Plug me in: az agy-számítógép interfészek fizikája – Fizika világa

Az emberi agy egy elképesztő és összetett gépezet. Mivel az emberi agykéregben több mint 80 milliárd neuron található, amelyek mindegyike ezer szinapszissal rendelkezik, agyunk másodpercenként mintegy 100 megabit információt dolgoz fel. Képzelje el, hogy megpróbálja mérni, kivonni és értelmezni az agyunkban lévő összes jelet valós időben, a gondolkodás sebességével. Az agy megérintése egykor csak a birodalmában lehetett sci-fi – től X-Men nak nek A Mátrix –, de ma már valóban lehetséges összekapcsolni az agyat egy számítógéppel, és irányítani egy robotkart, mondjuk, vagy lefordítani a gondolatait szöveggé.

Az agy-számítógép interfész (BCI) hídként működik az agy és egy külső eszköz, általában egy számítógép között. A BCI-k összegyűjtik, elemzik és számítógéppel érthető és végrehajtható parancsokká alakítják az agy elektromos jeleit. Külső jeleket is alkalmazhatnak az agy modulálására. Az idegtudomány, a biomedicina, a fizika és a technológia kombinációjának köszönhetően a BCI-k megváltoztathatják a súlyos egészségügyi problémákkal küzdő emberek életét. Alkalmazásaik vannak a robotika, idegtudomány, technológia, játék és számítástechnika területén is.

Az elmúlt 25 évben a BCI-k lehetővé tették a bénult emberek számára a számítógépeket kizárólag gondolattal működtetni. Van nekik helyreállított beszéd miután agyvérzés következtében elveszett; megengedték azoknak, akiknek hiányzó ill lebénult végtagok, hogy újra működjenek vagy segített nekik abban robotkarokat működtetni és kezek. A BCI-k rendelkeznek epilepsziát diagnosztizáltak és más neurológiai állapotok, és több tízezer embernél enyhítette ezeket. Még ígéretet is mutattak a vakok látásának visszaállítása.

A legtöbb ilyen példa azonban agyműtétet igényel, amelynek során az elektródákat az agy felszíni rétegére (a kéregre) vagy annak belsejébe helyezik, és potenciálisan még mélyebben is, ami kockázatos, mivel vérzést vagy fertőzést okozhat. Egy másik probléma az, hogy a kutatóknak jelenleg nincs világos elképzelésük arról, hogy a beültetett elektródák milyen hatást és potenciális károsodást okozhatnak az agyszövetben, miközben azt sem tudják, meddig tarthatnak. Mindez azt jelenti, hogy az elektromos implantátumok jelenlegi állapotukban nem tudnak biztonságosan és megbízhatóan segíteni azoknak a millióknak, akik hasznot húznának belőlük. Valójában az emberi beültetést csak akkor hajtják végre, ha minden más kezelés sikertelen, vagy kísérleti jelleggel – világszerte mintegy 50, súlyos korlátokkal, például bénultsággal küzdő egyén esetében –, ahol a rossz életminőség javításának esélye meghaladja a veszélyeket.

Szerencsére ezeknek a problémáknak a megoldása a fizikai elvekben és módszerekben rejlik, amelyek biztonságosabbá, tartósabbá és szélesebb körben elérhetővé tehetik ezeket az eszközöket. A fizika felhasználható a BCI beültetési módszerek és anyagok javítására is. Még fontosabb azonban az agyműtétek megszüntetésének vagy minimalizálásának szükségessége azáltal, hogy módokat biztosítanak az aggyal való kölcsönhatásra fényen, mágneses mezőn vagy ultrahangon keresztül. A nem invazív, vezeték nélküli és hordozható vagy hordható BCI-k elősegíthetik az agykutatást és az orvosi kezelést, és a mindennapi életben is használhatók.

