Hubungkan saya ke: fisika antarmuka otak-komputer – Dunia Fisika

Otak manusia adalah sebuah mesin yang menakjubkan dan kompleks. Dengan lebih dari 80 miliar neuron di korteks serebral manusia, masing-masing memiliki seribu sinapsis, otak kita memproses sekitar 100 megabit informasi per detik. Bayangkan kemudian, mencoba mengukur, mengekstrak, dan menafsirkan semua sinyal di otak kita secara real time, dengan kecepatan berpikir. Memanfaatkan otak dulunya mungkin hanya bisa dilakukan fiksi ilmiah – dari X-Men untuk Matrix – namun saat ini, sebenarnya dimungkinkan untuk menghubungkan otak Anda ke komputer dan mengendalikan lengan robot, misalnya, atau menerjemahkan pikiran Anda ke dalam teks.

Antarmuka otak-komputer (BCI) berfungsi sebagai jembatan antara otak Anda dan perangkat eksternal, biasanya komputer. BCI mengumpulkan, menganalisis, dan menerjemahkan sinyal listrik dari otak Anda menjadi perintah yang dapat dipahami dan dijalankan oleh komputer. Mereka juga dapat menerapkan sinyal eksternal untuk memodulasi otak. Berkat kombinasi ilmu saraf, biomedis, fisika, dan teknologi, BCI dapat mengubah kehidupan orang-orang dengan kondisi medis serius. Mereka juga memiliki aplikasi di bidang robotika, ilmu saraf, teknologi, game, dan komputasi.

Selama 25 tahun terakhir, BCI telah mengizinkan orang lumpuh untuk melakukan hal tersebut mengoperasikan komputer hanya dengan berpikir. Mereka punya pidato yang dipulihkan setelah hilang karena stroke; telah mengizinkan mereka yang hilang atau anggota tubuh yang lumpuh dapat berfungsi kembali atau membantu mereka melakukannya mengoperasikan lengan robot dan tangan. BCI punya didiagnosis epilepsi dan kondisi neurologis lainnya, dan melakukan mitigasi terhadap puluhan ribu orang. Mereka bahkan sudah menunjukkan janji memulihkan penglihatan bagi orang buta.

Namun sebagian besar dari contoh-contoh ini memerlukan pembedahan otak, di mana elektroda dipasang pada atau di lapisan permukaan otak (korteks) dan bahkan mungkin lebih dalam lagi, sehingga berisiko karena dapat menyebabkan pendarahan atau infeksi. Masalah lainnya adalah para peneliti saat ini tidak memiliki gambaran yang jelas mengenai dampak dan potensi kerusakan yang dapat ditimbulkan oleh elektroda yang ditanamkan pada jaringan otak, dan juga tidak mengetahui berapa lama elektroda tersebut dapat bertahan. Semua ini berarti bahwa implan listrik dalam kondisi saat ini tidak dapat membantu jutaan orang yang membutuhkan implan tersebut dengan aman dan andal. Faktanya, implantasi pada manusia dilakukan hanya ketika seluruh pengobatan gagal, atau berdasarkan percobaan – pada sekitar 50 orang di seluruh dunia yang memiliki keterbatasan parah seperti kelumpuhan – dimana peluang untuk meningkatkan kualitas hidup yang buruk lebih besar daripada bahayanya.

Untungnya, solusi terhadap beberapa masalah ini mungkin terletak pada prinsip dan metode fisika, yang dapat membuat perangkat ini lebih aman, tahan lama, dan tersedia lebih luas. Fisika juga dapat digunakan untuk meningkatkan metode dan bahan implantasi BCI. Namun yang lebih penting adalah perlunya menghilangkan atau meminimalkan operasi otak dengan menyediakan cara untuk berinteraksi dengan otak melalui cahaya, medan magnet, atau USG. BCI non-invasif, nirkabel, portabel, atau dapat dikenakan dapat meningkatkan penelitian otak dan perawatan medis, serta dapat digunakan dalam kehidupan sehari-hari.

