Conectați-mă: fizica interfețelor creier-calculator – Physics World

Creierul uman este o piesă uluitoare și complexă de mașinărie. Cu peste 80 de miliarde de neuroni în cortexul cerebral uman, fiecare cu o mie de sinapse, creierul nostru procesează aproximativ 100 de megabiți de informații pe secundă. Imaginați-vă atunci, încercând să măsurați, extrageți și interpretați toate semnalele din creierul nostru în timp real, cu viteza gândirii. Atingerea creierului ar fi putut odată să fi fost doar în tărâmurile science fiction – din X-Men la Matrix – dar astăzi, este de fapt posibil să vă conectați creierul la un computer și să controlați un braț robotic, să spunem, sau să vă traduceți gândurile în text.

O interfață creier-computer (BCI) funcționează ca o punte între creierul tău și un dispozitiv extern, de obicei un computer. BCI-urile colectează, analizează și traduc semnalele electrice din creierul tău în comenzi care pot fi înțelese și executate de un computer. De asemenea, pot aplica semnale externe pentru a modula creierul. Datorită unei combinații de neuroștiință, biomedicină, fizică și tehnologie, BCI-urile pot schimba viețile persoanelor cu afecțiuni medicale grave. De asemenea, au aplicații în robotică, neuroștiință, tehnologie, jocuri și computere.

În ultimii 25 de ani, BCI-urile au permis persoanelor paralizate operați computerele doar prin gândire. Ei au vorbirea restaurată după ce a fost pierdut din cauza unui accident vascular cerebral; au permis celor cu lipsă sau membrele paralizate să funcționeze din nou sau i-a ajutat acționează brațele robotizate și mâinile. BCI-urile au epilepsie diagnosticată și alte afecțiuni neurologice și le-a atenuat pentru zeci de mii de oameni. Ei chiar și-au arătat promisiuni pentru redarea vederii orbilor.

Dar cele mai multe dintre aceste exemple necesită o intervenție chirurgicală pe creier, în care electrozii sunt plasați pe sau în stratul de suprafață al creierului (cortexul) și, potențial, chiar mai profund, ceea ce este riscant deoarece ar putea induce hemoragii sau infecții. O altă problemă este că cercetătorii nu au în prezent o idee clară despre impactul și daunele potențiale pe care electrozii implantați le-ar putea provoca asupra țesutului creierului, fără să știe, de asemenea, cât de mult pot dura. Toate acestea înseamnă că implanturile electrice în starea lor actuală nu pot ajuta în siguranță și fiabil milioanele care ar beneficia de ele. De fapt, implantările umane sunt efectuate numai atunci când toate celelalte tratamente eșuează sau pe bază experimentală - pentru aproximativ 50 de indivizi din întreaga lume cu limitări severe, cum ar fi paralizia - unde șansa de a îmbunătăți o calitate proastă a vieții depășește pericolele.

Din fericire, soluțiile pentru unele dintre aceste probleme pot sta în principiile și metodele fizicii, care ar putea face aceste dispozitive mai sigure, mai durabile și mai disponibile pe scară largă. Fizica ar putea fi, de asemenea, utilizată pentru a îmbunătăți metodele și materialele de implantare a BCI. Totuși, mai importantă este necesitatea de a elimina sau de a minimiza intervenția chirurgicală pe creier, oferind modalități de a interacționa cu creierul prin lumină, câmpuri magnetice sau ultrasunete. BCI-urile non-invazive, wireless și portabile sau purtabile ar putea îmbunătăți cercetarea creierului și tratamentul medical și pot fi utilizate și în viața de zi cu zi.

Atingeți cu un gând

Din antichitate până în secolul al XIX-lea, medicii și experimentatorii, adesea fără să vrea, au efectuat diverse experimente rudimentare în care au încercat să modifice activitatea electrică a creierului pentru tratament medical. În 19, aceste eforturi au devenit riguroase când psihiatrul german Hans Berger a înregistrat activitatea electrică a creierului folosind electrozi plasați pe craniul unui pacient, inventând astfel tehnica electroencefalografiei (EEG). În anii 1924, fizicianul și informaticianul Jacques Vidal a demonstrat controlul gândirii asupra unui dispozitiv extern, deoarece subiecții umani echipați cu contacte EEG mișcau mental un cursor afișat pe ecranul unui computer.

EEG rămâne un instrument neinvaziv valoros pentru a diagnostica afecțiuni precum epilepsia, permițându-ne să determinăm cauza și tipul de convulsii de care ar putea suferi un pacient, precum și să investigăm alte afecțiuni precum demența, tumorile cerebrale și comoțiile cerebrale. Dar un EEG prelevează grupuri mari de neuroni, iar raportul semnal-zgomot este slab, ceea ce face dificilă corelarea semnalelor cu activități specifice ale creierului.

