Plugga in mig: fysiken för hjärnans-datorgränssnitt – Physics World

Den mänskliga hjärnan är ett häpnadsväckande och komplext maskineri. Med mer än 80 miljarder neuroner i den mänskliga hjärnbarken, var och en med tusen synapser, bearbetar våra hjärnor cirka 100 megabit information per sekund. Föreställ dig då att försöka mäta, extrahera och tolka alla signaler i vår hjärna i realtid, med tankehastighet. Att tappa in i hjärnan kan en gång ha varit enbart i rikena av science fiction – från X-Män till Matrisen – men idag är det faktiskt möjligt att koppla din hjärna till en dator och styra en robotarm, säg, eller översätta dina tankar till text.

Ett hjärn-datorgränssnitt (BCI) fungerar som en brygga mellan din hjärna och en extern enhet, vanligtvis en dator. BCI:er samlar in, analyserar och översätter elektriska signaler från din hjärna till kommandon som kan förstås och utföras av en dator. De kan också applicera externa signaler för att modulera hjärnan. Tack vare en kombination av neurovetenskap, biomedicin, fysik och teknik kan BCI förändra livet för människor med allvarliga medicinska tillstånd. De har också applikationer inom robotik, neurovetenskap, teknik, spel och datorer.

Under de senaste 25 åren har BCI:er tillåtit förlamade människor hantera datorer enbart genom att tänka. De har återställt tal efter att det har gått förlorat på grund av en stroke; har tillåtit de med saknade eller förlamade lemmar för att fungera igen eller hjälpt dem att manövrera robotarmar och händer. BCI har diagnosen epilepsi och andra neurologiska tillstånd, och mildrade dem för tiotusentals människor. De har till och med visat lovande för återställer synen för blinda.

Men de flesta av dessa exempel kräver hjärnkirurgi, där elektroder placeras på eller i ytskiktet av hjärnan (barken) och potentiellt ännu djupare, vilket är riskabelt eftersom det kan framkalla blödningar eller infektioner. Ett annat problem är att forskare för närvarande inte har en klar uppfattning om vilken påverkan och potentiell skada de implanterade elektroderna kan orsaka på hjärnvävnaden, samtidigt som de inte vet hur länge de kan pågå. Allt detta innebär att elektriska implantat i deras nuvarande tillstånd inte kan hjälpa de miljoner som skulle dra nytta av dem på ett säkert och tillförlitligt sätt. I själva verket utförs mänskliga implantationer endast när all annan behandling misslyckas, eller på experimentell basis – för ett 50-tal individer över hela världen med allvarliga begränsningar som förlamning – där chansen att förbättra en dålig livskvalitet överväger farorna.

Lyckligtvis kan lösningarna på några av dessa problem ligga i fysikprinciper och metoder, vilket kan göra dessa enheter säkrare, mer hållbara och mer allmänt tillgängliga. Fysik kan också användas för att förbättra BCI-implantationsmetoder och material. Mer avgörande är dock behovet av att eliminera eller minimera hjärnkirurgi genom att tillhandahålla sätt att interagera med hjärnan via ljus, magnetfält eller ultraljud. Icke-invasiva, trådlösa och bärbara eller bärbara BCI:er kan förbättra hjärnforskning och medicinsk behandling, och även användas i det dagliga livet.

Slå till med en tanke

Från antiken till 19-talet utförde läkare och experimentalister, ofta omedvetet, olika rudimentära experiment där de försökte modifiera hjärnans elektriska aktivitet för medicinsk behandling. 1924 blev dessa ansträngningar rigorösa när den tyske psykiatern Hans Berger registrerade elektrisk hjärnaktivitet genom att använda elektroder placerade på en patients skalle, och därigenom uppfann tekniken elektroencefalografi (EEG). På 1970-talet demonstrerade fysikern och datavetaren Jacques Vidal tankekontroll av en extern enhet, när mänskliga försökspersoner utrustade med EEG-kontakter mentalt flyttade en markör som visas på en datorskärm.

EEG förblir ett värdefullt icke-invasivt verktyg för att diagnostisera tillstånd som epilepsi, vilket gör att vi kan fastställa orsaken och typen av anfall som en patient kan lida av, samt att undersöka andra tillstånd som demens, hjärntumörer och hjärnskakning. Men ett EEG tar prov på stora grupper av neuroner, och signal-brusförhållandet är dåligt, vilket gör det svårt att korrelera signalerna med specifika hjärnaktiviteter.

