Brain-Computer Interfaces (BCI) Gennembrud, der giver handicappede mulighed for at genoprette funktioner og trives

Teknologisk udvikling vokser i så hurtigt tempo, at personer med handicap nu kan tale, gå, spille spil og gøre meget mere ved blot at bruge deres sind.

Denne udvikling er blevet drevet af fremskridt inden for Brain-Computer Interface (BCI) teknologi. BCI’er gør det muligt for individer at styre eksterne enheder, såsom computere, kun ved hjælp af deres tanker. Disse grænseflader fungerer ved at indsamle hjerne‑signaler, analysere dem og omsætte dem til kommandoer, der kan overføres til output‑enheden.

BCI’er har et bredt anvendelsesområde, herunder at hjælpe personer med handicap ved at genoprette funktioner, der er gået tabt på grund af tilstande som slagtilfælde, neurodegeneration og rygmarvsskade. Ved at genoprette evner såsom syn, tale og motorisk funktion viser BCI’er potentialet til at forbedre menneskelige evner.

Afhængigt af hvordan signalerne tages fra hjernen, kan Brain-Computer Interface betegnes enten:

1. Invasiv, hvor elektroder er direkte implanteret i cortex
2. Semi-invasiv, hvor elektroder er placeret på hjernens eksponerede overflade
3. Non-invasiv, hvor elektroder er placeret på hovedbunden

I løbet af det sidste årti er forskning og udvikling inden for BCI-teknologi vokset betydeligt. De seneste fremskridt har gjort det muligt for personer med svær lammelse at kommunikere ved at omsætte deres hjerne‑signaler til tekst og genvinde kontrol over proteselever eller deres muskler. BCI’er bliver også undersøgt for at forbedre hukommelse, styrke læring og håndtere mentale sundhedsproblemer.

Med så meget aktivitet inden for BCI-feltet, lad os se på de seneste gennembrud skabt af forskere, som har potentialet til at forbedre menneskelige evner betydeligt. 

Gendannelse af taleevne med høj nøjagtighed

I en undersøgelse offentliggjort denne måned udviklede forskere en ny BCI, der oversætter hjerne‑signaler til tale med en nøjagtighed på op til 97%, hvilket er et af de mest nøjagtige systemer af sin slags.

Sensorerne blev implanteret i hjernen på Casey Harrell, en 45‑årig mand, der havde stærkt nedsat tale på grund af amyotrofisk lateral sklerose (ALS). Også kendt som Lou Gehrigs sygdom, påvirker denne neurologiske lidelse nervecellerne, der styrer bevægelse i hele kroppen, og fører til gradvist tab af evnen til at gå, stå og tale.

Da Harrell deltog i BrainGate‑klinisk forsøg, var hans tale uforståelig, og andre måtte hjælpe med at fortolke den for ham. Men inden for få minutter efter aktivering af BCI‑systemet kunne han kommunikere sin tiltænkte tale.

UC Davis Health udviklede denne nye BCI‑teknologi for personer med neurologiske tilstande, der ikke kan kommunikere via tale. 

Når en bruger forsøger at tale, fortolker det nye system hjerne‑signaler, før de omdannes til tekst, som derefter ‘tales’ højt af computeren.

“Vores BCI‑teknologi hjalp en mand med lammelse med at kommunikere med venner, familie og plejepersonale.”

– David Brandman, medforfatter og med‑principal investigator af undersøgelsen samt neurokirurg ved UC Davis

Han tilføjede også, at deres eksperiment har demonstreret “den mest nøjagtige tale‑neuroprotese (enhed), der nogensinde er rapporteret”.

Brandman, som også er assisterende professor i UC Davis afdeling for neurologisk kirurgi og meddirektør for UC Davis Neuroprosthetics Lab, implanterede BCI‑enheden i juli sidste år. Fire mikroelektrode‑arrays blev implanteret i den hjerneområde, der er ansvarlig for tale‑koordination, den venstre præcentrale gyrus. Disse arrays anvender 256 kortikale elektroder til at registrere hjerneaktivitet.

Med denne enhed registreres patienternes forsøg på at bevæge muskler og tale.

