Ühendage mind: aju-arvuti liideste füüsika – füüsikamaailm

Inimese aju on hämmastav ja keeruline masinavärk. Inimese ajukoores on rohkem kui 80 miljardit neuronit, millest igaühel on tuhat sünapsi, ja meie aju töötleb umbes 100 megabitti teavet sekundis. Kujutage ette, et proovite mõõta, eraldada ja tõlgendada kõiki meie ajus olevaid signaale reaalajas, mõttekiirusel. Ajule koputamine võis kunagi olla ainult aju sfääris ulme – alates X-Men et The Matrix – aga tänapäeval on tegelikult võimalik ühendada oma aju arvutiga ja juhtida näiteks robotkätt või tõlkida oma mõtted tekstiks.

Aju-arvuti liides (BCI) toimib sillana teie aju ja välise seadme, tavaliselt arvuti, vahel. BCI-d koguvad, analüüsivad ja tõlgivad teie aju elektrilisi signaale käskudeks, mida arvuti mõistab ja täidab. Nad saavad aju moduleerimiseks rakendada ka väliseid signaale. Tänu neuroteaduse, biomeditsiini, füüsika ja tehnoloogia kombinatsioonile võivad BCI-d muuta tõsiste tervisehäiretega inimeste elusid. Neil on ka rakendusi robootika, neuroteaduse, tehnoloogia, mängude ja andmetöötluse valdkonnas.

Viimase 25 aasta jooksul on BCI-d võimaldanud halvatud inimestel seda teha juhtida arvuteid ainult mõttega. Neil on taastatud kõne pärast selle kaotamist insuldi tõttu; on lubanud need, kellel on puudu või halvatud jäsemed uuesti toimima või aitas neil seda teha robotkäte käitamine ja käed. BCI-del on diagnoositud epilepsia ja muud neuroloogilised seisundid ning leevendasid neid kümnete tuhandete inimeste puhul. Nad on isegi lubadust näidanud pimedatele nägemise taastamine.

Kuid enamik neist näidetest nõuab ajuoperatsiooni, mille käigus elektroodid asetatakse aju pinnakihile (ajukoorele) või sellesse ja potentsiaalselt veelgi sügavamale, mis on riskantne, kuna võib esile kutsuda hemorraagiaid või infektsioone. Teine probleem on see, et teadlastel ei ole praegu selget ettekujutust implanteeritud elektroodide mõjust ja võimalikust kahjustusest ajukoele, kuid nad ei tea ka, kui kaua need võivad kesta. Kõik see tähendab, et praeguses olekus elektriimplantaadid ei saa ohutult ja usaldusväärselt aidata miljoneid, kes neist kasu saaksid. Tegelikult tehakse inimestele implantatsioone ainult siis, kui muu ravi ebaõnnestub, või katseliselt – umbes 50 inimesele kogu maailmas, kellel on tõsised piirangud, näiteks halvatus –, kui võimalus parandada halba elukvaliteeti kaalub üles ohud.

Õnneks võivad mõnede nende probleemide lahendused peituda füüsika põhimõtetes ja meetodites, mis võivad muuta need seadmed ohutumaks, vastupidavamaks ja laiemalt kättesaadavaks. Füüsikat saab kasutada ka BCI implanteerimismeetodite ja materjalide täiustamiseks. Olulisem on aga vajadus kõrvaldada või minimeerida ajuoperatsioone, pakkudes viise ajuga suhtlemiseks valguse, magnetvälja või ultraheli abil. Mitteinvasiivsed, traadita ja kaasaskantavad või kantavad BCI-d võivad tõhustada ajuuuringuid ja meditsiinilist ravi ning neid saab kasutada ka igapäevaelus.

