαγνητικού πεδίου.

Η κβαντική φυσική δίνει ώθηση στους σαρωτές MEG που ανιχνεύουν τον εγκέφαλο

Νωρίτερα φέτος, εταιρεία με έδρα το Ηνωμένο Βασίλειο Cerca Magnetics κέρδισε βραβείο στην κβαντική καινοτομία για την ανάπτυξη του Φορητός σαρωτής εγκεφάλου OPM-MEG. Αυτό περιλαμβάνει 50 μονάδες μεγέθους μπλοκ LEGO τοποθετημένες σε ένα κράνος ολόκληρου του κεφαλιού για να καλύπτουν τον εγκέφαλο. Το πρωτότυπο φορετό OPM-MEG BCI επιτρέπει τη νευρική διάγνωση καθώς κινείται το θέμα. Με τις υψηλές χωρικές και χρονικές αναλύσεις του, θα μπορούσε ενδεχομένως να ελέγχει εξωτερικές συσκευές.

Ακούγοντας τον εγκέφαλο

Η τεχνολογία υπερήχων χρησιμοποιείται ευρέως ως φορητή μη επεμβατική μέθοδος για την απεικόνιση των σωματικών δομών, συμπεριλαμβανομένων των ερυθρών αιμοσφαιρίων, καθώς αντανακλούν ηχητικά κύματα υψηλής συχνότητας. Την τελευταία δεκαετία, η τεχνολογία έχει αναπτυχθεί σε σημείο που ο «γρήγορος λειτουργικός υπέρηχος» (fUS) μπορεί να χρησιμοποιήσει μετρήσεις Doppler της ροής του αίματος του εγκεφάλου για τον εντοπισμό ενεργών νευρώνων. Στο fUS, οι ανιχνευτές δημιουργούν υπερηχητικά επίπεδα κύματα και συλλέγουν δεδομένα σε εκατοντάδες κανάλια. Στη συνέχεια, ένας υπολογιστής εστιάζει συνθετικά τα κύματα και αναλύει τα δεδομένα για να παράγει γρήγορα εικόνες υψηλής ανάλυσης της λειτουργίας του εγκεφάλου. Μελέτες σε πρωτεύοντα πλην του ανθρώπου δείχνουν ότι το fUS που λειτουργεί μέσω μιας ελάχιστα επεμβατικής θύρας στο κρανίο θα μπορούσε να υποστηρίξει ένα BCI που παρακολουθεί τα νευρικά ερεθίσματα που αντιπροσωπεύουν τη σωματική κίνηση (Νευροεπιστήμες 474 110).

Ο υπέρηχος χρησιμεύει επίσης στη διακρανιακή διέγερση με υπερήχους (TUS), μια μέθοδο για τη ρύθμιση της νευρικής συμπεριφοράς που μπορεί να στοχευτεί σε λίγα κυβικά χιλιοστά εντός του εγκεφάλου. Μετά από εκτεταμένες μελέτες σε ζώα, ορισμένες δοκιμές σε ανθρώπους υποδηλώνουν ότι το TUS μπορεί να θεραπεύσει νευρολογικές ή ψυχιατρικά προβλήματα όπως ο πόνος και η κατάθλιψη.

Το μέλλον των μη επεμβατικών BCI

Συμπληρώνοντας και ίσως κάποια μέρα αντικαθιστώντας τα εμφυτεύματα, άλλες φυσικές μέθοδοι μπορούν να έχουν πρόσβαση στον εγκέφαλο με ελάχιστη επεμβατικότητα, επιτρέποντας ασφαλέστερη, φθηνότερη και ευρύτερη ιατρική χρήση των BCI. Andrew Jackson, ένας φυσικός που έγινε νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο του Νιούκαστλ, στο Ηνωμένο Βασίλειο, λέει ότι, όταν πρόκειται για την καταγραφή του εγκεφάλου, η πιο συναρπαστική τεχνολογία αυτή τη στιγμή είναι η φορητή OPM-MEG. "Είναι επίσης ενδιαφέρουσα φυσική!" προσθέτει, σημειώνοντας την αξία του υπερήχου για τη διέγερση του εγκεφάλου. Ο Τζάκσον προειδοποιεί, ωστόσο, ότι καμία από αυτές τις μη επεμβατικές τεχνολογίες δεν έχει ακόμη τη χωρική ανάλυση που μπορείτε να αποκτήσετε με τα εμφυτεύματα. Πολλά απομένουν να γίνουν για κλινική χρήση, και ίσως και πέρα ​​από αυτό.

Εάν τα μη επεμβατικά BCI εξαλείφουν τον χειρουργικό κίνδυνο, τα υγιή άτομα θα μπορούσαν να παρακινηθούν να τα χρησιμοποιήσουν για πραγματική ή αντιληπτή πνευματική αύξηση. Ο γνωστός νευροεπιστήμονας Kristof Koch είπε πόσο «φοβερό» θα ήταν να έχουμε ένα ασφαλές BCI που συνδέει τους εγκεφάλους με υπολογιστές, ώστε οι άνθρωποι να μπορούν να κατεβάζουν πληροφορίες απευθείας στον εγκέφαλό τους.

Το 2021 εκκίνηση στο Σαν Φρανσίσκο MindPortal συγκέντρωσε 5 εκατομμύρια δολάρια για να αναπτύξει μια κορδέλα για τον πνευματικό έλεγχο ενός παιχνιδιού εικονικής πραγματικότητας. Χρησιμοποιεί ιδιόκτητη τεχνολογία, ίσως μια μέθοδο fast-NIR. Σε μια άλλη εφαρμογή, οι συσκευές διακρανιακής διέγερσης συνεχούς ρεύματος (tDCS) είναι άμεσα διαθέσιμες σε μέτριες τιμές. Αυτά εφαρμόζουν ηλεκτρικά ρεύματα milliamp στο κρανίο που υποτίθεται ότι βελτιώνουν τη γνωστική λειτουργία.

Βλέποντας την άνοδο της καταναλωτικής νευροτεχνολογίας, οι νευροηθικοί επισημαίνουν τη βλάβη που θα μπορούσε να προκληθεί χωρίς αποτελεσματική επίβλεψη και ρύθμιση – η οποία θα πρέπει επίσης να εξετάσει ζητήματα όπως το απόρρητο και ο έλεγχος του μυαλού. Κατά την ανάπτυξη μη επεμβατικών BCI, οι ερευνητές προχωρούν σε τεράστιο βαθμό στην έρευνα και τη θεραπεία του εγκεφάλου, συμβάλλοντας στην αποκατάσταση της ανεξαρτησίας των ατόμων με σοβαρή αναπηρία. Ταυτόχρονα, οι ερευνητές θα πρέπει να γνωρίζουν τα πολλά ηθικά προβλήματα που εγείρουν αυτές οι συσκευές, πέρα ​​από το εργαστήριο και την κλινική.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/plug-me-in-the-physics-of-brain-computer-interfaces/