“Vi optager fra den del af hjernen, der forsøger at sende disse kommandoer til musklerne. Og vi lytter grundlæggende til det, og vi omsætter de mønstre af hjerneaktivitet til et fonem – som en stavelse eller taleenhed – og derefter de ord, de forsøger at sige”

– Neuroforsker Sergey Stavisky, undersøgelsens med‑principal investigator og assisterende professor i afdelingen for neurologisk kirurgi samt meddirektør for UC Davis Neuroprosthetics Lab

BCI‑teknologi har gjort store fremskridt gennem de mange år, men bestræbelserne på at muliggøre kommunikation har været langsomme og tilbøjelige til hyppige ordfejl. Dette skyldes, at maskinlæringsprogrammer, der fortolker hjerne‑signaler, kræver meget tid og data for at fungere.

Det nye system har til formål at fjerne den barriere for kommunikation, som gør det svært for brugeren at blive forstået konsekvent.  

“Vores mål var at udvikle et system, der gjorde det muligt for en person at blive forstået, når de ønskede at tale.”

– Brandman

Patienten brugte systemet både i spontane og fremkaldte samtalesituationer. Hastighedsafkodning foregik i realtid i begge tilfælde med konstante opdateringer, der holdt det præcist. De afkodede ord blev derefter vist på en skærm og læst højt af computeren. 

Den stemme, der læste det højt, var faktisk patientens stemme fra før han fik ALS. Til dette brugte forskerne software, der var trænet med eksisterende lydprøver af patientens stemme før ALS.

Den første træningssession for tale‑data tog systemet kun en halv time for at opnå en imponerende ordnøjagtighed på 99,6 % med et ordforråd på 50 ord. Den næste session krævede yderligere 1,4 time træningsdata for at opnå en ordnøjagtighed på 90,2 % for et ordforråd på 125.000 ord. Med fortsat dataindsamling opretholdt BCI’en en nøjagtighed på 97,5 %.

Denne evne til at afkode, hvad personen med implantatet siger, korrekt omkring 97 % af tiden, ifølge Brandman, “er bedre end mange kommercielt tilgængelige smartphone‑applikationer, der forsøger at fortolke en persons stemme”.

Undersøgelsen gennemførte 84 dataindsamlingssessioner over 32 uger. Patienten brugte BCI’en til kommunikation via videochat og personligt i mere end 248 timer. 

Forbedring af kommunikation og mobilitet med unikke BCI‑systemer

En anden stor udvikling i de sidste par måneder kom fra Carnegie Mellon University, hvor forskere var i stand til at opnå tovejs BCI‑funktionalitet. Denne præstation forbedrer grænsefladens evne til at fortolke hjerne‑signaler og sende sensorisk feedback direkte tilbage til hjernen. 

Bin He, professor i biomedicinsk ingeniørvidenskab ved universitetet, og hans gruppe lykkedes med at integrere fokuseret ultralydsstimulering for at realisere dobbeltkommunikation for første gang. 

I en undersøgelse med 25 menneskelige forsøgspersoner brugte den tovejs BCI maskinlæring til at kode og afkode hjernebølger. Denne udvikling har potentialet til væsentligt at forbedre signal kvaliteten og den samlede ydeevne af non‑invasiv BCI ved at stimulere målrettede neurale kredsløb.

Selvom non‑invasiv BCI‑teknologi er sikker og billig, har det faktum, at den optager signaler over hovedbunden i stedet for inde i hjernen, og kvaliteten af dens signaler begrænsninger. 

Som sådan har Carnegie Mellon University‑gruppen arbejdet på at forbedre effektiviteten af non‑invasiv BCI. Dette har ført til brug af dyb læring til at afkode præcis, hvad man tænker, og derefter muliggøre kontrol af en robotarm eller markør. I deres seneste forskning brugte gruppen fokuseret ultralyd til præcis non‑invasiv neuromodulation, og resultaterne viste en betydelig forbedring af EEG‑baseret BCI‑kommunikationsydelse.

De menneskelige forsøgspersoner i undersøgelsen brugte en BCI‑speller, som er en visuel bevægelsesassistent, der almindeligt anvendes af ikke‑talere til at kommunikere og stave ud sætninger som “Carnegie Mellon”.

I undersøgelsen tog forsøgspersonerne en EEG‑hat på og genererede EEG‑signaler blot ved at kigge på bogstaver for at stave de ord, de ønskede.