Puudutage mõttega

Alates antiikajast kuni 19. sajandini viisid arstid ja eksperimentalistid sageli tahtmatult läbi mitmesuguseid algelisi eksperimente, mille käigus nad püüdsid muuta aju elektrilist aktiivsust ravi eesmärgil. 1924. aastal muutusid need jõupingutused karmiks, kui Saksa psühhiaater Hans Berger registreeris patsiendi koljule asetatud elektroodide abil aju elektrilise aktiivsuse, leiutades seeläbi elektroentsefalograafia (EEG) tehnika. 1970. aastatel demonstreeris füüsik ja arvutiteadlane Jacques Vidal välisseadme mõttejuhtimist, kui EEG-kontaktidega inimesed liigutasid vaimselt arvutiekraanil kuvatavat kursorit.

EEG on endiselt väärtuslik mitteinvasiivne vahend selliste seisundite nagu epilepsia diagnoosimiseks, mis võimaldab meil määrata patsiendil esinevate krampide põhjuse ja tüübi, samuti uurida muid haigusseisundeid, nagu dementsus, ajukasvajad ja põrutused. Kuid EEG proovib suuri neuronite rühmi ja signaali-müra suhe on halb, mistõttu on signaalide korrelatsiooni spetsiifiliste ajutegevustega raske.

Implanteeritud elektroodid seevastu võtavad valitud neuronitest otse proovi. Seda demonstreeriti eksperimentaalselt 1998. aastal, kui Atlantas asuv neuroloog Philip Kennedy asetas spetsiaalselt disainitud elektroodid JR-iks nimetatud patsiendi ajju, kes oli insuldi tõttu "sulgunud".IEEE Trans. Rehabil. Eng. 8 198). Õnnetul patsiendil olid kõik oma kognitiivsed võimed, kuid ta ei saanud liikuda ega rääkida. Lõpuks õppis JR suhtlema, juhtides vaimselt arvutikursorit sõnade väljakirjutamiseks.

Nüüd kasutavad paljud teadlased ja arstid implanteeritud elektroodi massiivi, mida tuntakse kui "Utah Array" Blackrock Neurotechilt. See kohandatud ränitoode koosneb 100-st p-tüüpi ränielektroodid (konfiguratsioonis 10 × 10), mis on üksteisest 400 µm kaugusel 4 × 4 mm isolatsioonisubstraadil – ligikaudu pipratera suurune. Elektroodid, pikkusega 0.5–1.5 mm, on kaetud plaatina või iriidiumoksiidiga. Umbes 30 inimest üle maailma, kes kannatavad erinevate halvatussümptomite all, on varustatud nende seadmetega. Näiteks 2015. aastal implanteeriti neli massiivi Nathan Copeland, kes jäi pärast 2004. aastal juhtunud autoõnnetust rinnast allapoole halvatuks. Implantaadid võimaldavad tal mõtetega juhtida arvutit, mängida videomänge ja juhtida robotkätt. Selle artikli kirjutamise ajal on Copeland sellise implantaadiga patsient kõige kauem, kuid selle invasiivse tehnoloogia tõeliselt pikaajalisi tagajärgi ei mõisteta täielikult.

Invasiivsuse vähendamine

Elektroodi või mõne muu aju tehisimplantaadi probleem seisneb selles, et see võib vallandada immuunvastuse, mis põhjustab läheduses asuvate kudede põletikku ja arme. Seda süvendab mehaaniline mittevastavus jäiga elektroodi ja aju pehmete kudede vahel, mis omakorda võib samuti halvendada elektroodi jõudlust.

Elektroodide ja substraatide jaoks sobivate elektriliste omadustega vastupidavate, bioühilduvate materjalide leidmine on füüsika ja materjaliteaduse jaoks väljakutse

Kuid elektroodide ja substraatide jaoks sobivate elektriliste omadustega vastupidavate, bioühilduvate materjalide leidmine on füüsika ja materjaliteaduse jaoks väljakutse. Paljutõotavad kandidaadid hõlmavad pehmeid ja painduvaid juhtivaid polümeere, aga ka äärmiselt õhukesi elektrijuhte, nagu süsinik-nanotorud ja räni nanojuhtmed (teise lähenemisviisi kohta vt allpool olevat kasti).