Koppintson egy gondolattal

Az ókortól a 19. századig az orvosok és a kísérletezők – gyakran akaratlanul is – különféle kezdetleges kísérleteket végeztek, amelyek során az agy elektromos aktivitását próbálták orvosi kezelés céljából módosítani. 1924-ben ezek az erőfeszítések szigorúbbá váltak, amikor Hans Berger német pszichiáter a páciens koponyájára helyezett elektródák segítségével rögzítette az elektromos agyi aktivitást, és ezzel feltalálta az elektroencefalográfia (EEG) technikáját. Az 1970-es években Jacques Vidal fizikus és informatikus egy külső eszköz gondolati irányítását mutatta be, amikor az EEG-érintkezőkkel ellátott emberi alanyok mentálisan mozgatták a számítógép képernyőjén megjelenő kurzort.

Az EEG továbbra is értékes, nem invazív eszköz az olyan állapotok diagnosztizálására, mint az epilepszia, lehetővé téve számunkra, hogy meghatározzuk a beteg által esetleg elszenvedett rohamok okát és típusát, valamint más állapotok, például demencia, agydaganatok és agyrázkódások vizsgálatát. Az EEG azonban neuronok nagy csoportjaiból vesz mintát, és a jel-zaj arány rossz, ami megnehezíti a jelek és a specifikus agyi tevékenységek közötti összefüggést.

A beültetett elektródák viszont közvetlenül mintát vesznek a kiválasztott neuronokból. Ezt kísérletileg igazolták 1998-ban, amikor Philip Kennedy atlantai neurológus egyedi tervezésű elektródákat helyezett egy „JR”-nek nevezett beteg agyába, akit agyvérzés „zárva” hagyott.IEEE Trans. Rehabil. Eng. 8 198). A szerencsétlen beteg kognitív képességeinek teljes birtokában volt, de nem tudott mozogni vagy beszélni. Végül JR megtanult kommunikálni úgy, hogy mentálisan irányította a számítógép kurzorát, hogy kiírja a szavakat.

Manapság sok kutató és klinikus beültetett elektródasort használ, az úgynevezett „Utah Array” a Blackrock Neurotech-től. Ez a személyre szabott szilícium termék 100 darabból áll p-típusú szilícium elektródák (10 × 10-es konfigurációban), egymástól 400 µm-re elhelyezve egy 4 × 4 mm-es szigetelő hordozón – nagyjából borsszem méretű. A 0.5-1.5 mm hosszú elektródák platina- vagy irídium-oxiddal vannak felszerelve. Világszerte mintegy 30 embert szereltek fel ezekkel az eszközökkel, akik a bénulás különböző tüneteitől szenvednek. Például 2015-ben négy tömböt ültettek be Nathan Copeland, aki 2004-ben egy autóbaleset után mellkastól lefelé lebénult. Az implantátumok segítségével gondolataival vezérelhet számítógépet, videojátékokat és robotkart vezérelhet. A cikk írásakor Copeland volt a leghosszabb ideig ilyen implantátummal rendelkező páciens, de ennek az invazív technológiának a valóban hosszú távú következményei még nem teljesen ismertek.

Az invazivitás csökkentése

Az elektródával vagy bármely más agyi mesterséges implantátummal az a baj, hogy immunválaszt válthat ki, ami a közeli szöveteket begyullad és hegeket okoz. Ezt súlyosbítja a merev elektróda és az agy lágyszövete közötti mechanikai eltérés, ami viszont az elektróda teljesítményét is ronthatja.

A fizika és az anyagtudomány számára kihívást jelent a tartós, biokompatibilis, megfelelő elektromos tulajdonságokkal rendelkező anyagok megtalálása elektródákhoz és hordozókhoz

De a fizika és az anyagtudomány számára kihívást jelent a tartós, biokompatibilis, megfelelő elektromos tulajdonságokkal rendelkező anyagok megtalálása elektródákhoz és hordozókhoz. Az ígéretes jelöltek közé tartoznak a lágy és rugalmas vezető polimerek, valamint a rendkívül vékony elektromos vezetők, például szén nanocsövek és szilícium nanohuzalok (egy másik megközelítést lásd az alábbi keretben).

