Sluit me aan: de fysica van brein-computerinterfaces - Physics World

Het menselijk brein is een verbazingwekkend en complex apparaat. Met meer dan 80 miljard neuronen in de menselijke hersenschors, elk met duizend synapsen, verwerken onze hersenen zo’n 100 megabit aan informatie per seconde. Stel je dan voor dat we proberen alle signalen in onze hersenen in realtime te meten, extraheren en interpreteren, met de snelheid van het denken. Het aanboren van de hersenen zou ooit uitsluitend op het gebied van kunnen hebben plaatsgevonden sciencefiction – van X-Men naar De matrix – maar tegenwoordig is het feitelijk mogelijk om je hersenen aan een computer te koppelen en bijvoorbeeld een robotarm te besturen, of je gedachten in tekst te vertalen.

Een brein-computerinterface (BCI) functioneert als een brug tussen uw hersenen en een extern apparaat, meestal een computer. BCI's verzamelen, analyseren en vertalen elektrische signalen van uw hersenen in opdrachten die door een computer kunnen worden begrepen en uitgevoerd. Ze kunnen ook externe signalen toepassen om de hersenen te moduleren. Dankzij een combinatie van neurowetenschappen, biogeneeskunde, natuurkunde en technologie kunnen BCI's de levens van mensen met ernstige medische aandoeningen veranderen. Ze hebben ook toepassingen in de robotica, neurowetenschappen, technologie, gaming en computergebruik.

De afgelopen 25 jaar hebben BCI's verlamde mensen daartoe toegelaten computers bedienen door alleen maar te denken. Zij hebben herstelde spraak nadat het verloren is gegaan als gevolg van een beroerte; hebben degenen met ontbrekende of verlamde ledematen weer kunnen functioneren of hielp hen daarbij robotarmen bedienen en handen. BCI's hebben dat wel gediagnosticeerde epilepsie en andere neurologische aandoeningen, en verzachtte deze voor tienduizenden mensen. Ze hebben zelfs veelbelovend getoond het zicht van blinden herstellen.

Maar voor de meeste van deze voorbeelden is een hersenoperatie nodig, waarbij elektroden op of in de oppervlaktelaag van de hersenen (de cortex) worden geplaatst, en mogelijk zelfs dieper, wat riskant is omdat het bloedingen of infecties kan veroorzaken. Een ander probleem is dat onderzoekers momenteel geen duidelijk beeld hebben van de impact en potentiële schade die de geïmplanteerde elektroden kunnen toebrengen aan hersenweefsel, terwijl ze ook niet weten hoe lang ze zullen duren. Dit alles betekent dat elektrische implantaten in hun huidige staat de miljoenen die er baat bij zouden hebben niet veilig en betrouwbaar kunnen helpen. In feite worden menselijke implantaties alleen uitgevoerd als alle andere behandelingen falen, of op experimentele basis – voor zo'n vijftig mensen wereldwijd met ernstige beperkingen zoals verlamming – waarbij de kans om een ​​slechte levenskwaliteit te verbeteren groter is dan de gevaren.

Gelukkig kunnen de oplossingen voor sommige van deze problemen liggen in natuurkundige principes en methoden, waardoor deze apparaten veiliger, duurzamer en breder beschikbaar zouden kunnen worden. Fysica zou ook kunnen worden gebruikt om BCI-implantatiemethoden en -materialen te verbeteren. Cruciaal is echter de noodzaak om hersenchirurgie te elimineren of tot een minimum te beperken door manieren te bieden om met de hersenen te communiceren via licht, magnetische velden of echografie. Niet-invasieve, draadloze en draagbare of draagbare BCI's kunnen hersenonderzoek en medische behandelingen verbeteren, en ook in het dagelijks leven worden gebruikt.

