Plugg meg inn: fysikken til hjerne-datamaskin-grensesnitt – Physics World

Den menneskelige hjernen er et forbløffende og komplekst maskineri. Med mer enn 80 milliarder nevroner i den menneskelige hjernebarken, hver med tusen synapser, behandler hjernen vår rundt 100 megabit informasjon per sekund. Tenk deg da å prøve å måle, trekke ut og tolke alle signalene i hjernen vår i sanntid, med tankehastigheten. Å tappe inn i hjernen kan en gang ha vært utelukkende i rikene av science fiction – fra X-Men til Matrisen – men i dag er det faktisk mulig å koble hjernen til en datamaskin og styre en robotarm, for eksempel, eller oversette tankene dine til tekst.

Et hjerne-datamaskin-grensesnitt (BCI) fungerer som en bro mellom hjernen din og en ekstern enhet, vanligvis en datamaskin. BCI-er samler inn, analyserer og oversetter elektriske signaler fra hjernen din til kommandoer som kan forstås og utføres av en datamaskin. De kan også bruke eksterne signaler for å modulere hjernen. Takket være en kombinasjon av nevrovitenskap, biomedisin, fysikk og teknologi, kan BCI endre livene til mennesker med alvorlige medisinske tilstander. De har også applikasjoner på tvers av robotikk, nevrovitenskap, teknologi, spill og databehandling.

I løpet av de siste 25 årene har BCI-er tillatt lammede mennesker betjene datamaskiner med tanke alene. De har gjenopprettet tale etter at den har gått tapt på grunn av hjerneslag; har tillatt de med mangler eller lammede lemmer for å fungere igjen eller hjalp dem til betjene robotarmer og hender. BCI har diagnostisert epilepsi og andre nevrologiske tilstander, og dempet dem for titusenvis av mennesker. De har til og med vist lovende for gjenopprette synet for blinde.

Men de fleste av disse eksemplene krever hjernekirurgi, hvor elektroder plasseres på eller i overflatelaget av hjernen (barken) og potensielt enda dypere, noe som er risikabelt siden det kan indusere blødninger eller infeksjoner. Et annet problem er at forskere foreløpig ikke har en klar ide om virkningen og potensiell skade de implanterte elektrodene kan påføre hjernevevet, samtidig som de ikke vet hvor lenge de kan vare. Alt dette betyr at elektriske implantater i deres nåværende tilstand ikke trygt og pålitelig kan hjelpe millionene som ville ha nytte av dem. Faktisk utføres menneskelige implantasjoner bare når all annen behandling mislykkes, eller på eksperimentell basis – for rundt 50 individer over hele verden med alvorlige begrensninger som lammelse – der sjansen for å forbedre en dårlig livskvalitet oppveier farene.

Heldigvis kan løsningene på noen av disse problemene ligge i fysikkprinsipper og metoder, som kan gjøre disse enhetene tryggere, mer holdbare og mer tilgjengelige. Fysikk kan også brukes til å forbedre BCI-implantasjonsmetoder og materialer. Mer avgjørende er imidlertid behovet for å eliminere eller minimere hjernekirurgi ved å tilby måter å samhandle med hjernen via lys, magnetiske felt eller ultralyd. Ikke-invasive, trådløse og bærbare eller bærbare BCI-er kan forbedre hjerneforskning og medisinsk behandling, og brukes også i dagliglivet.

Trykk inn med en tanke

Fra antikken til 19-tallet utførte leger og eksperimenter, ofte ubevisst, forskjellige rudimentære eksperimenter der de forsøkte å modifisere hjernens elektriske aktivitet for medisinsk behandling. I 1924 ble denne innsatsen streng da den tyske psykiateren Hans Berger registrerte elektrisk hjerneaktivitet ved å bruke elektroder plassert på en pasients hodeskalle, og derved oppfant teknikken for elektroencefalografi (EEG). På 1970-tallet demonstrerte fysiker og informatiker Jacques Vidal tankekontroll av en ekstern enhet, da menneskelige personer utstyrt med EEG-kontakter mentalt beveget en markør vist på en dataskjerm.

EEG er fortsatt et verdifullt ikke-invasivt verktøy for å diagnostisere tilstander som epilepsi, som lar oss bestemme årsaken og typen anfall en pasient kan lide av, samt å undersøke andre tilstander som demens, hjernesvulster og hjernerystelse. Men et EEG prøver store grupper av nevroner, og signal-til-støy-forholdet er dårlig, noe som gjør det vanskelig å korrelere signalene med spesifikke hjerneaktiviteter.