Electrozii implantați, pe de altă parte, prelevează direct neuronii selectați. Acest lucru a fost demonstrat experimental în 1998, când neurologul Philip Kennedy din Atlanta a plasat electrozi special proiectați în creierul unui pacient numit „JR”, care fusese lăsat „blocat” de un accident vascular cerebral (IEEE Trans. Reabilitare. ing. 8 198). Pacientul ghinionist era în posesia abilităților sale cognitive complete, dar incapabil să se miște sau să vorbească. În cele din urmă, JR a învățat să comunice controlând mental un cursor de computer pentru a scrie cuvinte.

Acum mulți cercetători și clinicieni folosesc o matrice de electrozi implantați, cunoscută sub numele de „Utah Array” de la Blackrock Neurotech. Acest produs de silicon personalizat este o serie de 100 pelectrozi de siliciu de tip (în configurație 10 × 10), distanțați la 400 µm pe un substrat izolator de 4 × 4 mm – aproximativ de dimensiunea unui boabe de piper. Electrozii, cu lungimea de 0.5 până la 1.5 mm, sunt acoperiți cu oxid de platină sau iridiu. Aproximativ 30 de persoane din întreaga lume, care suferă de diferite simptome de paralizie, au fost echipate cu aceste dispozitive. De exemplu, în 2015 au fost implantate patru matrice Nathan Copeland, care a fost paralizat de la piept în jos după un accident de mașină în 2004. Implanturile îi permit să controleze un computer, să joace jocuri video și să controleze un braț robotizat, cu gândurile sale. La momentul scrierii, Copeland este cel mai longeviv pacient cu un astfel de implant, dar implicațiile cu adevărat pe termen lung ale acestei tehnologii invazive nu sunt pe deplin înțelese.

Reducerea invazivității

Problema cu un electrod sau orice alt implant artificial din creier este că poate declanșa un răspuns imun, care inflamează și cicatrici țesutul din apropiere. Acest lucru este agravat de nepotrivirea mecanică dintre un electrod rigid și țesutul moale al creierului, care, la rândul său, poate degrada și performanța electrodului.

Găsirea de materiale durabile, biocompatibile cu proprietăți electrice adecvate pentru electrozi și substraturi este o provocare pentru fizică și știința materialelor

Dar găsirea de materiale durabile, biocompatibile cu proprietăți electrice adecvate pentru electrozi și substraturi este o provocare pentru fizică și știința materialelor. Candidații promițători includ polimeri conductori moi și flexibili, precum și conductori electrici extrem de subțiri, cum ar fi nanotuburi de carbon și nanofire de siliciu (pentru o altă abordare, vezi caseta de mai jos).

Cercetătorii lucrează, de asemenea, la reducerea riscurilor chirurgicale, prin adaptarea tehnologiilor medicale existente. Stenturile – mici cilindri goale – sunt utilizate în mod obișnuit pentru a ține deschise diferite tipuri de vase din corp. Într-o utilizare comună, ele țin arterele coronare deschise și sunt considerate minim invazive. Compania Neurotech Synchron a dezvoltat „stentrode” (matrice de înregistrare stent-electrode). Sunt electrozi montați pe un stent care este implantat permanent într-un vas de sânge din creier. Ei pot detecta semnalele creierului și le pot trimite fără fir către un computer. În studiile pe oameni, stentrozii au permis subiecților paralizați să opereze computerele (J. NeuroIntervent. Surg. 13 102).

Folosind o abordare diferită, firma americană Neuralink a anunțat în 2019 că a dezvoltat un BCI care va fi implantat la nivelul craniului de către un robot chirurgical, care ar plasa, de asemenea, 1024 sau mai mulți electrozi flexibili în creier (J. Med. Internet Res. 21 e16194). Neuralink, care a fost co-fondat de Elon Musk, nu a publicat mai multe detalii de atunci, dar după aprobarea sa recentă de la Administrația SUA pentru Alimente și Medicamente (FDA) pentru studiile pe oameni, s-ar putea să apară mai multe informații. În orice formă, BCI-urile bazate pe electrozi vor continua să fie importante din cauza rezoluției spațiale ridicate și a răspunsului rapid, dar abordările non-invazive se dezvoltă rapid.

Fotonii sondează creierul

În spectrul electromagnetic, lumina în infraroșu apropiat (NIR), care rulează de la 700 la 1400 nm, poate traversa craniul și pătrund în creier la centimetri adâncime, fără a face rău, atâta timp cât densitatea de putere este menținută la miliwați pe centimetru pătrat. O metodă NIR neinvazivă numită „fotobiomodulare” a arătat că poate stimula creierul. De exemplu, într-un studiu clinic din 2021, pacienții cu demență au fost expuși în mod repetat la LED-uri care emit lumină la 1060-1080 nm. Acest grup a prezentat îmbunătățiri notabile ale funcției cognitive și ale stării de spirit subiective în comparație cu un grup de control (Îmbătrânire Dis. 12 954). Se crede că lumina îmbunătățește funcția celulară sau reduce inflamația, dar sunt necesare mai multe cercetări pentru a stabili mecanismul exact.