Kom binnen met een gedachte

Vanaf de oudheid tot en met de 19e eeuw voerden artsen en experimentatoren, vaak onbewust, verschillende rudimentaire experimenten uit waarin ze probeerden de elektrische activiteit van de hersenen te wijzigen voor medische behandeling. In 1924 werden deze inspanningen rigoureus toen de Duitse psychiater Hans Berger de elektrische hersenactiviteit registreerde met behulp van elektroden die op de schedel van een patiënt werden geplaatst, waarmee hij de techniek van elektro-encefalografie (EEG) uitvond. In de jaren zeventig demonstreerde natuurkundige en computerwetenschapper Jacques Vidal de gedachtecontrole van een extern apparaat, waarbij menselijke proefpersonen uitgerust met EEG-contacten mentaal een cursor bewogen die op een computerscherm werd weergegeven.

EEG blijft een waardevol niet-invasief hulpmiddel voor het diagnosticeren van aandoeningen zoals epilepsie, waardoor we de oorzaak en het type aanvallen kunnen vaststellen waaraan een patiënt mogelijk lijdt, en ook andere aandoeningen zoals dementie, hersentumoren en hersenschuddingen kunnen onderzoeken. Maar een EEG bemonstert grote groepen neuronen en de signaal-ruisverhouding is slecht, waardoor het moeilijk wordt om de signalen te correleren met specifieke hersenactiviteiten.

Geïmplanteerde elektroden nemen daarentegen rechtstreeks monsters van geselecteerde neuronen. Dit werd experimenteel aangetoond in 1998, toen de in Atlanta gevestigde neuroloog Philip Kennedy op maat ontworpen elektroden plaatste in de hersenen van een patiënt genaamd “JR”, die door een beroerte “opgesloten” was geraakt (IEEE Trans. Rehabilitatie. Eng. 8 198). De ongelukkige patiënt beschikte over zijn volledige cognitieve vaardigheden, maar kon niet bewegen of spreken. Uiteindelijk leerde JR communiceren door mentaal een computercursor te besturen om woorden te spellen.

Nu gebruiken veel onderzoekers en artsen een geïmplanteerde elektrode-array, bekend als de “Utah Array” van Blackrock Neurotech. Dit op maat gemaakte siliciumproduct is een array van 100 p-type siliciumelektroden (in een configuratie van 10 x 10), op een afstand van 400 µm van elkaar op een isolerend substraat van 4 x 4 mm - ongeveer zo groot als een peperkorrel. De elektroden, 0.5 tot 1.5 mm lang, zijn voorzien van een punt van platina- of iridiumoxide. Ongeveer 30 mensen over de hele wereld, die lijden aan verschillende symptomen van verlamming, zijn uitgerust met deze apparaten. In 2015 zijn er bijvoorbeeld vier arrays geïmplanteerd Nathan Copeland, die na een auto-ongeluk in 2004 vanaf zijn borst verlamd raakte. Dankzij de implantaten kan hij met zijn gedachten een computer besturen, videogames spelen en een robotarm besturen. Op het moment dat dit artikel wordt geschreven, is Copeland de langstlopende patiënt met een dergelijk implantaat, maar de werkelijke langetermijnimplicaties van deze invasieve technologie zijn nog niet volledig duidelijk.

Het verminderen van de invasiviteit

Het probleem met een elektrode of een ander kunstmatig implantaat in de hersenen is dat het een immuunreactie kan veroorzaken, waardoor nabijgelegen weefsel wordt ontstoken en beschadigd. Dit wordt verergerd door de mechanische mismatch tussen een stijve elektrode en het zachte weefsel van de hersenen, wat op zijn beurt ook de prestaties van de elektrode kan verslechteren.

Het vinden van duurzame, biocompatibele materialen met geschikte elektrische eigenschappen voor elektroden en substraten is een uitdaging voor de natuurkunde en materiaalkunde

Maar het vinden van duurzame, biocompatibele materialen met geschikte elektrische eigenschappen voor elektroden en substraten is een uitdaging voor de natuurkunde en materiaalkunde. Veelbelovende kandidaten zijn onder meer zachte en flexibele geleidende polymeren, maar ook extreem dunne elektrische geleiders zoals koolstofnanobuisjes en siliciumnanodraden (voor een andere benadering, zie kader hieronder).