Implanterte elektroder, derimot, prøver direkte utvalgte nevroner. Dette ble eksperimentelt demonstrert i 1998, da den Atlanta-baserte nevrologen Philip Kennedy plasserte spesialdesignede elektroder i hjernen til en pasient kalt "JR", som hadde blitt "låst inne" av et slag (IEEE Trans. Rehabil. Eng. 8 198). Den uheldige pasienten var i besittelse av sine fulle kognitive evner, men kunne ikke bevege seg eller snakke. Etter hvert lærte JR å kommunisere ved mentalt å kontrollere en datamaskinmarkør for å stave ord.

Nå bruker mange forskere og klinikere en implantert elektrodegruppe, kjent som «Utah Array» fra Blackrock Neurotech. Dette skreddersydde silisiumproduktet er en rekke på 100 p-type silisiumelektroder (i en 10 × 10 konfigurasjon), med en avstand på 400 µm fra hverandre på et 4 × 4 mm isolerende underlag - omtrent på størrelse med en pepperkorn. Elektrodene, 0.5 til 1.5 mm lange, er tippet med platina eller iridiumoksid. Rundt 30 mennesker over hele verden som lider av forskjellige symptomer på lammelse, har blitt utstyrt med disse enhetene. For eksempel ble det implantert fire arrays i 2015 Nathan Copeland, som ble lam fra brystet og ned etter en bilulykke i 2004. Implantatene lar ham styre en datamaskin, spille videospill og kontrollere en robotarm, med tankene sine. I skrivende stund er Copeland den pasienten som har gått lengst med et slikt implantat, men de virkelig langsiktige implikasjonene av denne invasive teknologien er ikke fullt ut forstått.

Redusere invasivitet

Problemet med en elektrode eller et annet kunstig implantat i hjernen er at det kan utløse en immunrespons, som betenner og gir arr i nærliggende vev. Dette forverres av det mekaniske misforholdet mellom en stiv elektrode og hjernens bløtvev, som igjen kan forringe elektrodens ytelse.

Å finne holdbare, biokompatible materialer med passende elektriske egenskaper for elektroder og underlag er en utfordring for fysikk og materialvitenskap

Men å finne holdbare, biokompatible materialer med passende elektriske egenskaper for elektroder og underlag er en utfordring for fysikk og materialvitenskap. Lovende kandidater inkluderer myke og fleksible ledende polymerer, så vel som ekstremt tynne elektriske ledere som karbon nanorør og silisium nanotråder (for en annen tilnærming, se boksen nedenfor).

Forskere jobber også med å redusere kirurgisk risiko ved å tilpasse eksisterende medisinsk teknologi. Stenter – bittesmå hule sylindre – brukes ofte til å holde åpne ulike typer kar i kroppen. I en vanlig bruk holder de kranspulsårene åpne og anses som minimalt invasive. Nevroteknologiselskapet Synchron har utviklet "stentroder" (stent-elektrode-opptaksarray). De er elektroder montert på en stent som er permanent implantert i en blodåre i hjernen. De kan oppdage hjernesignaler og sende dem trådløst til en datamaskin. I forsøk på mennesker har stentroder tillatt lammede forsøkspersoner å betjene datamaskiner (J. NeuroIntervent. Surg. 13 102).

Ved hjelp av en annen tilnærming, det amerikanske firmaet Neuralink kunngjorde i 2019 at de hadde utviklet en BCI som ville bli implantert i flukt med hodeskallen av en kirurgisk robot, som også ville plassere 1024 eller flere fleksible elektroder inn i hjernen (J. Med. Internett Res. 21 e16194). Neuralink, som ble medstiftet av Elon Musk, har ikke publisert flere detaljer siden, men etter den nylige godkjenningen fra US Food and Drug Administration (FDA) for forsøk på mennesker, kan det komme mer informasjon. Uansett hvilken form vil elektrodebaserte BCI-er fortsette å være viktige på grunn av deres høye romlige oppløsning og raske respons, men ikke-invasive tilnærminger utvikler seg også raskt.

Fotoner undersøker hjernen

I det elektromagnetiske spekteret kan nær-infrarødt (NIR) lys, som går fra 700 til 1400 nm, traversere hodeskallen og trenge inn i hjernen centimeter dypt, uten å gjøre skade, så lenge krafttettheten holdes til milliwatt per kvadratcentimeter. En ikke-invasiv NIR-metode kalt "fotobiomodulering" har vist at den kan stimulere hjernen. For eksempel, i en klinisk studie i 2021, ble pasienter med demens gjentatte ganger utsatt for lysdioder som sender ut lys ved 1060–1080 nm. Denne gruppen viste bemerkelsesverdige forbedringer i kognitiv funksjon og subjektivt humør sammenlignet med en kontrollgruppe (Aldring Dis. 12 954). Det antas at lyset forbedrer cellulær funksjon eller reduserer betennelse, men mer forskning er nødvendig for å etablere den nøyaktige mekanismen.

