Priključi me: fizika vmesnikov med možgani in računalnikom – Physics World

Človeški možgani so osupljiv in zapleten kos stroja. Z več kot 80 milijardami nevronov v človeški možganski skorji, od katerih ima vsak tisoč sinaps, naši možgani obdelajo približno 100 megabitov informacij na sekundo. Predstavljajte si torej, da poskušamo izmeriti, izluščiti in interpretirati vse signale v naših možganih v realnem času, s hitrostjo misli. Trkanje v možgane je bilo nekoč morda le na področju znanstvena fantastika – od X-Men do The Matrix – danes pa je dejansko mogoče povezati svoje možgane z računalnikom in nadzorovati robotsko roko, recimo, ali prevesti svoje misli v besedilo.

Vmesnik možgani–računalnik (BCI) deluje kot most med vašimi možgani in zunanjo napravo, običajno računalnikom. BCI zbirajo, analizirajo in prevajajo električne signale iz vaših možganov v ukaze, ki jih lahko razume in izvede računalnik. Uporabijo lahko tudi zunanje signale za modulacijo možganov. Zahvaljujoč kombinaciji nevroznanosti, biomedicine, fizike in tehnologije lahko BCI spremenijo življenja ljudi z resnimi zdravstvenimi težavami. Uporabljajo se tudi v robotiki, nevroznanosti, tehnologiji, igrah in računalništvu.

V zadnjih 25 letih so BCI paraliziranim ljudem omogočili upravljati računalnike samo z mislijo. Imajo obnovljen govor po izgubi zaradi možganske kapi; so dovolili tiste z manjkajočimi oz paraliziranih udov, da ponovno delujejo ali jim pri tem pomagal upravljati z robotskimi rokami in roke. BCI imajo diagnosticirana epilepsija in drugih nevroloških stanj ter jih ublažil za več deset tisoč ljudi. Obljubili so celo vračanje vida slepim.

Toda večina teh primerov zahteva operacijo možganov, pri kateri se elektrode namestijo na ali v površinsko plast možganov (skorjo) in morda še globlje, kar je tvegano, saj lahko povzroči krvavitve ali okužbe. Druga težava je, da raziskovalci trenutno nimajo jasne predstave o vplivu in potencialni škodi, ki bi jo lahko implantirane elektrode povzročile možganskemu tkivu, hkrati pa ne vedo, kako dolgo lahko trajajo. Vse to pomeni, da električni vsadki v trenutnem stanju ne morejo varno in zanesljivo pomagati milijonom, ki bi jim koristili. Pravzaprav se vsaditve pri ljudeh izvajajo le, ko vse druge metode zdravljenja niso uspešne, ali na eksperimentalni osnovi – za približno 50 posameznikov po vsem svetu s hudimi omejitvami, kot je paraliza – kjer možnost za izboljšanje slabe kakovosti življenja odtehta nevarnosti.

Na srečo so rešitve za nekatere od teh težav morda v fizikalnih načelih in metodah, zaradi katerih bi te naprave lahko postale varnejše, trajnejše in širše dostopne. Fiziko bi lahko uporabili tudi za izboljšanje metod in materialov za implantacijo BCI. Bolj ključna pa je potreba po odpravi ali zmanjšanju možganske operacije z zagotavljanjem načinov za interakcijo z možgani prek svetlobe, magnetnih polj ali ultrazvoka. Neinvazivni, brezžični in prenosni ali nosljivi BCI bi lahko izboljšali raziskave možganov in zdravljenje ter jih uporabljali tudi v vsakdanjem življenju.

Dotaknite se z mislijo

Od antike do 19. stoletja so zdravniki in eksperimentalci, pogosto nevede, izvajali različne rudimentarne poskuse, v katerih so poskušali spremeniti električno aktivnost možganov za zdravljenje. Leta 1924 so ta prizadevanja postala stroga, ko je nemški psihiater Hans Berger snemal električno možgansko aktivnost z uporabo elektrod, nameščenih na pacientovo lobanjo, in tako izumil tehniko elektroencefalografije (EEG). V sedemdesetih letih prejšnjega stoletja je fizik in računalniški znanstvenik Jacques Vidal demonstriral miselni nadzor nad zunanjo napravo, ko so človeški subjekti, opremljeni z EEG kontakti, v mislih premikali kazalec, prikazan na računalniškem zaslonu.

EEG ostaja dragoceno neinvazivno orodje za diagnosticiranje stanj, kot je epilepsija, ki nam omogoča, da ugotovimo vzrok in vrsto napadov, za katerimi lahko bolnik trpi, ter raziščemo druga stanja, kot so demenca, možganski tumorji in pretresi možganov. Toda EEG vzorči velike skupine nevronov in razmerje med signalom in šumom je slabo, zaradi česar je težko povezati signale s specifičnimi možganskimi aktivnostmi.