Teadlased tegelevad ka kirurgiliste riskide vähendamisega, kohandades olemasolevaid meditsiinitehnoloogiaid. Stente – pisikesi õõnsaid silindreid – kasutatakse tavaliselt erinevat tüüpi veresoonte lahtihoidmiseks kehas. Ühel tavalisel kasutamisel hoiavad need koronaararterid avatuna ja neid peetakse minimaalselt invasiivseteks. Neurotehnoloogia ettevõte Synchron on välja töötanud "stentoodid" (stent-elektroodi salvestusmassiivi). Need on elektroodid, mis on paigaldatud stendile, mis implanteeritakse püsivalt aju veresoonde. Nad suudavad tuvastada ajusignaale ja saata need juhtmevabalt arvutisse. Inimkatsetes on stentroodid võimaldanud halvatud isikutel arvutitega töötada (J. NeuroIntervent. Surg. 13 102).

Kasutades teistsugust lähenemist, USA firma Neuralink teatas 2019. aastal, et on välja töötanud BCI, mille implanteerib koljuga samal tasapinnal kirurgiline robot, mis asetaks ajju ka 1024 või enam painduvat elektroodi (J. Med. Internet Res. 21 e16194). Neuralink, mille kaasasutaja oli Elon Musk, pole pärast seda rohkem üksikasju avaldanud, kuid pärast USA Toidu- ja Ravimiameti (FDA) hiljutist heakskiitu inimkatseteks võib saada rohkem teavet. Ükskõik millisel kujul on elektroodipõhised BCI-d jätkuvalt olulised nende kõrge ruumilise eraldusvõime ja kiire reageerimise tõttu, kuid kiiresti arenevad ka mitteinvasiivsed lähenemisviisid.

Footonid uurivad aju

Elektromagnetilises spektris võib lähiinfrapuna (NIR) valgus, mis ulatub 700–1400 nm. traavers kolju ja tungida ajju sentimeetrite sügavusele, kahjustamata seni, kuni võimsustihedus on millivatti ruutsentimeetri kohta. Mitteinvasiivne NIR-meetod, mida nimetatakse fotobiomodulatsiooniks, on näidanud, et see võib aju stimuleerida. Näiteks 2021. aasta kliinilises uuringus puutusid dementsusega patsiendid korduvalt kokku LED-idega, mis kiirgasid valgust lainepikkusel 1060–1080 nm. See rühm näitas kognitiivse funktsiooni ja subjektiivse meeleolu märkimisväärset paranemist võrreldes kontrollrühmaga (Vananemine Dis. 12 954). Arvatakse, et valgus suurendab raku funktsiooni või vähendab põletikku, kuid täpse mehhanismi väljaselgitamiseks on vaja rohkem uurida.

Teine mitteinvasiivne meetod, mida tuntakse kui "funktsionaalset lähiinfrapuna-spektroskoopiat" (fNIRS), kasutab NIR-valgust, et mõõta ajus ringleva vere hemoglobiini poolt neeldunud valguse variatsioone. Selle tehnika abil saab kaardistada ajutegevust, kuna hapnikuvaba hemoglobiin neelab NIR-valgust erinevalt hapnikurikkast vormist HbO₂. Aktiivsed neuronid vajavad suurenenud HbO voolu₂-rikastatud veri, mis võimaldab tuvastada aju funktsiooni. Koljule rakendatakse kahte lainepikkust ja nende erineva sumbumise mõõtmine konkreetsetes kohtades võib näidata, millised piirkonnad on aktiivsed. Kliinikumis on kasutatud fNIRS-i, USA neurotehnoloogiaettevõte Kernel töötab välja kantava peakomplekti versiooni. See katab kolju 52 mooduliga, millest igaühel on laseriallikad, mis kiirgavad 690 nm ja 850 nm juures, ja detektor (J. Biomed. Opt. 27 074710). 2021. aastal kiitis FDA heaks seadme, et testida aju reaktsiooni psühhedeelsele ravimile.

Kuigi hapnikurikka verevoolu arenemiseks kulub sekundeid – muutes fNIRS-i välisseadme juhtimiseks liiga aeglaseks – tagab see siiski kõrgema ruumilise eraldusvõime ja parema signaali-müra suhte kui EEG, mis tähendab, et see suudab ajutegevust täpsemalt määrata. FNIRS-peakomplekt võiks mõõta ajutegevust isegi vabalt liikuva subjekti puhul, võimaldades aju kaardistada ja diagnoosida närvitingimusi erinevates tingimustes.