Implanterade elektroder, å andra sidan, tar direkt prov på utvalda neuroner. Detta demonstrerades experimentellt 1998, när den Atlanta-baserade neurologen Philip Kennedy placerade specialdesignade elektroder i hjärnan på en patient kallad "JR", som hade lämnats "inlåst" av en stroke (IEEE Trans. Rehabil. Eng. 8 198). Den olyckliga patienten hade sina fulla kognitiva förmågor, men kunde inte röra sig eller tala. Så småningom lärde sig JR att kommunicera genom att mentalt kontrollera en datormarkör för att stava ord.

Nu använder många forskare och kliniker en implanterad elektroduppsättning, känd som "Utah Array" från Blackrock Neurotech. Denna skräddarsydda kiselprodukt är en uppsättning av 100 p-typ kiselelektroder (i en 10 × 10 konfiguration), placerade 400 µm från varandra på ett 4 × 4 mm isolerande substrat - ungefär lika stor som ett pepparkorn. Elektroderna, 0.5 till 1.5 mm långa, är spetsade med platina- eller iridiumoxid. Ett 30-tal personer över hela världen, som lider av olika symtom på förlamning, har utrustats med dessa enheter. Till exempel, 2015 implanterades fyra arrayer i Nathan Copeland, som blev förlamad från bröstet och ner efter en bilolycka 2004. Implantaten låter honom styra en dator, spela tv-spel och styra en robotarm, med sina tankar. I skrivande stund är Copeland den patient som pågått längst med ett sådant implantat, men de verkligt långsiktiga konsekvenserna av denna invasiva teknologi är inte helt klarlagda.

Minska invasiviteten

Problemet med en elektrod eller något annat artificiellt implantat i hjärnan är att det kan utlösa ett immunsvar, vilket inflammerar och gör ärr i närliggande vävnad. Detta förvärras av den mekaniska obalansen mellan en stel elektrod och hjärnans mjukvävnad, vilket i sin tur också kan försämra elektrodens prestanda.

Att hitta hållbara, biokompatibla material med lämpliga elektriska egenskaper för elektroder och substrat är en utmaning för fysik och materialvetenskap

Men att hitta hållbara, biokompatibla material med lämpliga elektriska egenskaper för elektroder och substrat är en utmaning för fysik och materialvetenskap. Lovande kandidater inkluderar mjuka och flexibla ledande polymerer, såväl som extremt tunna elektriska ledare som kolnanorör och kiselnanotrådar (för ett annat tillvägagångssätt, se ruta nedan).

Forskare arbetar också för att minska kirurgiska risker genom att anpassa befintlig medicinsk teknik. Stentar – små ihåliga cylindrar – används ofta för att hålla öppna olika typer av kärl i kroppen. I en vanlig användning håller de kranskärlen öppna och anses vara minimalt invasiva. Neuroteknikföretaget Synchron har utvecklat "stentroder" (stent-elektrodinspelningsuppsättning). De är elektroder monterade på en stent som är permanent implanterad i ett blodkärl i hjärnan. De kan upptäcka hjärnsignaler och trådlöst skicka dem till en dator. I försök på människor har stentroder tillåtit förlamade försökspersoner att använda datorer (J. NeuroIntervent. Surg. 13 102).

Med ett annat tillvägagångssätt, det amerikanska företaget Neuralink tillkännagav 2019 att de hade utvecklat en BCI som skulle implanteras i linje med skallen av en kirurgisk robot, som också skulle placera 1024 eller fler flexibla elektroder i hjärnan (J. Med. Internetres. 21 e16194). Neuralink, som var med och grundade av Elon Musk, har inte publicerat fler detaljer sedan dess, men efter dess senaste godkännande från US Food and Drug Administration (FDA) för försök på människor, kan mer information komma. I alla former kommer elektrodbaserade BCI:er att fortsätta att vara viktiga på grund av deras höga rumsliga upplösning och snabba svar, men icke-invasiva metoder utvecklas också snabbt.

Fotoner undersöker hjärnan

I det elektromagnetiska spektrumet kan nära-infrarött (NIR) ljus, som sträcker sig från 700 till 1400 nm, korsa skallen och penetrera hjärnan centimeterdjupt, utan att göra skada, så länge effekttätheten hålls till milliwatt per kvadratcentimeter. En icke-invasiv NIR-metod som kallas "fotobiomodulering" har visat att den kan stimulera hjärnan. Till exempel, i en klinisk prövning 2021, exponerades patienter med demens upprepade gånger för lysdioder som avger ljus vid 1060–1080 nm. Denna grupp visade betydande förbättringar i kognitiv funktion och subjektivt humör jämfört med en kontrollgrupp (Åldrande Dis. 12 954). Man tror att ljuset förbättrar cellulär funktion eller minskar inflammation, men mer forskning behövs för att fastställa den exakta mekanismen.