A kutatók a sebészeti kockázatok csökkentésén is dolgoznak a meglévő orvosi technológiák adaptálásával. A sztenteket – apró üreges hengereket – általában a test különböző típusú ereinek nyitva tartására használják. Egy általános használat során nyitva tartják a koszorúereket, és minimálisan invazívnak tekinthetők. Neurotech cég, a Synchron kifejlesztett „stentrodákat” (stent-electrode record array). Ezek olyan stentre szerelt elektródák, amelyeket tartósan az agy véredényébe ültetnek be. Érzékelhetik az agyi jeleket, és vezeték nélkül számítógépre küldhetik azokat. Emberi kísérletekben a sztentródák lehetővé tették a bénult alanyok számára, hogy számítógépet kezeljenek (J. NeuroIntervent. Surg. 13 102).

Más megközelítést alkalmazva az amerikai cég Neuralink 2019-ben bejelentette, hogy kifejlesztett egy BCI-t, amelyet egy sebészeti robot ültet be a koponyával egy szintben, és amely 1024 vagy annál több rugalmas elektródát is helyez az agyba.J. Med. Internet Res. 21 e16194). Az Elon Musk által társalapító Neuralink azóta nem közölt további részleteket, de miután az Egyesült Államok Élelmiszer- és Gyógyszerügyi Hatósága (FDA) nemrégiben jóváhagyta a humán kísérleteket, további információk várhatók. Bármilyen formában is, az elektróda alapú BCI-k továbbra is fontosak maradnak nagy térbeli felbontásuk és gyors reakciójuk miatt, de a nem invazív megközelítések is gyorsan fejlődnek.

Fotonok vizsgálják az agyat

Az elektromágneses spektrumban a közeli infravörös (NIR) fény, amely 700 és 1400 nm között fut, áthalad a koponyába, és centiméter mélyen behatolnak az agyba anélkül, hogy kárt okoznának, mindaddig, amíg a teljesítménysűrűséget milliwatt/négyzetcentiméterben tartják. A „fotobiomodulációnak” nevezett non-invazív NIR-módszer kimutatta, hogy képes stimulálni az agyat. Például egy 2021-es klinikai vizsgálat során a demenciában szenvedő betegeket ismételten 1060–1080 nm-es fényt kibocsátó LED-ek hatásának tettek ki. Ez a csoport jelentős javulást mutatott a kognitív funkciókban és a szubjektív hangulatban a kontrollcsoporthoz képest (Öregedés Dis. 12 954). Úgy gondolják, hogy a fény fokozza a sejtműködést vagy csökkenti a gyulladást, de további kutatásra van szükség a pontos mechanizmus megállapításához.

Egy másik nem invazív módszer, az úgynevezett „funkcionális közeli infravörös spektroszkópia” (fNIRS), amely NIR fényt használ az agyban keringő vér hemoglobinja által elnyelt fény változásainak mérésére. A technika feltérképezheti az agyi aktivitást, mivel a deoxigénezett hemoglobin másképpen nyeli el a NIR fényt, mint az oxigénes forma, a HbO₂. Az aktív neuronoknak fokozott HbO áramlásra van szükségük₂-dúsított vér, lehetővé téve az agyműködés kimutatását. Két hullámhosszt alkalmaznak a koponyán, és ezek különböző csillapításának mérése bizonyos helyeken megmutatja, hogy mely területek aktívak. Az fNIRS-t használták a klinikán, az amerikai Kernel neurotech cég pedig hordható fejhallgató-verziót fejlesztett ki. A koponyát 52 modullal fedi le, amelyek mindegyike 690 és 850 nm-en sugárzó lézerforrásokkal és egy detektorral (J. Biomed. Dönt. 27 074710). 2021-ben az FDA jóváhagyta az eszközt az agy pszichedelikus gyógyszerre adott válaszának tesztelésére.

Bár másodpercekbe telik az oxigéndús véráramlás kialakulása – ami miatt az fNIRS túl lassú ahhoz, hogy egy külső eszközt vezérelhessen – nagyobb térbeli felbontást és jobb jel-zaj viszonyt biztosít, mint az EEG, vagyis pontosabban tudja meghatározni az agyi aktivitást. Az fNIRS fejhallgató még egy szabadon mozgó alany agyi aktivitását is képes mérni, lehetővé téve az agy feltérképezését és az idegi állapotok diagnosztizálását változó körülmények között.