O a doua metodă non-invazivă, cunoscută sub numele de „spectroscopie funcțională în infraroșu apropiat” (fNIRS), folosește lumina NIR pentru a măsura variațiile luminii absorbite de hemoglobină în sângele care circulă în creier. Tehnica poate mapa activitatea creierului deoarece hemoglobina deoxigenată absoarbe lumina NIR diferit de forma oxigenată, HbO₂. Neuronii activi au nevoie de un flux crescut de HbO₂-sânge îmbogățit, făcând posibilă detectarea funcției creierului. Două lungimi de undă sunt aplicate craniului și o măsurare a diferitelor lor atenuări la anumite locuri poate arăta care zone sunt active. fNIRS a fost folosit în clinică, compania americană de neurotehnologie Kernel dezvoltând o versiune de căști portabile. Acoperă craniul cu 52 de module, fiecare cu surse laser care emit la 690 nm și 850 nm și un detector (J. Biomed. Opta. 27 074710). În 2021, FDA a aprobat dispozitivul pentru a testa răspunsul creierului la un medicament psihedelic.

Deși este nevoie de câteva secunde pentru ca fluxul de sânge oxigenat să se dezvolte - fNIRS fiind prea lent pentru a controla un dispozitiv extern - oferă o rezoluție spațială mai mare și un raport semnal-zgomot mai bun decât EEG, ceea ce înseamnă că poate identifica activitatea creierului cu mai multă precizie. O cască fNIRS ar putea măsura activitatea creierului chiar și la un subiect care se mișcă liber, făcând posibilă cartografierea creierului și diagnosticarea stărilor neuronale în diferite condiții.

Răspunsuri mai rapide pot fi obținute cu o altă metodă – cunoscută sub numele de „semnal optic legat de eveniment” (EROS) – care utilizează lumina infraroșie pentru a măsura modificările proprietăților optice ale țesutului cerebral cortical. Interacțiunea luminii cu țesutul neural se modifică atunci când neuronii sunt activi, deoarece aceasta crește împrăștierea optică, prelungind căile fotonilor care traversează creierul și întârziind sosirea lor la un detector.

În experimentele timpurii pe subiecți umani, lumina NIR aplicată prin fibre optice a pătruns în craniu și a fost detectată la mică distanță, întârziată cu 0.1 s sau mai puțin după ce neuronii au fost excitați. Lucrările ulterioare au fost limitate, deoarece aceste măsurători sunt solicitante din punct de vedere tehnic, dar rezultatele recente sugerează că EROS combinat cu fNIRS ar putea forma baza pentru BCI-uri neinvazive cu rezoluție spațială și temporală bună.

Creierul magnetic

O altă metodă neinvazivă consacrată pentru a urmări activitatea neuronală a creierului este „imagistica prin rezonanță magnetică funcțională” (fMRI). RMN-ul standard detectează comportamentul protonilor din apă și grăsime din organism, într-un câmp magnetic puternic, pentru a vizualiza structurile corporale. fMRI în schimb detectează semnale de la fluxul sanguin în creier care, după cum sa menționat, depind de nivelul de oxigenare al hemoglobinei. La fel ca fNIRS, acest lucru permite fMRI să eticheteze regiunile activității neuronale, dar la o rezoluție spațială de 1 mm în loc de 1 cm. Decalajul de secunde permite cartografierea aproape în timp real, dar este încă prea lent pentru controlul creierului asupra dispozitivelor externe. fMRI necesită, de asemenea, o instalare mare și costisitoare cu un magnet supraconductor.

Timpii de răspuns mai rapidi vin cu „magnetoencefalografia” (MEG) non-invazivă, care urmărește activitatea neuronală prin detectarea femtotesla (10).^-15 tesla) câmpuri magnetice care sunt generate pe măsură ce curenții ionici curg printre neuronii activi. Aceste câmpuri sunt măsurate de dispozitive sensibile de interferență cuantică supraconductoare (SQUID) plasate lângă scalp, într-o cameră ecranată pentru a preveni interferențele magnetice. MEG oferă o rezoluție spațială de 1–2 mm și un timp de răspuns de milisecunde, dar necesită un dispozitiv voluminos, cu costuri de operare ridicate.