En andra icke-invasiv metod, känd som "funktionell nära-infraröd spektroskopi" (fNIRS), använder NIR-ljus för att mäta variationer i ljuset som absorberas av hemoglobin i blodet som cirkulerar i hjärnan. Tekniken kan kartlägga hjärnans aktivitet eftersom syrefattigt hemoglobin absorberar NIR-ljus annorlunda än den syresatta formen, HbO₂. Aktiva neuroner behöver ett ökat flöde av HbO₂-berikat blod, vilket gör det möjligt att upptäcka hjärnans funktion. Två våglängder appliceras på skallen, och en mätning av deras olika dämpningar på specifika platser kan visa vilka områden som är aktiva. fNIRS har använts på kliniken, med det amerikanska neuroteknikföretaget Kernel som utvecklat en version för bärbara headset. Den täcker skallen med 52 moduler, var och en med laserkällor som emitterar vid 690 nm och 850 nm och en detektor (J. Biomed. Välja. 27 074710). År 2021 godkände FDA enheten för att testa hjärnans svar på en psykedelisk drog.

Även om det tar sekunder för det syresatta blodflödet att utvecklas – vilket gör fNIRS för långsamt för att kontrollera en extern enhet – levererar det en högre rumslig upplösning och bättre signal-till-brus än EEG, vilket betyder att det kan fastställa hjärnaktivitet mer exakt. Ett fNIRS-headset kan mäta hjärnaktivitet även i ett fritt rörligt motiv, vilket gör det möjligt att kartlägga hjärnan och diagnostisera neurala tillstånd under varierande förhållanden.

Snabbare svar kan erhållas med en annan metod - känd som "händelserelaterade optiska signaler" (EROS) - som använder infrarött ljus för att mäta förändringar i de optiska egenskaperna hos kortikal hjärnvävnad. Interaktionen mellan ljus och neural vävnad förändras när neuroner är aktiva eftersom det ökar den optiska spridningen, förlänger vägarna för fotoner som passerar hjärnan och fördröjer deras ankomst till en detektor.

I tidiga experiment på mänskliga försökspersoner penetrerade NIR-ljus som applicerats genom optiska fibrer skallen och upptäcktes en kort bit bort, försenat med 0.1 s eller mindre efter att neuroner hade exciterats. Ytterligare arbete har begränsats eftersom dessa mätningar är tekniskt krävande, men de senaste resultaten tyder på att EROS i kombination med fNIRS skulle kunna utgöra grunden för icke-invasiva BCI med god rumslig och tidsmässig upplösning.

Den magnetiska hjärnan

Ännu en etablerad icke-invasiv metod för att spåra hjärnans neurala aktivitet är "funktionell magnetisk resonanstomografi" (fMRI). Standard MRT detekterar beteendet hos protoner i vatten och fett i kroppen, inom ett starkt magnetfält, för att avbilda kroppsstrukturer. fMRI istället upptäcker signaler från blodflödet i hjärnan som, som nämnts, beror på syresättningsnivån av hemoglobin. Liksom fNIRS tillåter detta fMRI att märka regioner med neural aktivitet men med en rumslig upplösning på 1 mm snarare än 1 cm. Tidsfördröjningen på sekunder tillåter kartläggning nästan i realtid, men den är fortfarande för långsam för hjärnkontroll av externa enheter. fMRI kräver också en stor, dyr installation med supraledande magnet.

Snabbare svarstider kommer med icke-invasiv "magnetoencefalografi" (MEG), som spårar neural aktivitet genom att detektera femtotesla (10^-15 tesla) magnetiska fält som genereras när jonströmmar flyter mellan aktiva neuroner. Dessa fält mäts av känsliga supraledande kvantinterferensanordningar (SQUID) placerade nära hårbotten, i ett avskärmat rum för att förhindra magnetisk störning. MEG ger en rumslig upplösning på 1–2 mm och en svarstid på millisekunder, men kräver en skrymmande enhet med höga driftskostnader.