Implantirane elektrode pa neposredno vzorčijo izbrane nevrone. To je bilo eksperimentalno dokazano leta 1998, ko je nevrolog Philip Kennedy iz Atlante namestil elektrode po meri v možgane pacienta, imenovanega "JR", ki ga je možganska kap pustila "zaklenjenega" (IEEE Trans. Rehabil. inž. 8 198). Nesrečni bolnik je imel vse svoje kognitivne sposobnosti, vendar se ni mogel premikati ali govoriti. Sčasoma se je JR naučil komunicirati tako, da je mentalno nadzoroval računalniški kazalec za črkovanje besed.

Zdaj mnogi raziskovalci in kliniki uporabljajo vsajen niz elektrod, znan kot »Utah Array« podjetja Blackrock Neurotech. Ta prilagojeni silikonski izdelek je niz 100 psilicijeve elektrode (v konfiguraciji 10 × 10), razporejene 400 µm narazen na 4 × 4 mm izolacijskem substratu – približno velikosti poprovega zrna. Elektrode, dolge od 0.5 do 1.5 mm, so obložene s platino ali iridijevim oksidom. Približno 30 ljudi po vsem svetu, ki trpijo zaradi različnih simptomov paralize, so opremili s temi napravami. Na primer, leta 2015 so bili vstavljeni štirje nizi Nathan Copeland, ki je bil po prometni nesreči leta 2004 paraliziran od prsnega koša navzdol. Vsadki mu omogočajo, da z mislimi upravlja računalnik, igra video igre in upravlja robotsko roko. V času pisanja tega članka je Copeland najdlje bolnik s takšnim vsadkom, vendar resnično dolgoročne posledice te invazivne tehnologije niso popolnoma razumljene.

Zmanjšanje invazivnosti

Težava z elektrodo ali katerim koli drugim umetnim vsadkom v možganih je, da lahko sproži imunski odziv, ki vname in zaznamuje bližnje tkivo. To še poslabša mehansko neskladje med togo elektrodo in mehkim tkivom možganov, kar lahko posledično tudi poslabša delovanje elektrode.

Iskanje trajnih, biokompatibilnih materialov z ustreznimi električnimi lastnostmi za elektrode in podlage je izziv za fiziko in znanost o materialih

Vendar je iskanje trajnih, biokompatibilnih materialov z ustreznimi električnimi lastnostmi za elektrode in substrate izziv za fiziko in znanost o materialih. Obetavni kandidati vključujejo mehke in prožne prevodne polimere ter izjemno tanke električne prevodnike, kot so ogljikove nanocevke in silicijeve nanožice (za drug pristop glejte okvir spodaj).

Raziskovalci si prizadevajo tudi zmanjšati kirurška tveganja s prilagajanjem obstoječih medicinskih tehnologij. Stenti – majhni votli valji – se običajno uporabljajo za držanje odprtih različnih vrst žil v telesu. Pri eni običajni uporabi ohranjajo odprte koronarne arterije in veljajo za minimalno invazivne. Neurotech podjetje Synchron je razvil "stentrode" (snemalni niz stent-elektrode). So elektrode, nameščene na stent, ki je trajno vsajen v krvno žilo v možganih. Lahko zaznajo možganske signale in jih brezžično pošljejo v računalnik. V poskusih na ljudeh so stentrode paraliziranim osebam omogočile upravljanje računalnikov (J. NeuroIntervent. Surg. 13 102).

Z drugačnim pristopom ameriško podjetje Neuralink je leta 2019 objavil, da je razvil BCI, ki bi ga kirurški robot vsadil poravnano z lobanjo, ki bi prav tako namestil 1024 ali več fleksibilnih elektrod v možgane (J. Med Internet Res. 21 e16194). Neuralink, ki ga je soustanovil Elon Musk, od takrat ni objavil več podrobnosti, a po nedavni odobritvi ameriške agencije za hrano in zdravila (FDA) za preskušanja na ljudeh bo morda kmalu na voljo več informacij. V kakršni koli obliki bodo BCI na osnovi elektrod še naprej pomembni zaradi svoje visoke prostorske ločljivosti in hitrega odziva, vendar se hitro razvijajo tudi neinvazivni pristopi.

Fotoni sondirajo možgane

V elektromagnetnem spektru lahko bližnja infrardeča (NIR) svetloba, ki teče od 700 do 1400 nm, prečkanje lobanjo in prodre v možgane centimetrov globoko, ne da bi pri tem povzročil škodo, dokler je gostota moči na milivatih na kvadratni centimeter. Neinvazivna metoda NIR, imenovana "fotobiomodulacija", je pokazala, da lahko stimulira možgane. Na primer, v kliničnem preskušanju leta 2021 so bili bolniki z demenco večkrat izpostavljeni LED diodam, ki oddajajo svetlobo pri 1060–1080 nm. Ta skupina je pokazala opazne izboljšave kognitivnih funkcij in subjektivnega razpoloženja v primerjavi s kontrolno skupino (Staranje Dis. 12 954). Menijo, da svetloba izboljša celično delovanje ali zmanjša vnetje, vendar je potrebnih več raziskav, da bi ugotovili točen mehanizem.