En andre ikke-invasiv metode, kjent som "funksjonell nær-infrarød spektroskopi" (fNIRS), bruker NIR-lys for å måle variasjoner i lyset absorbert av hemoglobin i blodet som sirkulerer i hjernen. Teknikken kan kartlegge hjerneaktivitet fordi oksygenert hemoglobin absorberer NIR-lys annerledes enn den oksygenerte formen, HbO₂. Aktive nevroner trenger en økt flyt av HbO₂-anriket blod, noe som gjør det mulig å oppdage hjernefunksjon. To bølgelengder påføres hodeskallen, og en måling av deres forskjellige dempninger på bestemte steder kan vise hvilke områder som er aktive. fNIRS har blitt brukt i klinikken, med det amerikanske nevroteknologiselskapet Kernel som utviklet en bærbar hodesettversjon. Den dekker hodeskallen med 52 moduler, hver med laserkilder som sender ut ved 690 nm og 850 nm og en detektor (J. Biomed. Opt. 27 074710). I 2021 godkjente FDA enheten for å teste hjernens respons på et psykedelisk stoff.

Selv om det tar sekunder for den oksygenerte blodstrømmen å utvikle seg – noe som gjør fNIRS for treg til å kontrollere en ekstern enhet – leverer den en høyere romlig oppløsning og bedre signal-til-støy enn EEG, noe som betyr at den kan finne hjerneaktivitet mer nøyaktig. Et fNIRS-headset kunne måle hjerneaktivitet selv i et motiv som beveger seg fritt, noe som gjør det mulig å kartlegge hjernen og diagnostisere nevrale tilstander under forskjellige forhold.

Raskere responser kan oppnås med en annen metode - kjent som "hendelsesrelatert optisk signal" (EROS) - som bruker infrarødt lys for å måle endringer i de optiske egenskapene til kortikalt hjernevev. Samspillet mellom lys og nevralt vev endres når nevroner er aktive fordi det øker den optiske spredningen, forlenger banene til fotoner som krysser hjernen og forsinker deres ankomst til en detektor.

I tidlige eksperimenter på mennesker penetrerte NIR-lys påført gjennom optiske fibre hodeskallen og ble oppdaget et lite stykke unna, forsinket med 0.1 s eller mindre etter at nevroner var blitt eksitert. Videre arbeid har vært begrenset fordi disse målingene er teknisk krevende, men nyere resultater tyder på at EROS kombinert med fNIRS kan danne grunnlaget for ikke-invasive BCIer med god romlig og tidsmessig oppløsning.

Den magnetiske hjernen

Enda en etablert ikke-invasiv metode for å spore hjernens nevrale aktivitet er "funksjonell magnetisk resonansavbildning" (fMRI). Standard MR oppdager oppførselen til protoner i vann og fett i kroppen, innenfor et sterkt magnetfelt, for å avbilde kroppsstrukturer. fMRI i stedet oppdager signaler fra blodstrømmen i hjernen som, som nevnt, er avhengig av oksygeneringsnivået til hemoglobin. I likhet med fNIRS, lar dette fMRI merke områder med nevral aktivitet, men med en romlig oppløsning på 1 mm i stedet for 1 cm. Tidsforsinkelsen på sekunder tillater kartlegging nesten i sanntid, men den er fortsatt for treg for hjernekontroll av eksterne enheter. fMRI krever også en stor, kostbar installasjon med en superledende magnet.

Raskere responstider kommer med ikke-invasiv "magnetoencefalografi" (MEG), som sporer nevral aktivitet ved å oppdage femtotesla (10^-15 tesla) magnetiske felt som genereres når ioniske strømmer flyter mellom aktive nevroner. Disse feltene måles av sensitive superledende kvanteinterferens (SQUID) enheter plassert nær hodebunnen, i et skjermet rom for å forhindre magnetisk interferens. MEG gir en romlig oppløsning på 1–2 mm og en responstid på millisekunder, men krever en klumpete enhet med høye driftskostnader.