En ny typ av detektor, den "optiskt pumpade magnetometern" (OPM), förbättrar MEG genom att mäta hjärnans magnetfält vid rumstemperatur. OPM använder en liten cell fylld med en alkaliatomånga. En laserdiod som är inställd på en specifik kvantövergång pumpar optiskt ångan, vilket riktar in de atomära magnetmomenten. Denna magnetisering samverkar med hjärnans magnetfält för att ändra opaciteten hos ångan som bestäms av en detektor, vilket gör det möjligt att mäta magnetfältet.

Kvantfysiken ger hjärnavkännande MEG-skannrar ett uppsving

Tidigare i år, Storbritannien-baserat företag Cerca Magnetics vann ett pris inom kvantinnovation för utvecklingen av dess OPM-MEG bärbar hjärnskanner. Detta består av 50 LEGO-blockstora enheter monterade på en helhuvudshjälm för att täcka hjärnan. Den bärbara prototypen OPM-MEG BCI tillåter neural diagnos när en person rör sig. Med sina höga rumsliga och tidsmässiga upplösningar kan den möjligen styra externa enheter.

Lyssnar på hjärnan

Ultraljudsteknik används ofta som en bärbar icke-invasiv metod för att avbilda kroppsstrukturer, inklusive röda blodkroppar, eftersom de reflekterar högfrekventa ljudvågor. Under det senaste decenniet har tekniken utvecklats till den grad att "snabbt funktionellt ultraljud" (fUS) kan använda Doppler-mätningar av hjärnans blodflöde för att identifiera aktiva neuroner. I fUS genererar sonderna plana ultraljudsvågor och samlar in data över hundratals kanaler. En dator fokuserar sedan syntetiskt vågorna och analyserar data för att snabbt producera högupplösta bilder av hjärnans funktion. Studier på icke-mänskliga primater visar att fUS som verkar genom en minimalt invasiv port i kraniet kan stödja en BCI som spårar de neurala impulser som representerar kroppsrörelser (Neuroscience 474 110).

Ultraljud tjänar också till transkraniell ultraljudsstimulering (TUS), en metod för att modulera neurala beteenden som kan riktas till inom några kubikmillimeter i hjärnan. Efter omfattande djurstudier tyder vissa humanförsök på att TUS kan behandla neurologiska eller psykiatriska problem som smärta och depression.

Framtiden för icke-invasiva BCI:er

Genom att komplettera och kanske en dag ersätta implantat kan andra fysiska metoder komma åt hjärnan med minimal invasivitet, vilket möjliggör säkrare, billigare och bredare medicinsk användning av BCI. Andrew Jackson, en fysiker som blivit neuroforskare vid Newcastle University, Storbritannien, säger att när det gäller att registrera hjärnan är den mest spännande tekniken för tillfället bärbar OPM-MEG. "Det är intressant fysik också!" tillägger han och noterar värdet av ultraljud för hjärnstimulering. Jackson varnar dock för att ingen av dessa icke-invasiva teknologier ännu har den rumsliga upplösning som du kan få med implantat. Mycket återstår att göra för kliniskt bruk, och kanske utöver det.

Om icke-invasiva BCI eliminerar kirurgisk risk, kan friska individer motiveras att använda dem för verklig eller upplevd mental förstärkning. Den noterade neuroforskaren Kristof Koch har berättat hur "häftigt" det skulle vara att ha en säker BCI som länkar hjärnor till datorer så att människor kan ladda ner information direkt till sina hjärnor.

2021 startar San Francisco MindPortal samlade in 5 miljoner dollar för att utveckla ett pannband för mental kontroll av ett virtuell verklighetsspel. Den använder egen teknologi, kanske en snabb-NIR-metod. I en annan applikation är transkraniell likströmsstimulering (tDCS) enheter lätt tillgängliga till blygsamma priser. Dessa applicerar milliamp elektriska strömmar till skallen som förmodas förbättra kognition.

När neuroetikern ser framväxten av konsumentneuroteknik pekar de på den skada som kan komma utan effektiv tillsyn och reglering – som också skulle behöva ta hänsyn till frågor som integritet och sinneskontroll. När forskare utvecklar icke-invasiva BCI:er avancerar forskare enormt hjärnforskning och behandling, vilket hjälper till att återställa självständigheten för gravt funktionshindrade individer. Samtidigt bör forskare vara medvetna om de många etiska problem som dessa enheter väcker, bortom labbet och kliniken.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/plug-me-in-the-physics-of-brain-computer-interfaces/