Druga neinvazivna metoda, znana kot "funkcionalna bližnja infrardeča spektroskopija" (fNIRS), uporablja svetlobo NIR za merjenje variacij v svetlobi, ki jo absorbira hemoglobin v krvi, ki kroži v možganih. Tehnika lahko preslika možgansko aktivnost, ker deoksigenirani hemoglobin absorbira NIR svetlobo drugače kot oksigenirana oblika, HbO₂. Aktivni nevroni potrebujejo povečan pretok HbO₂- obogatena kri, ki omogoča zaznavanje delovanja možganov. Na lobanjo se nanašata dve valovni dolžini in meritev njunih različnih slabitev na določenih mestih lahko pokaže, katera področja so aktivna. fNIRS je bil uporabljen v kliniki, ameriško nevrotehnološko podjetje Kernel pa je razvilo različico nosljivih slušalk. Pokriva lobanjo z 52 moduli, vsak z laserskimi viri sevanja pri 690 nm in 850 nm ter detektorjem (J. Biomed. Opt. 27 074710). Leta 2021 je FDA odobrila napravo za testiranje odziva možganov na psihedelično zdravilo.

Čeprav traja nekaj sekund, da se razvije pretok krvi s kisikom – zaradi česar je fNIRS prepočasen za nadzor zunanje naprave – zagotavlja višjo prostorsko ločljivost in boljše razmerje med signalom in šumom kot EEG, kar pomeni, da lahko natančneje določi možgansko aktivnost. Slušalke fNIRS bi lahko merile možgansko aktivnost tudi pri prosto premikajočem se predmetu, kar bi omogočilo preslikavo možganov in diagnosticiranje nevronskih stanj v različnih pogojih.

Hitrejše odzive je mogoče doseči z drugo metodo – znano kot »z dogodki povezani optični signal« (EROS) – ki uporablja infrardečo svetlobo za merjenje sprememb v optičnih lastnostih možganske skorje. Interakcija svetlobe z živčnim tkivom se spremeni, ko so nevroni aktivni, ker to poveča optično sipanje, podaljša pot fotonov, ki prečkajo možgane, in zakasni njihov prihod do detektorja.

V zgodnjih poskusih na ljudeh je svetloba NIR, uporabljena skozi optična vlakna, prodrla skozi lobanjo in bila zaznana na kratki razdalji z zakasnitvijo 0.1 s ali manj po vzburjenju nevronov. Nadaljnje delo je bilo omejeno, ker so te meritve tehnično zahtevne, vendar nedavni rezultati kažejo, da bi lahko EROS v kombinaciji s fNIRS predstavljal osnovo za neinvazivne BCI z dobro prostorsko in časovno ločljivostjo.

Magnetni možgani

Še ena uveljavljena neinvazivna metoda za sledenje nevronske aktivnosti možganov je "funkcionalno slikanje z magnetno resonanco" (fMRI). Standardna magnetna resonanca zazna obnašanje protonov v vodi in maščobi v telesu v močnem magnetnem polju za slikanje telesnih struktur. namesto tega fMRI zazna signale krvnega pretoka v možganih ki so, kot že omenjeno, odvisne od stopnje oksigenacije hemoglobina. Tako kot fNIRS tudi to omogoča fMRI, da označi regije živčne aktivnosti, vendar pri prostorski ločljivosti 1 mm in ne 1 cm. Časovni zamik sekund omogoča preslikavo skoraj v realnem času, vendar je še vedno prepočasen za možgansko upravljanje zunanjih naprav. fMRI zahteva tudi veliko, drago namestitev s superprevodnim magnetom.

Hitrejši odzivni časi so na voljo z neinvazivno "magnetoencefalografijo" (MEG), ki sledi živčni aktivnosti z zaznavanjem femtotesle (10^-15 tesla) magnetna polja, ki nastanejo, ko ionski tokovi tečejo med aktivnimi nevroni. Ta polja se merijo z napravami za občutljivo superprevodno kvantno interferenco (SQUID), ki so nameščene blizu lasišča v oklopljenem prostoru, da se preprečijo magnetne motnje. MEG zagotavlja prostorsko ločljivost 1–2 mm in odzivni čas milisekund, vendar zahteva zajetno napravo z visokimi operativnimi stroški.