Masuklah dengan pikiran

Dari zaman kuno hingga abad ke-19, para dokter dan peneliti, sering kali tanpa disadari, melakukan berbagai eksperimen dasar yang mencoba memodifikasi aktivitas listrik otak untuk perawatan medis. Pada tahun 1924 upaya ini menjadi ketat ketika psikiater Jerman Hans Berger mencatat aktivitas listrik otak dengan menggunakan elektroda yang ditempatkan pada tengkorak pasien, sehingga menciptakan teknik electroencephalography (EEG). Pada tahun 1970-an fisikawan dan ilmuwan komputer Jacques Vidal mendemonstrasikan pengendalian pikiran pada perangkat eksternal, ketika subjek manusia yang dilengkapi dengan kontak EEG secara mental menggerakkan kursor yang ditampilkan di layar komputer.

EEG tetap menjadi alat non-invasif yang berharga untuk mendiagnosis kondisi seperti epilepsi, memungkinkan kami menentukan penyebab dan jenis kejang yang mungkin diderita pasien, serta menyelidiki kondisi lain seperti demensia, tumor otak, dan gegar otak. Namun EEG mengambil sampel sekelompok besar neuron, dan rasio signal-to-noise buruk, sehingga sulit untuk menghubungkan sinyal dengan aktivitas otak tertentu.

Sebaliknya, elektroda yang ditanamkan mengambil sampel langsung dari neuron yang dipilih. Hal ini dibuktikan secara eksperimental pada tahun 1998, ketika ahli saraf yang berbasis di Atlanta, Philip Kennedy, memasang elektroda yang dirancang khusus ke dalam otak seorang pasien yang dijuluki “JR”, yang “terkunci” karena stroke (IEEE Trans. Rehabilitasi. bahasa Inggris. 8 198). Pasien yang kurang beruntung tersebut memiliki kemampuan kognitif penuh, namun tidak mampu bergerak atau berbicara. Akhirnya, JR belajar berkomunikasi dengan mengendalikan kursor komputer secara mental untuk mengeja kata-kata.

Sekarang banyak peneliti dan dokter menggunakan susunan elektroda yang ditanamkan, yang dikenal sebagai “Utah Array” dari Blackrock Neurotech. Produk silikon yang disesuaikan ini terdiri dari 100 susunan p-jenis elektroda silikon (dalam konfigurasi 10 × 10), diberi jarak 400 µm pada substrat isolasi 4 × 4 mm – kira-kira seukuran biji merica. Elektroda, dengan panjang 0.5 hingga 1.5 mm, diberi ujung platinum atau iridium oksida. Sekitar 30 orang di seluruh dunia, yang menderita berbagai gejala kelumpuhan, telah dilengkapi dengan perangkat ini. Misalnya, pada tahun 2015 empat array ditanamkan Nathan Copeland, yang mengalami kelumpuhan dari dada ke bawah setelah kecelakaan mobil pada tahun 2004. Implan tersebut memungkinkan dia mengendalikan komputer, bermain video game, dan mengendalikan lengan robot, dengan pikirannya. Pada saat artikel ini ditulis, Copeland adalah pasien yang paling lama menggunakan implan tersebut, namun implikasi jangka panjang sebenarnya dari teknologi invasif ini belum sepenuhnya dipahami.

Mengurangi invasif

Masalah dengan elektroda atau implan buatan lainnya di otak adalah bahwa hal itu dapat memicu respons imun, yang menyebabkan peradangan dan menimbulkan bekas luka pada jaringan di sekitarnya. Hal ini diperburuk oleh ketidaksesuaian mekanis antara elektroda kaku dan jaringan lunak otak, yang pada gilirannya juga dapat menurunkan kinerja elektroda.

Menemukan bahan yang tahan lama dan biokompatibel dengan sifat listrik yang sesuai untuk elektroda dan substrat merupakan tantangan bagi ilmu fisika dan material

Namun menemukan bahan yang tahan lama dan biokompatibel dengan sifat listrik yang sesuai untuk elektroda dan substrat merupakan tantangan bagi ilmu fisika dan material. Kandidat yang menjanjikan mencakup polimer penghantar yang lembut dan fleksibel, serta konduktor listrik yang sangat tipis seperti tabung nano karbon dan kawat nano silikon (untuk pendekatan lain, lihat kotak di bawah).