Onderzoekers werken ook aan het verminderen van chirurgische risico's door bestaande medische technologieën aan te passen. Stents – kleine holle cilinders – worden vaak gebruikt om verschillende soorten bloedvaten in het lichaam open te houden. Bij één algemeen gebruik houden ze kransslagaders open en worden ze als minimaal invasief beschouwd. Neurotechbedrijf Synchron heeft “stentrodes” ontwikkeld (stent-elektrode-opnamearray). Het zijn elektroden die op een stent zijn gemonteerd en die permanent in een bloedvat in de hersenen worden geïmplanteerd. Ze kunnen hersensignalen detecteren en deze draadloos naar een computer sturen. In proeven op mensen hebben stentrodes verlamde proefpersonen in staat gesteld computers te bedienen (J. NeuroIntervent. Chirurg. 13 102).

Met een andere aanpak heeft het Amerikaanse bedrijf Neuralink kondigde in 2019 aan dat het een BCI had ontwikkeld die gelijk met de schedel zou worden geïmplanteerd door een chirurgische robot, die ook 1024 of meer flexibele elektroden in de hersenen zou plaatsen (J. Med. Internet-res. 21 e16194). Neuralink, mede opgericht door Elon Musk, heeft sindsdien niet meer details gepubliceerd, maar na de recente goedkeuring van de Amerikaanse Food and Drug Administration (FDA) voor proeven op mensen, komt er mogelijk meer informatie. In welke vorm dan ook zullen op elektrodes gebaseerde BCI's belangrijk blijven vanwege hun hoge ruimtelijke resolutie en snelle respons, maar ook niet-invasieve benaderingen ontwikkelen zich snel.

Fotonen tasten de hersenen af

In het elektromagnetische spectrum kan nabij-infraroodlicht (NIR), dat loopt van 700 tot 1400 nm, traverse de schedel binnendringen en centimeters diep in de hersenen doordringen, zonder schade aan te richten, zolang de vermogensdichtheid maar op milliwatt per vierkante centimeter wordt gehouden. Een niet-invasieve NIR-methode genaamd ‘fotobiomodulatie’ heeft aangetoond dat deze de hersenen kan stimuleren. In een klinische proef in 2021 werden patiënten met dementie bijvoorbeeld herhaaldelijk blootgesteld aan LED's die licht uitstraalden van 1060–1080 nm. Deze groep vertoonde opmerkelijke verbeteringen in de cognitieve functie en subjectieve stemming vergeleken met een controlegroep (Veroudering Dis. 12 954). Er wordt gedacht dat het licht de cellulaire functie verbetert of ontstekingen vermindert, maar er is meer onderzoek nodig om het exacte mechanisme vast te stellen.

Een tweede niet-invasieve methode, bekend als ‘functionele nabij-infraroodspectroscopie’ (fNIRS), maakt gebruik van NIR-licht om variaties te meten in het licht dat door hemoglobine wordt geabsorbeerd in het bloed dat in de hersenen circuleert. De techniek kan de hersenactiviteit in kaart brengen omdat zuurstofarm hemoglobine NIR-licht anders absorbeert dan de zuurstofrijke vorm, HbO₂. Actieve neuronen hebben een verhoogde stroom HbO nodig₂-verrijkt bloed, waardoor hersenfunctie kan worden gedetecteerd. Er worden twee golflengten op de schedel toegepast, en een meting van hun verschillende verzwakkingen op specifieke locaties kan aantonen welke gebieden actief zijn. fNIRS is in de kliniek gebruikt, waarbij het Amerikaanse neurotechnologiebedrijf Kernel een draagbare headsetversie ontwikkelde. Het bedekt de schedel met 52 modules, elk met laserbronnen die uitzenden bij 690 nm en 850 nm en een detector (J. Biomed. Opt. 27 074710). In 2021 keurde de FDA het apparaat goed om de reactie van de hersenen op een psychedelische drug te testen.

Hoewel het seconden duurt voordat de zuurstofrijke bloedstroom zich ontwikkelt – waardoor fNIRS te traag is om een ​​extern apparaat te besturen – levert het een hogere ruimtelijke resolutie en een betere signaal-ruisverhouding dan EEG, wat betekent dat het de hersenactiviteit nauwkeuriger kan lokaliseren. Een fNIRS-headset zou de hersenactiviteit kunnen meten, zelfs bij een vrij bewegend onderwerp, waardoor het mogelijk wordt om de hersenen in kaart te brengen en neurale aandoeningen onder verschillende omstandigheden te diagnosticeren.