Nova vrsta detektorja, »magnetometer z optično črpalko« (OPM), izboljšuje MEG z merjenjem magnetnega polja možganov pri sobni temperaturi. OPM uporablja majhno celico, napolnjeno s hlapi alkalijskih atomov. Laserska dioda, nastavljena na določen kvantni prehod, optično črpa hlape, ki poravnajo atomske magnetne momente. Ta magnetizacija sodeluje z magnetnim poljem možganov, da spremeni motnost hlapov, kot jo določi detektor, kar omogoča merjenje magnetnega polja.

Kvantna fizika spodbuja skenerje MEG, ki zaznavajo možgane

V začetku tega leta je podjetje s sedežem v Združenem kraljestvu Cerca Magnetics prejel nagrado za kvantne inovacije za razvoj svojega Nosljivi možganski skener OPM-MEG. To obsega 50 LEGO enot v velikosti blokov, nameščenih na celoglavo čelado, ki pokriva možgane. Prototip nosljivega OPM-MEG BCI omogoča nevralno diagnozo med premikanjem subjekta. S svojo visoko prostorsko in časovno ločljivostjo bi lahko nadzoroval zunanje naprave.

Poslušanje možganov

Ultrazvočna tehnologija se pogosto uporablja kot prenosna neinvazivna metoda za slikanje telesnih struktur, vključno z rdečimi krvnimi celicami, saj odbijajo visokofrekvenčne zvočne valove. V zadnjem desetletju se je tehnologija razvila do te mere, da lahko »hitri funkcionalni ultrazvok« (fUS) uporablja dopplerske meritve možganskega krvnega pretoka za identifikacijo aktivnih nevronov. V fUS sonde ustvarjajo ultrazvočne ravninske valove in zbirajo podatke po več sto kanalih. Računalnik nato sintetično fokusira valove in analizira podatke, da hitro proizvede slike delovanja možganov v visoki ločljivosti. Študije na primatih razen človeka kažejo, da lahko fUS, ki deluje skozi minimalno invazivna vrata v lobanji, podpira BCI, ki sledi nevronskim impulzom, ki predstavljajo gibanje telesa (Nevroznanost 474 110).

Ultrazvok služi tudi pri transkranialni ultrazvočni stimulaciji (TUS), metodi za modulacijo živčnega vedenja, ki jo je mogoče ciljati na nekaj kubičnih milimetrov v možganih. Po obsežnih študijah na živalih nekateri poskusi na ljudeh kažejo, da lahko TUS zdravi nevrološke oz psihiatrične težave, kot sta bolečina in depresija.

Prihodnost neinvazivnih BCI

Druge fizikalne metode, ki dopolnjujejo in morda nekega dne nadomestijo vsadke, lahko z minimalno invazivnostjo dostopajo do možganov, kar omogoča varnejšo, cenejšo in širšo medicinsko uporabo BCI. Andrew Jackson, fizik, ki je postal nevroznanstvenik na Univerzi Newcastle v Združenem kraljestvu, pravi, da je, ko gre za snemanje možganov, najbolj vznemirljiva tehnologija v tem trenutku nosljiva OPM-MEG. "Tudi fizika je zanimiva!" dodaja in opozarja na vrednost ultrazvoka za stimulacijo možganov. Jackson pa opozarja, da nobena od teh neinvazivnih tehnologij še nima prostorske ločljivosti, ki jo lahko dobite z vsadki. Za klinično uporabo je treba še veliko postoriti in morda še več.

Če neinvazivni BCI odpravijo kirurško tveganje, bi lahko bili zdravi posamezniki motivirani, da jih uporabljajo za resnično ali zaznano mentalno povečanje. Znani nevroznanstvenik Kristof Koch je povedal, kako "super" bi bilo imeti varen BCI, ki povezuje možgane z računalniki, da bi ljudje lahko prenašali informacije neposredno v svoje možgane.

Leta 2021 ustanovitev v San Franciscu MindPortal zbral 5 milijonov dolarjev za razvoj naglavnega traku za miselni nadzor nad igro virtualne resničnosti. Uporablja lastniško tehnologijo, morda metodo hitrega NIR. V drugi aplikaciji so naprave za transkranialno enosmerno stimulacijo (tDCS) na voljo po skromnih cenah. Ti v lobanjo uporabljajo miliamperski električni tok, ki naj bi izboljšal kognicijo.

Nevroetiki ob vzponu potrošniške nevrotehnologije opozarjajo na škodo, ki bi lahko nastala brez učinkovitega nadzora in regulacije – ki bi morala upoštevati tudi vprašanja, kot sta zasebnost in nadzor uma. Pri razvoju neinvazivnih BCI raziskovalci močno napredujejo pri raziskavah in zdravljenju možganov, kar pomaga obnoviti neodvisnost resno prizadetih posameznikov. Hkrati se morajo raziskovalci zavedati številnih etičnih dilem, ki jih povzročajo te naprave, ne le v laboratoriju in kliniki.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/plug-me-in-the-physics-of-brain-computer-interfaces/