Kiiremaid vastuseid saab saada teise meetodiga – tuntud kui "sündmusega seotud optiline signaal" (EROS), mis kasutab ajukoore ajukoe optiliste omaduste muutuste mõõtmiseks infrapunavalgust. Valguse interaktsioon närvikoega muutub, kui neuronid on aktiivsed, kuna see suurendab optilist hajumist, pikendab aju läbivate footonite teed ja lükkab edasi nende jõudmist detektorisse.

Varasemates katsealustes katsealustel läbis optiliste kiudude kaudu rakendatud NIR-valgus kolju ja tuvastati sellest lühikese vahemaa tagant, pärast neuronite ergastumist 0.1 sekundi võrra või vähem. Edasine töö on olnud piiratud, kuna need mõõtmised on tehniliselt nõudlikud, kuid hiljutised tulemused näitavad, et EROS koos fNIRS-iga võib olla hea ruumilise ja ajalise eraldusvõimega mitteinvasiivsete BCI-de aluseks.

Magnetiline aju

Veel üks väljakujunenud mitteinvasiivne meetod aju närvitegevuse jälgimiseks on "funktsionaalne magnetresonantstomograafia" (fMRI). Tavaline MRI tuvastab prootonite käitumise vees ja rasvas kehas tugevas magnetväljas, et pildistada keha struktuure. selle asemel fMRI tuvastab aju verevoolu signaale mis, nagu mainitud, sõltuvad hemoglobiini hapnikusisaldusest. Nagu fNIRS, võimaldab see fMRI-l märgistada närvitegevuse piirkondi, kuid ruumilise eraldusvõimega 1 mm, mitte 1 cm. Sekundite viivitus võimaldab kaardistada peaaegu reaalajas, kuid välisseadmete aju juhtimiseks on see siiski liiga aeglane. fMRI nõuab ka suurt ja kallist ülijuhtiva magnetiga paigaldust.

Kiiremad reageerimisajad kaasnevad mitteinvasiivse "magnetoentsefalograafiaga" (MEG), mis jälgib neuraalset aktiivsust femtotesla tuvastamise teel (10^-15 tesla) magnetväljad, mis tekivad ioonvoolude voolamisel aktiivsete neuronite vahel. Neid välju mõõdetakse tundlike ülijuhtivate kvanthäirete (SQUID) seadmetega, mis on paigutatud magnetiliste häirete vältimiseks varjestatud ruumi peanaha lähedusse. MEG pakub ruumilist eraldusvõimet 1–2 mm ja reageerimisaega millisekundites, kuid selleks on vaja suurte kasutuskuludega mahukat seadet.

Uut tüüpi detektor, "optiliselt pumbatud magnetomeeter" (OPM), parandab MEG-d, mõõtes aju magnetvälja toatemperatuuril. OPM kasutab väikest rakku, mis on täidetud leeliseaatomi auruga. Konkreetsele kvantüleminekule häälestatud laserdiood pumpab optiliselt auru, mis joondab aatomi magnetmomendid. See magnetiseerimine interakteerub aju magnetväljaga, et muuta auru läbipaistmatust, mille määrab detektor, mis võimaldab mõõta magnetvälja.

Kvantfüüsika annab aju tuvastavatele MEG-skanneritele tõuke

Selle aasta alguses Ühendkuningriigis asuv ettevõte Cerca Magnetics võitis selle arendamise eest kvantinnovatsiooni auhinna Kantav ajuskanner OPM-MEG. See koosneb 50 LEGO plokisuurusest üksusest, mis on kinnitatud terve peaga kiivrile, et katta aju. Kantava OPM-MEG BCI prototüüp võimaldab subjekti liikumisel neuraalset diagnoosimist. Tänu oma kõrgele ruumilisele ja ajalisele eraldusvõimele võib see juhtida väliseid seadmeid.