Ved at anvende en fokuseret ultralydstråle på hjernens V5‑område, som er en del af den visuelle cortex, var forskerne i stand til at forbedre ydeevnen af den non‑invasiv BCI blandt forsøgspersonerne markant. 

“BRAIN Initiative har støttet mere end 60 ultralydsprojekter siden sin start. Denne unikke anvendelse af non‑invasiv optagelse og modulations‑teknologier udvider værktøjskassen med en potentielt skalerbar indvirkning på at hjælpe mennesker med kommunikationshandicap.”

– Dr. Grace Hwang, programdirektør for BRAIN Initiative ved NIH

Alligevel blev en anden stor udvikling set sidste år, da BCI gjorde det muligt for en lammet mand, efter at have pådraget sig en rygmarvsskade, ikke kun at stå, men også at gå naturligt. Dette hjerne‑rygmarvsinterface vandt Physics World 2023 Breakthrough of the Year.

Dette system omfattede to fuldt implanterbare enheder, den ene optager hjerneaktivitet relateret til benbevægelse, og den anden elektrisk stimulerer rygmarven for at kontrollere benmusklerne. Dette skabte en ‘digital bro’, der gjorde det muligt for en person med lammelse i arme og ben at gå.

ECoG‑signalerne fra hjernen blev overvåget ved hjælp af et 64‑kanals elektrode‑gitter indlejret i et titaniumhus med samme tykkelse som kraniet.

Teknologien blev udviklet baseret på WIMAGINE, en unik implanterbar medicinsk enhed, der kan registrere hjerneaktivitet på cortexens overflade. En dedikeret AI‑algoritme blev også udviklet til realtidsafkodning af en patients bevægelsesintention.

I enheden kliniske forsøg havde en 38‑årig mand med en ufuldstændig cervikal rygmarvsskade fra en cykelulykke for ti år siden to enheder kirurgisk implanteret i hans hjerne og en paddle‑lead på hans lumbale rygmarv.

Ved brug af BSI var patienten i stand til at bestige trapper, navigere forhindringer og bevæge sig på skiftende terræn. Desuden var BSI stabil og pålidelig i over et år i brug uden tilsyn.

Men hvad med sikkerheden ved BCI‑enheder?

Midt i al denne fremgang har der været mange bekymringer omkring håndtering af neurale data og cybersikkerhedstrusler såsom hjerneaflytning og vildledende stimuliangreb. En anden stor bekymring vedrører sikkerhedsprofilen for brain‑computer interface.

For invasive BCI’er opstår risikoen for hjerneinfektioner, vævsskader, anfald, blødning og hæmoragi. I modsætning hertil kan non‑invasiv BCI forårsage hovedpine, øjentræthed og hudirritation ved længerevarende eksponering for elektromagnetiske felter. 

Selvom disse bekymringer er legitime, analyserede en undersøgelse af forskere fra Brown University næsten to årtiers sikkerhedsdata fra kliniske forsøg, der testede BrainGate‑teknologien, og fandt lave forekomster af bivirkninger.

BrainGate BCI har været under udvikling i mere end tyve år, og den seneste undersøgelse konkluderer, at dens neuroteknologi fortsat bør evalueres for dens potentiale til at hjælpe personer med lammelse med at omsætte tanker om bevægelse til faktiske handlinger og genvinde tabt neurologisk funktion.

Ifølge Dr. Leigh R. Hochberg, professor i hjernevidenskab ved Brown og direktør for BrainGate akademisk konsortium, der leder udviklingen og testningen af teknologien:

“I den største igangværende undersøgelse af intracorticale brain‑computer interfaces understøtter den midlertidige sikkerhedsprofil, der blev rapporteret i dag, muligheden for, at disse systemer kan blive restorative neuroteknologier for personer med lammelse.”

Selvom intracortical BCI viser stort potentiale inden for mobilitet og samfundsgendannelse, sagde Hochberg, at for at disse fremskridt virkelig skal omsættes til patientpleje, afhænger det af “om enhederne ledsages af en acceptabelt lav risikograds”.

Rapporten om sikkerhed vurderede lige over 12.200 dage af sikkerhedsdata fra 14 kliniske forsøgsdeltagere i aldersgruppen 18‑75 år med kvadriparese som følge af ALS, rygmarvsskade eller hjernestamme‑slagtilfælde. 