Para peneliti juga berupaya mengurangi risiko pembedahan, dengan mengadaptasi teknologi medis yang ada. Stent – ​​silinder berongga kecil – biasanya digunakan untuk menahan berbagai jenis pembuluh darah di tubuh agar tetap terbuka. Dalam satu penggunaan umum, obat ini menjaga arteri koroner tetap terbuka dan dianggap invasif minimal. Sinkronisasi perusahaan neurotech telah mengembangkan “stentrodes” (array perekam stent-elektroda). Ini adalah elektroda yang dipasang pada stent yang ditanam secara permanen ke dalam pembuluh darah di otak. Mereka dapat mendeteksi sinyal otak dan mengirimkannya secara nirkabel ke komputer. Dalam uji coba pada manusia, stentrode telah memungkinkan subjek yang lumpuh untuk mengoperasikan komputer (J. Intervensi Neuro. Bedah. 13 102).

Menggunakan pendekatan yang berbeda, perusahaan AS Neuralink mengumumkan pada tahun 2019 bahwa mereka telah mengembangkan BCI yang akan ditanamkan rata dengan tengkorak oleh robot bedah, yang juga akan menempatkan 1024 atau lebih elektroda fleksibel ke dalam otak (J.Med. Resolusi Internet. 21 e16194). Neuralink, yang didirikan bersama oleh Elon Musk, belum menerbitkan rincian lebih lanjut sejak saat itu, namun setelah persetujuan baru-baru ini dari Badan Pengawas Obat dan Makanan AS (FDA) untuk uji coba pada manusia, informasi lebih lanjut mungkin akan tersedia. Apa pun bentuknya, BCI berbasis elektroda akan terus menjadi penting karena resolusi spasialnya yang tinggi dan responsnya yang cepat, namun pendekatan non-invasif juga berkembang pesat.

Foton menyelidiki otak

Dalam spektrum elektromagnetik, cahaya inframerah-dekat (NIR), yang membentang dari 700 hingga 1400 nm, dapat melintasi tengkorak dan menembus otak sedalam beberapa sentimeter, tanpa menimbulkan bahaya, selama kepadatan daya dijaga pada miliwatt per sentimeter persegi. Metode NIR non-invasif yang disebut “fotobiomodulasi” telah menunjukkan bahwa metode ini dapat menstimulasi otak. Misalnya, dalam uji klinis pada tahun 2021, pasien demensia berulang kali terpapar LED yang memancarkan cahaya pada 1060–1080 nm. Kelompok ini menunjukkan peningkatan penting dalam fungsi kognitif dan suasana hati subjektif dibandingkan dengan kelompok kontrol (Penuaan Dis. 12 954). Cahaya diperkirakan meningkatkan fungsi seluler atau mengurangi peradangan, namun diperlukan lebih banyak penelitian untuk mengetahui mekanisme pastinya.

Metode non-invasif kedua, yang dikenal sebagai “spektroskopi inframerah dekat fungsional” (fNIRS), menggunakan cahaya NIR untuk mengukur variasi cahaya yang diserap oleh hemoglobin dalam darah yang beredar di otak. Teknik ini dapat memetakan aktivitas otak karena hemoglobin terdeoksigenasi menyerap cahaya NIR secara berbeda dari bentuk teroksigenasi, HbO₂. Neuron aktif membutuhkan peningkatan aliran HbO₂-darah yang diperkaya, sehingga memungkinkan untuk mendeteksi fungsi otak. Dua panjang gelombang diterapkan pada tengkorak, dan pengukuran redaman yang berbeda pada lokasi tertentu dapat menunjukkan area mana yang aktif. fNIRS telah digunakan di klinik, dan perusahaan neuroteknologi AS Kernel mengembangkan versi headset yang dapat dikenakan. Ini mencakup tengkorak dengan 52 modul, masing-masing dengan sumber laser yang memancarkan pada 690 nm dan 850 nm dan sebuah detektor (J. Biomed. Memilih. 27 074710). Pada tahun 2021 FDA menyetujui perangkat untuk menguji respons otak terhadap obat psikedelik.