Snellere reacties kunnen worden verkregen met een andere methode – bekend als ‘event-related optisch signaal’ (EROS) – die infrarood licht gebruikt om veranderingen in de optische eigenschappen van corticaal hersenweefsel te meten. De interactie van licht met zenuwweefsel verandert wanneer neuronen actief zijn, omdat dit de optische verstrooiing vergroot, waardoor de paden van fotonen die de hersenen doorkruisen worden verlengd en hun aankomst bij een detector wordt vertraagd.

In vroege experimenten met menselijke proefpersonen drong NIR-licht, toegepast via optische vezels, door de schedel en werd op korte afstand gedetecteerd, met een vertraging van 0.1 seconde of minder nadat de neuronen waren opgewonden. Verder werk is beperkt omdat deze metingen technisch veeleisend zijn, maar recente resultaten suggereren dat EROS in combinatie met fNIRS de basis zou kunnen vormen voor niet-invasieve BCI's met een goede ruimtelijke en temporele resolutie.

Het magnetische brein

Nog een andere gevestigde niet-invasieve methode om de neurale activiteit van de hersenen te traceren is “functionele magnetische resonantie beeldvorming” (fMRI). Standaard MRI detecteert het gedrag van protonen in water en vet in het lichaam, binnen een sterk magnetisch veld, om lichaamsstructuren in beeld te brengen. fMRI in plaats daarvan detecteert signalen van de bloedstroom in de hersenen die, zoals gezegd, afhankelijk zijn van het oxygenatieniveau van hemoglobine. Net als fNIRS maakt dit het voor fMRI mogelijk om gebieden met neurale activiteit te labelen, maar met een ruimtelijke resolutie van 1 mm in plaats van 1 cm. Door de vertraging van enkele seconden is het in kaart brengen vrijwel in realtime mogelijk, maar het is nog steeds te traag voor hersencontrole over externe apparaten. fMRI vereist ook een grote, dure installatie met een supergeleidende magneet.

Snellere responstijden worden mogelijk gemaakt door niet-invasieve ‘magneto-encefalografie’ (MEG), die neurale activiteit volgt door de femtotesla te detecteren (10^-15 tesla) magnetische velden die worden gegenereerd als ionenstromen tussen actieve neuronen stromen. Deze velden worden gemeten door gevoelige supergeleidende kwantuminterferentie (SQUID) apparaten die dichtbij de hoofdhuid zijn geplaatst, in een afgeschermde ruimte om magnetische interferentie te voorkomen. MEG biedt een ruimtelijke resolutie van 1 à 2 mm en een responstijd van milliseconden, maar vereist een omvangrijk apparaat met hoge bedrijfskosten.

Een nieuw type detector, de “optisch gepompte magnetometer” (OPM), verbetert de MEG door het magnetische veld van de hersenen bij kamertemperatuur te meten. OPM maakt gebruik van een kleine cel gevuld met een alkali-atoomdamp. Een laserdiode afgestemd op een specifieke kwantumovergang pompt de damp optisch, waardoor de atomaire magnetische momenten op één lijn worden gebracht. Deze magnetisatie werkt samen met het magnetische veld van de hersenen om de opaciteit van de damp te veranderen, zoals bepaald door een detector, waardoor het mogelijk wordt het magnetische veld te meten.

Kwantumfysica geeft hersengevoelige MEG-scanners een boost

Eerder dit jaar, een in Groot-Brittannië gevestigd bedrijf Cerca Magnetics won een prijs in kwantuminnovatie voor de ontwikkeling ervan OPM-MEG draagbare hersenscanner. Dit omvat 50 LEGO-eenheden ter grootte van een blok, gemonteerd op een helm met het hele hoofd om de hersenen te bedekken. Het draagbare prototype OPM-MEG BCI maakt neurale diagnose mogelijk terwijl een onderwerp beweegt. Met zijn hoge ruimtelijke en temporele resoluties zou het mogelijk externe apparaten kunnen besturen.