Gyorsabb válaszok érhetők el egy másik módszerrel – az „eseményhez kapcsolódó optikai jel” (EROS) néven –, amely infravörös fényt használ a kortikális agyszövet optikai tulajdonságaiban bekövetkezett változások mérésére. A fény és az idegszövet kölcsönhatása megváltozik, amikor a neuronok aktívak, mert ez növeli az optikai szórást, meghosszabbítja az agyon áthaladó fotonok útját és késlelteti érkezésüket a detektorhoz.

Az emberi alanyokon végzett korai kísérletekben az optikai szálakon keresztül alkalmazott NIR-fény áthatolt a koponyán, és kis távolságban észlelték, 0.1 másodperccel vagy kevesebb késéssel a neuronok gerjesztése után. A további munka korlátozott volt, mivel ezek a mérések technikailag igényesek, de a legújabb eredmények azt sugallják, hogy az EROS és az fNIRS kombinálva jó térbeli és időbeli felbontású, nem invazív BCI-k alapját képezheti.

A mágneses agy

Egy másik bevált, nem invazív módszer az agy idegi aktivitásának nyomon követésére a „funkcionális mágneses rezonancia képalkotás” (fMRI). A szabványos MRI érzékeli a protonok viselkedését vízben és zsírban a testben, erős mágneses térben, hogy leképezzék a testi struktúrákat. fMRI helyett érzékeli az agy véráramlásának jeleit amelyek, mint említettük, a hemoglobin oxigénellátási szintjétől függenek. Az fNIRS-hez hasonlóan ez is lehetővé teszi az fMRI számára, hogy megjelölje az idegi aktivitás régióit, de 1 cm helyett 1 mm-es térbeli felbontással. A másodpercek késleltetése lehetővé teszi a közel valós idejű térképezést, de még mindig túl lassú a külső eszközök agyvezérléséhez. Az fMRI szintén nagy, drága telepítést igényel szupravezető mágnessel.

A nem invazív „magnetoencephalográfia” (MEG) gyorsabb válaszidőt biztosít, amely a femtotesla kimutatásával követi nyomon az idegi aktivitást (10^-15 tesla) mágneses mezők, amelyek az aktív neuronok közötti ionáramok során keletkeznek. Ezeket a mezőket érzékeny szupravezető kvantuminterferencia (SQUID) eszközökkel mérik, amelyeket a fejbőr közelében, árnyékolt helyiségben helyeznek el a mágneses interferencia megelőzése érdekében. A MEG 1–2 mm-es térbeli felbontást és ezredmásodperces válaszidőt biztosít, de ehhez egy terjedelmes eszközre van szükség, magas üzemeltetési költséggel.

Egy új típusú detektor, az „optikailag pumpált magnetométer” (OPM) javítja a MEG-et az agy mágneses mezőjének szobahőmérsékleten történő mérésével. Az OPM egy alkáli atom gőzzel töltött kis cellát használ. Egy adott kvantumátmenetre hangolt lézerdióda optikailag szivattyúzza a gőzt, ami összehangolja az atomi mágneses momentumokat. Ez a mágnesezés kölcsönhatásba lép az agy mágneses mezőjével, és megváltoztatja a gőz átlátszatlanságát egy detektor által meghatározott módon, ami lehetővé teszi a mágneses tér mérését.

A kvantumfizika lendületet ad az agyérzékelő MEG-szkennereknek

Az év elején, az Egyesült Királyságban működő cég Cerca Magnetics fejlesztéséért kvantuminnovációban díjat nyert OPM-MEG hordható agyszkenner. Ez 50 LEGO blokk méretű egységből áll, amelyek egy teljes fejű sisakra vannak felszerelve, hogy eltakarják az agyat. A prototípus hordható OPM-MEG BCI lehetővé teszi a neurális diagnosztizálást az alany mozgása során. Nagy térbeli és időbeli felbontásával külső eszközöket is vezérelhetett.