Meskipun aliran darah beroksigen membutuhkan waktu beberapa detik untuk berkembang – membuat fNIRS terlalu lambat untuk mengontrol perangkat eksternal – fNIRS memberikan resolusi spasial yang lebih tinggi dan signal-to-noise yang lebih baik daripada EEG, yang berarti fNIRS dapat menentukan aktivitas otak dengan lebih akurat. Headset fNIRS dapat mengukur aktivitas otak bahkan pada subjek yang bergerak bebas, sehingga memungkinkan untuk memetakan otak dan mendiagnosis kondisi saraf dalam berbagai kondisi.

Respons yang lebih cepat dapat diperoleh dengan metode lain – yang dikenal sebagai “sinyal optik terkait peristiwa” (EROS) – yang menggunakan cahaya inframerah untuk mengukur perubahan sifat optik jaringan kortikal otak. Interaksi cahaya dengan jaringan saraf berubah ketika neuron aktif karena hal ini meningkatkan hamburan optik, memperpanjang jalur foton yang melintasi otak dan menunda kedatangannya di detektor.

Dalam percobaan awal pada subjek manusia, cahaya NIR yang diterapkan melalui serat optik menembus tengkorak dan terdeteksi pada jarak yang cukup dekat, tertunda 0.1 detik atau kurang setelah neuron tereksitasi. Penelitian lebih lanjut masih terbatas karena pengukuran ini secara teknis menuntut, namun hasil terbaru menunjukkan bahwa EROS yang dikombinasikan dengan fNIRS dapat menjadi dasar untuk BCI non-invasif dengan resolusi spasial dan temporal yang baik.

Otak magnetis

Metode non-invasif lain yang sudah mapan untuk melacak aktivitas saraf otak adalah “pencitraan resonansi magnetik fungsional” (fMRI). MRI standar mendeteksi perilaku proton dalam air dan lemak dalam tubuh, dalam medan magnet yang kuat, untuk menggambarkan struktur tubuh. fMRI sebagai gantinya mendeteksi sinyal dari aliran darah di otak itu, seperti disebutkan, bergantung pada tingkat oksigenasi hemoglobin. Seperti fNIRS, hal ini memungkinkan fMRI memberi label pada wilayah aktivitas saraf tetapi pada resolusi spasial 1 mm, bukan 1 cm. Jeda waktu dalam hitungan detik memungkinkan pemetaan hampir secara real-time, namun masih terlalu lambat untuk kontrol otak terhadap perangkat eksternal. fMRI juga memerlukan instalasi magnet superkonduktor yang besar dan mahal.

Waktu respons yang lebih cepat hadir dengan “magnetoencephalography” (MEG) non-invasif, yang melacak aktivitas saraf dengan mendeteksi femtotesla (10^-15 tesla) medan magnet yang dihasilkan sebagai arus ionik mengalir di antara neuron aktif. Bidang-bidang ini diukur dengan perangkat interferensi kuantum superkonduktor sensitif (SQUID) yang ditempatkan di dekat kulit kepala, dalam ruangan terlindung untuk mencegah interferensi magnetik. MEG memberikan resolusi spasial 1–2 mm dan waktu respons milidetik, namun memerlukan perangkat besar dengan biaya pengoperasian yang tinggi.

Jenis detektor baru, “magnetometer yang dipompa secara optik” (OPM), meningkatkan MEG dengan mengukur medan magnet otak pada suhu kamar. OPM menggunakan sel kecil yang diisi dengan uap atom alkali. Dioda laser yang disetel ke transisi kuantum tertentu secara optik memompa uap, yang menyelaraskan momen magnetik atom. Magnetisasi ini berinteraksi dengan medan magnet otak untuk mengubah opacity uap sebagaimana ditentukan oleh detektor, sehingga memungkinkan untuk mengukur medan magnet.

Fisika kuantum memberi dorongan pada pemindai MEG penginderaan otak

Awal tahun ini, perusahaan yang berbasis di Inggris Magnet Cerca memenangkan penghargaan dalam inovasi kuantum untuk pengembangannya Pemindai otak OPM-MEG yang dapat dipakai. Ini terdiri dari 50 unit berukuran balok LEGO yang dipasang pada helm seluruh kepala untuk menutupi otak. Prototipe OPM-MEG BCI yang dapat dipakai memungkinkan diagnosis saraf saat subjek bergerak. Dengan resolusi spasial dan temporal yang tinggi, ia mungkin dapat mengontrol perangkat eksternal.