Luisteren naar de hersenen

Echografietechnologie wordt veel gebruikt als draagbare, niet-invasieve methode om lichaamsstructuren, inclusief rode bloedcellen, in beeld te brengen, aangezien deze hoogfrequente geluidsgolven reflecteren. In de afgelopen tien jaar heeft de technologie zich zo ontwikkeld dat 'fast functionele echografie' (fUS) Doppler-metingen van de bloedstroom in de hersenen kan gebruiken om actieve neuronen te identificeren. In fUS genereren sondes ultrasone vlakke golven en verzamelen ze gegevens over honderden kanalen. Een computer focust vervolgens de golven synthetisch en analyseert de gegevens om snel beelden met een hoge resolutie van de hersenfunctie te produceren. Studies bij niet-menselijke primaten tonen aan dat fUS, opererend via een minimaal invasieve poort in de schedel, een BCI zou kunnen ondersteunen die de neurale impulsen volgt die lichaamsbeweging vertegenwoordigen.Neurowetenschap leerprogramma 474 110).

Echografie dient ook bij transcraniële ultrasone stimulatie (TUS), een methode om neuraal gedrag te moduleren dat tot op enkele kubieke millimeters in de hersenen kan worden gericht. Na uitgebreide dierstudies suggereren sommige onderzoeken bij mensen dat TUS neurologische aandoeningen kan behandelen psychiatrische problemen zoals pijn en depressie.

De toekomst van niet-invasieve BCI's

Als aanvulling op en misschien ooit ter vervanging van implantaten, kunnen andere fysieke methoden met minimale invasiviteit toegang krijgen tot de hersenen, waardoor een veiliger, goedkoper en breder medisch gebruik van BCI's mogelijk wordt. Andrew Jackson, een natuurkundige die neurowetenschapper is geworden aan de Universiteit van Newcastle, VK, zegt dat, als het gaat om het vastleggen van de hersenen, de meest opwindende technologie op dit moment de draagbare OPM-MEG is. "Het is ook interessante natuurkunde!" voegt hij eraan toe, wijzend op de waarde van echografie voor hersenstimulatie. Jackson waarschuwt echter dat geen van deze niet-invasieve technologieën nog de ruimtelijke resolutie heeft die je met implantaten kunt krijgen. Er moet nog veel worden gedaan voor klinisch gebruik, en misschien ook daarbuiten.

Als niet-invasieve BCI's het chirurgische risico elimineren, zouden gezonde individuen gemotiveerd kunnen worden om ze te gebruiken voor echte of waargenomen mentale vergroting. De bekende neurowetenschapper Kristof Koch heeft verteld hoe ‘geweldig’ het zou zijn om een ​​veilige BCI te hebben die hersenen aan computers koppelt, zodat mensen informatie rechtstreeks naar hun hersenen kunnen downloaden.

In 2021 start-up in San Francisco MindPortaal heeft $ 5 miljoen opgehaald om een ​​hoofdband te ontwikkelen voor mentale controle van een virtual reality-game. Het maakt gebruik van eigen technologie, misschien een snelle NIR-methode. In een andere toepassing zijn apparaten voor transcraniële gelijkstroomstimulatie (tDCS) direct verkrijgbaar tegen bescheiden prijzen. Deze passen elektrische milliampère-stromen toe op de schedel die zogenaamd de cognitie verbeteren.

Bij het zien van de opkomst van consumenten-neurotechnologie wijzen neuro-ethici op de schade die zou kunnen ontstaan ​​zonder effectief toezicht en regulering – waarbij ook rekening zou moeten worden gehouden met kwesties als privacy en mind control. Door niet-invasieve BCI's te ontwikkelen, bevorderen onderzoekers het hersenonderzoek en de behandeling enorm, waardoor de onafhankelijkheid van ernstig gehandicapte personen wordt hersteld. Tegelijkertijd moeten onderzoekers zich bewust zijn van de vele ethische problemen die deze apparaten met zich meebrengen, ook buiten het laboratorium en de kliniek.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/plug-me-in-the-physics-of-brain-computer-interfaces/