Какво се случва в мозъка ви, докато четете тази статия? С други думи, кои области на мозъка ви се активират, как невроните си взаимодействат и какви сигнали изпращат към вашите мускули?
Картографирането на невронната активност, свързана със съответно поведение е основна цел за невролозите, разработващи мозъчно-машинни интерфейси (BMIs): устройства, които четат и интерпретират мозъчната активност и предават инструкции на компютър или друга машина. Въпреки че това може да изглежда като научна фантастика, съществуващите BMIs могат например да свържат парализиран човек с роботизирана ръка; устройството интерпретира нервната активност и намерения на човека и съответно движи роботизираната ръка.
Основно ограничение за развитието на BMIs е, че устройствата изискват инвазивна мозъчна хирургия за отчитане на невронната активност. Но сега, сътрудничество в Caltech разработи нов тип минимално инвазивен BMIs за отчитане на мозъчната активност, съответстваща на планирането на движение. Използвайки технология на функционален ултразвук (fUS), той може точно да картографира мозъчната активност от прецизни области дълбоко в мозъка с разделителна способност 100 микрометра (размерът на един неврон е приблизително 10 микрометра).
Новата технология fUS е основна стъпка в създаването на по-малко инвазивни, но все още функционални BMIs.
„Инвазивните форми на интерфейси мозък-машина вече могат да върнат движение на тези, които са го загубили поради неврологично нараняване или заболяване“, казва Сумнър Норман, постдокторант в лабораторията на Андерсен и съавтор на новото проучване. „За съжаление, само малка част от пациентите с тежка парализа са подходящи и желаят да им се имплантират електроди в мозъка. Функционалният ултразвук е невероятно вълнуващ нов метод за записване на подробна мозъчна активност, без да се уврежда мозъчната тъкан. Най-вълнуващото е, че fUS е млада техника с огромен потенциал – това е само първата ни стъпка за осигуряване на високоефективен, по-малко инвазивен BMIs на повече хора. „
Новото проучване е сътрудничество между лабораториите на Ричард Андерсен, Джеймс Г. Бозуел, професор по неврология и директор на Интерфейсния център за мозъчно-машинни устройства, Tianqiao и Chrissy Chen в Института за неврология Tianqiao и Chrissy Chen в Caltech; и на Михаил Шапиро, професор по химическо инженерство.
Доклад, описващ работата по новото проучване, се появява в списание Neuron на 22 март 2021 г.
Като цяло всички инструменти за измерване на мозъчната активност имат недостатъци. Имплантираните електроди (електрофизиология) могат много точно да измерват активността на нивото на единични неврони, но, разбира се, изискват имплантирането на тези електроди в мозъка. Неинвазивните техники като функционален магнитен резонанс (fMRI) могат да изобразят целия мозък, но изискват обемисти и скъпи машини. Електроенцефалографията (EEGs) не изисква операция, но може да измерва активността само при ниска пространствена разделителна способност.
Ултразвукът действа, като излъчва импулси с високочестотен звук и измерва как тези звукови вибрации отекват в дадено вещество, като различните тъкани на човешкото тяло. Звукът се движи с различна скорост през различните тъкани. Тази техника обикновено се използва за заснемане на плод вътреутробно и за други диагностични образи.
Ултразвукът също може да „чуе“ вътрешното движение на органите.
„Когато част от мозъка стане по-активна, се увеличава притока на кръв към областта. Ключов въпрос в тази работа беше: Ако имаме техника като функционален ултразвук, която ни дава изображения с висока разделителна способност на динамиката на мозъчния кръвен поток, достатъчна ли е информацията от тези изображения, за да декодираме нещо полезно за поведението?“, казва Шапиро. „Отговорът е да. Тази техника създава подробни изображения на динамиката на невронните сигнали в целевата ни област, които не могат да се видят с други неинвазивни техники като fMRI. Направихме ниво на детайлност, приближаващо се към електрофизиологията, но с далеч по-малко инвазивна процедура. “
Сътрудничеството започва, когато Шапиро кани Микаел Тантер, пионер във функционалния ултразвук, да проведе семинар в Caltech през 2015 г.
Технологията е разработена с помощта на примати, които са били научени да изпълняват прости задачи, които включват движение на очите или ръцете в определени посоки. Докато приматите изпълняват задачите, fUS измерва мозъчната активност в задната теменна кора (PPC), област на мозъка, участваща в планирането на движението. Лабораторията на Андерсен изучава PPC в продължение на десетилетия и преди това е създала карти на мозъчната активност, използвайки електрофизиология.
За да потвърдят точността на fUS, изследователите сравняват мозъчната образна активност от fUS с предварително получени подробни данни от електрофизиологията.
След това, чрез подкрепата на T&C Chen Brain-Machine Interface Center в Caltech, екипът има за цел да види, дали зависимите от дейността промени в изображенията на fUS, могат да бъдат използвани за декодиране на намеренията на примата, дори преди да е започнал движението. След това данните са обработени от алгоритъм, който научава какви модели на мозъчна дейност корелират със съответни задачи.
Алгоритъмът прогнозира, в рамките на няколко секунди, какво поведение ще приложи примата (движение на очите или посягане), посока на движението (наляво или надясно) и кога планира да извърши движението.
„Съвременните мозъчно-машинни интерфейси с висока разделителна способност използват електродни решетки, които изискват мозъчна операция, което включва отваряне на твърдата мозъчна обвивка, силната фиброзна мембрана между черепа и мозъка и имплантиране на електродите директно в мозъка. Но ултразвуковите сигнали могат да преминават през твърдата мозъчна обвивка и мозъка неинвазивно. В черепа трябва да се имплантира само малко ултразвуково устройство; тази операция е значително по-малко инвазивна от тази, необходима за имплантиране на електроди “, казва Андерсен.
Въпреки че това изследване е проведено със нечовекоподобни маймуни, се работи в сътрудничество с д-р Чарлз Лиу, неврохирург в USC , за изследване на технологията с човешки доброволци, които имат травматични мозъчни наранявания.
Източник: SciTechDaily