Mendengarkan otak

Teknologi USG banyak digunakan sebagai metode non-invasif portabel untuk menggambarkan struktur tubuh, termasuk sel darah merah, karena memantulkan gelombang suara berfrekuensi tinggi. Dalam dekade terakhir, teknologi telah berkembang hingga “USG fungsional cepat” (fUS) dapat menggunakan pengukuran Doppler pada aliran darah otak untuk mengidentifikasi neuron aktif. Di fUS, probe menghasilkan gelombang bidang ultrasonik dan mengumpulkan data melalui ratusan saluran. Komputer kemudian secara sintetis memfokuskan gelombang dan menganalisis data untuk dengan cepat menghasilkan gambar fungsi otak beresolusi tinggi. Studi pada primata non-manusia menunjukkan bahwa fUS yang beroperasi melalui port invasif minimal di tengkorak dapat mendukung BCI yang melacak impuls saraf yang mewakili gerakan tubuh (Neuroscience 474 110).

USG juga berfungsi dalam stimulasi USG transkranial (TUS), sebuah metode untuk memodulasi perilaku saraf yang dapat ditargetkan dalam beberapa milimeter kubik di dalam otak. Setelah penelitian ekstensif pada hewan, beberapa percobaan pada manusia menunjukkan bahwa TUS dapat mengobati masalah neurologis atau masalah kejiwaan seperti nyeri dan depresi.

Masa depan BCI non-invasif

Melengkapi dan mungkin suatu hari nanti menggantikan implan, metode fisik lainnya dapat mengakses otak dengan tingkat invasi yang minimal, sehingga memungkinkan penggunaan BCI secara medis lebih aman, lebih murah, dan lebih luas. Andrew Jackson, seorang fisikawan sekaligus ahli saraf di Universitas Newcastle, Inggris, mengatakan bahwa dalam hal perekaman otak, teknologi paling menarik saat ini adalah OPM-MEG yang dapat dikenakan. “Fisikanya juga menarik!” tambahnya, mencatat manfaat USG untuk stimulasi otak. Namun Jackson memperingatkan bahwa belum ada teknologi non-invasif yang memiliki resolusi spasial seperti yang bisa diperoleh dengan implan. Masih banyak yang harus dilakukan untuk penggunaan klinis, dan mungkin lebih dari itu.

Jika BCI non-invasif menghilangkan risiko pembedahan, individu yang sehat dapat termotivasi untuk menggunakannya untuk peningkatan mental yang nyata atau yang dirasakan. Ahli saraf terkenal Kristof Koch menceritakan betapa “menakjubkan” memiliki BCI aman yang menghubungkan otak ke komputer sehingga orang dapat mengunduh informasi langsung ke otak mereka.

Pada tahun 2021, San Francisco memulai usahanya Portal Pikiran mengumpulkan $5 juta untuk mengembangkan ikat kepala untuk pengendalian mental game realitas virtual. Ia menggunakan teknologi eksklusif, mungkin metode NIR cepat. Dalam aplikasi lain, perangkat stimulasi arus searah transkranial (tDCS) sudah tersedia dengan harga terjangkau. Ini menerapkan arus listrik miliampere ke tengkorak yang diduga meningkatkan kognisi.

Melihat maraknya neuroteknologi konsumen, para ahli neuroetika menunjukkan dampak buruk yang bisa terjadi tanpa pengawasan dan regulasi yang efektif – yang juga perlu mempertimbangkan isu-isu seperti privasi dan pengendalian pikiran. Dalam mengembangkan BCI non-invasif, para peneliti sangat memajukan penelitian dan pengobatan otak, membantu memulihkan kemandirian individu dengan disabilitas parah. Pada saat yang sama, para peneliti harus menyadari banyaknya permasalahan etika yang ditimbulkan oleh perangkat ini, di luar laboratorium dan klinik.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/plug-me-in-the-physics-of-brain-computer-interfaces/