Новият интерфейс мозък-машина на Caltech
До колко осъзнаваме, какво се случва с нашия мозък докато четем, играем или учим? Как работят различните му области и до какво води това в действителност?
Съпоставянето на невронната активност със съответното поведение е основна цел за невролозите, разработващи интерфейси мозък-машина (ИТМ). Това са устройства, които четат и интерпретират мозъчната дейност и предават инструкции на компютър или машина. Въпреки че това може да изглежда като научна фантастика, съществуващите ИТМ могат да свържат парализиран човек с роботизирана ръка. Устройството интерпретира невронната активност и намерения на човека и съответно движи роботизираната ръка.
Опасности на процеса
Основно ограничение за развитието на ИТМ е, че устройствата изискват инвазивна мозъчна операция за отчитане на невронната активност. Сега учените разработват нов тип минимално инвазивен ИТМ за отчитане на мозъчната дейност, съответстваща на планирането на движение. Използвайки функционална ултразвукова (fUS) технология, те могат точно да картографират мозъчната активност от региони дълбоко в мозъка с разделителна способност 100 микрометра.
Новата fUS технология е важна стъпка в създаването на по-малко инвазивни, но все пак силно способни ИТМ. Инвазивните форми на интерфейси между мозък и машина вече могат да върнат движението на тези, които са го загубили поради неврологично нараняване или заболяване.
Плюсове и минуси
Като цяло всички инструменти за измерване на мозъчната активност имат недостатъци. Електродите могат много точно да измерват активността на ниво единични неврони, но изискват имплантиране в мозъка. Неинвазивните техники като функционално магнитно-резонансно изображение (fMRI) могат да изобразят целия мозък, но изискват обемисти и скъпи машини. Електроенцефалографията (ЕЕГ) не се нуждае от операция, а може да измерва активността само при ниска пространствена разделителна способност.
Ултразвукът работи, като излъчва високочестотни звуци и измерва как тези звукови вибрации отекват в едно вещество, като различни тъкани на човешкото тяло. Звукът се движи с различна скорост през тези типове тъкани и се отразява на границите между тях. Тази техника обикновено се използва за заснемане на плода вътреутробно и за други диагностични изображения.
Ултразвукът също може да покаже вътрешното движение на органите. Така изследователите могат да запишат малки промени в кръвния поток на мозъка с до 100 микрометъра.
Когато част от мозъка стане по-активна, се увеличава притока на кръв към зоната. Ключов въпрос е наличието на функционален ултразвук, който ни дава изображения с висока разделителна способност за динамиката на кръвния поток.
Опити и разработки
Технологията е разработена с помощта на нечовекоподобни примати, които са научени да изпълняват прости задачи. Те включват преместване на очите или ръцете в определени посоки. Докато приматите изпълняват задачите, fUS измерва мозъчната активност в област от мозъка, участваща в планирането на движение. Лабораторията изучава PPC в продължение на десетилетия, като е създала карти на мозъчната активност в региона, използвайки електрофизиология. За да потвърдят точността на fUS, изследователите сравняват активността на изобразяване на мозъка с получените по-рано подробни данни за електрофизиологията.
След това, чрез подкрепата на мозъчно-машинен интерфейс, екипът се стреми да види дали промените, зависещи от активността в изображенията на fUS, могат да бъдат използвани за декодиране на намеренията на примата преди да започне самото движение. Данните от ултразвуковото изображение и съответните задачи се обработват чрез алгоритъм за машинно обучение. След като алгоритъмът е обучен, той е представен с ултразвукови данни, събрани в реално време от нечовекоподобните примати.
Алгоритъмът предвижда, в рамките на няколко секунди, какво поведение ще се извърши, посоката му и кога се планира да бъде извършено.
Крайна цел
Най-важното е да се покаже, че ултразвукът може да улавя мозъчни сигнали, свързани с мисълта за планиране на физическо движение. Функционалното ултразвуково изобразяване успява да запише тези сигнали с 10 пъти по-голяма чувствителност и по-добра разделителна способност от функционалната ЯМР. Това откритие е в основата на успеха на взаимодействието мозък-машина, базирано на функционален ултразвук.
Настоящите интерфейси мозък-машина с висока разделителна способност използват електродни масиви, които изискват мозъчна операция, която включва отваряне на влакнестата мембрана между черепа и мозъка и имплантиране на електродите директно. Ултразвуковите сигнали могат да преминат неинвазивно. В черепа трябва да се имплантира само малък ултразвук. Тази операция е значително по-малко инвазивна от имплантирането на електроди.