En ny type detektor, "optisk pumpet magnetometer" (OPM), forbedrer MEG ved å måle hjernens magnetfelt ved romtemperatur. OPM bruker en liten celle fylt med en alkaliatomdamp. En laserdiode innstilt til en spesifikk kvanteovergang pumper optisk dampen, som justerer de atomiske magnetiske momentene. Denne magnetiseringen samhandler med hjernens magnetfelt for å endre opasiteten til dampen som bestemmes av en detektor, som gjør det mulig å måle magnetfeltet.

Kvantefysikk gir hjernesansende MEG-skannere et løft

Tidligere i år, Storbritannia-basert firma Cerca Magnetics vunnet en pris i kvanteinnovasjon for utviklingen av sin OPM-MEG bærbar hjerneskanner. Denne består av 50 LEGO blokkstørrelser montert på en helhodehjelm for å dekke hjernen. Den bærbare prototypen OPM-MEG BCI tillater nevral diagnose når et individ beveger seg. Med sine høye romlige og tidsmessige oppløsninger kan den muligens kontrollere eksterne enheter.

Å lytte til hjernen

Ultralydteknologi er mye brukt som en bærbar ikke-invasiv metode for å avbilde kroppsstrukturer, inkludert røde blodceller, da de reflekterer høyfrekvente lydbølger. I det siste tiåret har teknologien utviklet seg til det punktet at "rask funksjonell ultralyd" (fUS) kan bruke Doppler-målinger av hjernens blodstrøm for å identifisere aktive nevroner. I fUS genererer sonder ultrasoniske planbølger og samler data over hundrevis av kanaler. En datamaskin fokuserer deretter syntetisk bølgene og analyserer dataene for raskt å produsere høyoppløselige bilder av hjernens funksjon. Studier på ikke-menneskelige primater viser at fUS som opererer gjennom en minimalt invasiv port i kraniet kan støtte en BCI som sporer nevrale impulser som representerer kroppsbevegelse (Neuroscience 474 110).

Ultralyd tjener også i transkraniell ultralydstimulering (TUS), en metode for å modulere nevral atferd som kan målrettes til innen noen få kubikkmillimeter i hjernen. Etter omfattende dyrestudier tyder noen menneskelige forsøk på at TUS kan behandle nevrologiske eller psykiatriske problemer som smerte og depresjon.

Fremtiden til ikke-invasive BCIer

Ved å komplementere og kanskje en dag erstatte implantater, kan andre fysiske metoder få tilgang til hjernen med minimal invasivitet, noe som muliggjør tryggere, billigere og bredere medisinsk bruk av BCI. Andrew Jackson, en fysiker som ble nevroforsker ved Newcastle University, Storbritannia, sier at når det gjelder å registrere hjernen, er den mest spennende teknologien for øyeblikket bærbar OPM-MEG. "Det er interessant fysikk også!" legger han til, og bemerker verdien av ultralyd for hjernestimulering. Jackson advarer imidlertid om at ingen av disse ikke-invasive teknologiene ennå har den romlige oppløsningen som du kan få med implantater. Det gjenstår mye for klinisk bruk, og kanskje utover det.

Hvis ikke-invasive BCIer eliminerer kirurgisk risiko, kan friske individer bli motivert til å bruke dem til reell eller oppfattet mental forsterkning. Den kjente nevrovitenskapsmannen Kristof Koch har fortalt hvor "fantastisk" det ville være å ha en sikker BCI som kobler hjerner til datamaskiner slik at folk kan laste ned informasjon direkte til hjernen deres.

I 2021 startet San Francisco opp MindPortal samlet inn 5 millioner dollar for å utvikle et pannebånd for mental kontroll av et virtuell virkelighetsspill. Den bruker proprietær teknologi, kanskje en rask NIR-metode. I en annen applikasjon er enheter for transkraniell likestrømstimulering (tDCS) lett tilgjengelig til beskjedne priser. Disse tilfører elektriske milliamperestrømmer til hodeskallen som angivelig forbedrer kognisjon.

Når nevroetikere ser fremveksten av forbrukernevroteknologi, peker de på skaden som kan komme uten effektiv tilsyn og regulering – som også må vurdere spørsmål som personvern og tankekontroll. Ved å utvikle ikke-invasive BCI-er fremmer forskere hjerneforskning og -behandling enormt, og hjelper til med å gjenopprette uavhengigheten til alvorlig funksjonshemmede individer. Samtidig bør forskere være klar over de mange etiske spørsmålene som disse enhetene reiser, utover laboratoriet og klinikken.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/plug-me-in-the-physics-of-brain-computer-interfaces/