Un nou tip de detector, „magnetometrul pompat optic” (OPM), îmbunătățește MEG prin măsurarea câmpului magnetic al creierului la temperatura camerei. OPM folosește o celulă mică umplută cu vapori de atom alcalin. O diodă laser reglată la o anumită tranziție cuantică pompează optic vaporii, care aliniază momentele magnetice atomice. Această magnetizare interacționează cu câmpul magnetic al creierului pentru a modifica opacitatea vaporilor determinată de un detector, ceea ce face posibilă măsurarea câmpului magnetic.

Fizica cuantică oferă scanerelor MEG cu detecție a creierului un impuls

La începutul acestui an, firma cu sediul în Marea Britanie Căutați Magnetics a câștigat un premiu în inovație cuantică pentru dezvoltarea sa Scaner portabil pentru creier OPM-MEG. Acesta cuprinde 50 de unități LEGO de dimensiunea unui bloc montate pe o cască pentru a acoperi creierul. Prototipul OPM-MEG BCI purtabil permite diagnosticarea neuronală pe măsură ce subiectul se mișcă. Cu rezoluțiile sale spațiale și temporale mari, ar putea controla dispozitivele externe.

Ascultând creierul

Tehnologia cu ultrasunete este utilizată pe scară largă ca metodă portabilă neinvazivă pentru a vizualiza structurile corporale, inclusiv celulele roșii din sânge, deoarece acestea reflectă undele sonore de înaltă frecvență. În ultimul deceniu, tehnologia s-a dezvoltat până la punctul în care „ecografia funcțională rapidă” (fUS) poate utiliza măsurători Doppler ale fluxului sanguin al creierului pentru a identifica neuronii activi. În fUS, sondele generează unde plane ultrasonice și adună date pe sute de canale. Apoi, un computer concentrează sintetic undele și analizează datele pentru a produce rapid imagini de înaltă rezoluție ale funcției creierului. Studiile efectuate pe primate non-umane arată că fUS care operează printr-un port minim invaziv din craniu ar putea susține un BCI care urmărește impulsurile neuronale reprezentând mișcarea corpului (Neuroştiinţe 474 110).

Ecografia servește, de asemenea, la stimularea cu ultrasunete transcraniene (TUS), o metodă de modulare a comportamentului neuronal care poate fi direcționată la câțiva milimetri cubi în creier. După studii ample pe animale, unele studii pe oameni sugerează că TUS poate trata neurologice sau probleme psihiatrice cum ar fi durerea și depresia.

Viitorul BCI-urilor non-invazive

Completând și poate înlocuind într-o zi implanturile, alte metode fizice pot accesa creierul cu o invazive minimă, permițând utilizarea medicală mai sigură, mai ieftină și mai largă a BCI. Andrew Jackson, un fizician devenit neuroștiință de la Universitatea Newcastle, Marea Britanie, spune că, atunci când vine vorba de înregistrarea creierului, cea mai interesantă tehnologie în acest moment este OPM-MEG purtabilă. „Este și fizica interesantă!” adaugă el, remarcând valoarea ultrasunetelor pentru stimularea creierului. Jackson avertizează, totuși, că niciuna dintre aceste tehnologii non-invazive nu are încă rezoluția spațială pe care o puteți obține cu implanturi. Rămân multe de făcut pentru uz clinic și, poate, dincolo de aceasta.

Dacă BCI-urile neinvazive elimină riscul chirurgical, indivizii sănătoși ar putea fi motivați să le folosească pentru creșterea mentală reală sau percepută. Renumitul om de știință în neuroști Kristof Koch a relatat cât de „uimitor” ar fi să existe un BCI sigur care să conecteze creierul de computere, astfel încât oamenii să poată descărca informații direct în creierul lor.

În 2021, San Francisco a pornit MindPortal a strâns 5 milioane de dolari pentru a dezvolta o bandă pentru controlul mental al unui joc de realitate virtuală. Folosește tehnologie proprietară, poate o metodă NIR rapidă. Într-o altă aplicație, dispozitivele de stimulare a curentului continuu transcranian (tDCS) sunt ușor disponibile la prețuri modeste. Acestea aplică curenți electrici de miliamperi craniului care se presupune că îmbunătățesc cogniția.

Văzând creșterea neurotehnologiei consumatorilor, neuroeticienii subliniază răul care ar putea apărea fără o supraveghere și o reglementare eficace – care ar trebui să ia în considerare și aspecte precum confidențialitatea și controlul minții. În dezvoltarea BCI-urilor non-invazive, cercetătorii avansează enorm în cercetarea și tratamentul creierului, ajutând la restabilirea independenței persoanelor cu dizabilități severe. În același timp, cercetătorii ar trebui să fie conștienți de numeroasele dileme etice pe care aceste dispozitive le ridică, dincolo de laborator și clinică.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/plug-me-in-the-physics-of-brain-computer-interfaces/