Aju kuulamine

Ultrahelitehnoloogiat kasutatakse laialdaselt kaasaskantava mitteinvasiivse meetodina kehastruktuuride, sealhulgas punaste vereliblede pildistamiseks, kuna need peegeldavad kõrgsageduslikke helilaineid. Viimasel kümnendil on tehnoloogia arenenud nii kaugele, et "kiire funktsionaalne ultraheli" (fUS) võib aktiivsete neuronite tuvastamiseks kasutada aju verevoolu Doppleri mõõtmisi. FUS-is genereerivad sondid ultraheli tasapinnalaineid ja koguvad andmeid sadade kanalite kaudu. Seejärel fokusseerib arvuti lained sünteetiliselt ja analüüsib andmeid, et luua kiiresti kõrge eraldusvõimega pilte ajufunktsioonist. Uuringud ahvilistega näitavad, et kolju minimaalselt invasiivse pordi kaudu toimiv fUS võib toetada BCI-d, mis jälgib keha liikumist esindavaid närviimpulsse (Neuroscience 474 110).

Ultraheli kasutatakse ka transkraniaalses ultrahelistimulatsioonis (TUS), mis on neuraalse käitumise moduleerimise meetod, mida saab ajus suunata mõne kuupmillimeetri täpsusega. Pärast ulatuslikke loomkatseid näitavad mõned inimkatsed, et TUS võib ravida neuroloogilisi või psühhiaatrilised probleemid, nagu valu ja depressioon.

Mitteinvasiivsete BCI-de tulevik

Implantaate täiendavad ja võib-olla kunagi asendavad ka muud füüsilised meetodid, mis võimaldavad ajule juurdepääsu minimaalse invasiivsusega, võimaldades BCI-de ohutumat, odavamat ja laiemat meditsiinilist kasutamist. Andrew Jackson, Ühendkuningriigi Newcastle'i ülikooli füüsikuks saanud neuroteadlane, ütleb, et aju salvestamisel on praegu kõige põnevam tehnoloogia kantav OPM-MEG. "See on ka huvitav füüsika!" lisab ta, märkides ultraheli väärtust aju stimuleerimisel. Jackson hoiatab siiski, et ühelgi neist mitteinvasiivsetest tehnoloogiatest pole veel ruumilist eraldusvõimet, mida saate implantaatidega. Kliiniliseks kasutamiseks ja võib-olla ka kaugemale jääb veel palju teha.

Kui mitteinvasiivsed BCI-d kõrvaldavad kirurgilise riski, võivad terved inimesed olla motiveeritud neid kasutama tõeliseks või tajutavaks vaimseks suurendamiseks. Tuntud neuroteadlane Kristof Koch on öelnud, kui "vinge" oleks omada turvalist BCI-d, mis seob ajud arvutitega, et inimesed saaksid teavet otse oma ajju alla laadida.

2021. aastal asutati San Franciscos MindPortal kogus 5 miljonit dollarit, et töötada välja virtuaalreaalsuse mängu vaimseks juhtimiseks mõeldud peapael. See kasutab patenteeritud tehnoloogiat, võib-olla kiiret NIR-meetodit. Teises rakenduses on transkraniaalse alalisvoolu stimulatsiooni (tDCS) seadmed hõlpsasti saadaval mõõdukate hindadega. Need rakendavad koljule milliampri elektrivoolu, mis väidetavalt parandab tunnetust.

Tarbijate neurotehnoloogia tõusu nähes osutavad neuroeetikud kahjule, mis võib tekkida ilma tõhusa järelevalve ja reguleerimiseta – mis peaks samuti arvestama selliste küsimustega nagu privaatsus ja meelekontroll. Mitteinvasiivsete BCI-de väljatöötamisel edendavad teadlased tohutult aju-uuringuid ja -ravi, aidates taastada raske puudega inimeste iseseisvust. Samal ajal peaksid teadlased olema teadlikud paljudest eetilistest probleemidest, mida need seadmed tekitavad väljaspool laborit ja kliinikut.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/plug-me-in-the-physics-of-brain-computer-interfaces/