Az agy hallgatása

Az ultrahang technológiát széles körben használják hordozható, nem invazív módszerként a testi struktúrák, köztük a vörösvértestek képalkotására, mivel azok nagyfrekvenciás hanghullámokat tükröznek. Az elmúlt évtizedben a technológia odáig fejlődött, hogy a „gyors funkcionális ultrahang” (fUS) képes az agy véráramlásának Doppler-méréseivel azonosítani az aktív neuronokat. Az fUS-ban a szondák ultrahang síkhullámokat generálnak, és több száz csatornán keresztül gyűjtenek adatokat. A számítógép ezután szintetikusan fókuszálja a hullámokat, és elemzi az adatokat, hogy gyorsan nagy felbontású képeket készítsen az agyműködésről. A főemlősökön végzett vizsgálatok azt mutatják, hogy a koponya minimálisan invazív portján keresztül működő fUS támogathatja a BCI-t, amely nyomon követi a test mozgását reprezentáló idegi impulzusokat.Neuroscience 474 110).

Az ultrahang a koponyán keresztüli ultrahang-stimulációban (TUS) is szolgál, amely módszer az idegi viselkedés modulálására, amely néhány köbmilliméteren belül célozható az agyban. Kiterjedt állatkísérletek után egyes humán kísérletek arra utalnak, hogy a TUS kezelheti a neurológiai ill pszichiátriai problémák, például fájdalom és depresszió.

A nem invazív BCI-k jövője

Az implantátumokat kiegészítve és talán egyszer helyettesítve más fizikai módszerek is minimális invazivitás mellett érhetik el az agyat, lehetővé téve a BCI-k biztonságosabb, olcsóbb és szélesebb körű orvosi felhasználását. Andrew Jackson, a Newcastle Egyetem (Egyesült Királyság) fizikusból lett idegtudósa azt mondja, hogy ami az agy felvételét illeti, jelenleg a legizgalmasabb technológia a hordható OPM-MEG. – Érdekes a fizika is! teszi hozzá, megjegyezve az ultrahang értékét az agy stimulációjában. Jackson azonban arra figyelmeztet, hogy ezen non-invazív technológiák egyike sem rendelkezik még az implantátumokkal elérhető térbeli felbontással. Még sok a tennivaló a klinikai felhasználás terén, és talán még azon túl is.

Ha a nem invazív BCI-k kiküszöbölik a műtéti kockázatot, az egészséges egyéneket motiválni lehet arra, hogy valódi vagy vélt mentális növekedésre használják őket. A neves idegtudós, Kristof Koch elmondta, milyen „félelmetes” lenne egy biztonságos BCI, amely összekapcsolja az agyat a számítógépekkel, így az emberek közvetlenül az agyukba tölthetik le az információkat.

2021-ben indul San Francisco-ban MindPortal 5 millió dollárt gyűjtött egy fejpánt fejlesztésére egy virtuális valóságos játék mentális irányítására. Szabadalmaztatott technológiát használ, talán egy gyors NIR módszert. Egy másik alkalmazásban a koponyán keresztüli egyenáramú stimulációs (tDCS) eszközök szerény áron elérhetők. Ezek milliamper elektromos áramot adnak a koponyára, ami állítólag javítja a megismerést.

Látva a fogyasztói neurotech térnyerését, a neuroetikusok rámutatnak arra a kárra, amely hatékony felügyelet és szabályozás nélkül járhat – amihez olyan kérdéseket is figyelembe kell venni, mint a magánélet és az elmekontroll. A nem invazív BCI-k fejlesztése során a kutatók hatalmasat fejlesztenek az agykutatásban és -kezelésben, ezzel is hozzájárulva a súlyosan fogyatékos személyek függetlenségének helyreállításához. Ugyanakkor a kutatóknak tisztában kell lenniük azzal, hogy ezek az eszközök a laboratóriumon és a klinikán túl sok etikai problémát vetnek fel.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/plug-me-in-the-physics-of-brain-computer-interfaces/