Mellem 2004 og 2021, da alle disse patienter blev indskrevet i forsøgene, blev 68 bivirkninger relateret til enheden fundet. Hudirritation var det mest almindelige problem, forekommende i den lille del af enheden.

Seks bivirkninger blev fundet at være forbundet med den kirurgiske procedure. To deltagere med en historie af traumatisk hjerneskade oplevede korte anfald efter operationen, men blev let behandlet. 

Selvom der var bivirkninger, var ingen af de dokumenterede uventede. Derudover førte ingen af disse bivirkninger til infektioner i nervesystemet, der krævede fjernelse af enheden eller resulterede i permanent øget handicap.

Selvom de beroligende sikkerhedsresultater for BrainGate Neural Interface‑systemet har været et stort skridt fremad, er der stadig meget arbejde, herunder at sikre, at enhederne bliver fuldt implanteret og er tilgængelige for brugere 24/7.

Virksomheder, der gør fremskridt inden for BCI‑feltet

Synchron, Blackrock Neurotech, Kernel og Emotiv er blandt de mange organisationer, der arbejder på at fremme denne teknologi og udforske dens anvendelser inden for medicin, kognition og underholdningssektoren. 

Flertallet af disse virksomheder er privat ejede, og det er sjældent at se offentlige virksomheder gøre fremskridt på dette område. De, der er offentlige, skyldes, at de er en del af større organisationer. For eksempel blev NextMind, som udviklede en non‑invasiv BCI‑enhed, opkøbt af Snap Inc. (SNAP ) Et andet eksempel er Ctrl‑labs, en neural interface‑startup, der blev opkøbt af Meta (tidligere Facebook).

Lad os derfor se på nogle fremtrædende navne, der er i frontlinjen af BCI‑teknologi:

#1. Neurable 

Neurable er et neuroteknologisk firma, der udvikler AI‑drevne værktøjer til oversættelse af hjerne‑signaler og BCI‑teknologi. I maj 2024 rejste virksomheden $13 millioner, hvilket bringer dens samlede kapitalindhentning siden grundlæggelsen til over $30 millioner. I slutningen af 2019 rejste Neurable $6 millioner i en Series A‑finansieringsrunde for at gå ud over VR‑applikationer og udvikle non‑invasiv BCI, to år efter de præsenterede verdens første tankestyrte VR‑spil.

Nu, med den nye finansieringsrunde, sigter virksomheden mod at gøre sin teknologi “tilgængelig for alle,” sagde administrerende direktør Dr. Ramses Alcaide, og tilføjede:

“Vi giver individer mulighed for at forstå deres egen hjerne, optimere menneskelig præstation og bekæmpe de mest presserende sundhedsudfordringer i vores generation.”

#2. Precision Neuroscience

Dette firma satte for nylig en verdensrekord for antallet af elektroder, 4.096 i alt, placeret på den menneskelige hjerne for at registrere kortikale data. Udviklingen kom som en del af Precision Neurosciences test af deres Layer 7 Cortical Interface. Denne præstation forventes at hjælpe virksomheden med at “forstå hjernen på en meget dybere måde”.

Precision Neuroscience blev grundlagt af Benjamin Rapoport, en neurokirurg, der medstiftede Neuralink, men forlod den med henvisning til sikkerhedsbekymringer. 

#3. Neuralink

Grundlagt af Elon Musk er Neuralink en amerikansk privat virksomhed, der udvikler høj‑båndbredde BCI’er til at behandle neurologiske tilstande og efterhånden forbedre menneskelige kognitive evner. Virksomhedens fokus er på at skabe implanterbare enheder, der kan læse og stimulere store antal neuroner.

Senest brugte den anden person med en Neuralink hjernechip, som i modsætning til den første forbliver fuldt fastgjort til hjernen, implantatet til at spille det populære videospil Counter‑Strike 2. Chippen blev indplantet sidste måned, og patienten rapporterede en “glat” genopretning. Patienten havde mistet kontrol over lemmerne efter en rygmarvsskade. 

Denne udvikling fandt sted efter den første patient havde 85 % af elektroderne, der var fastgjort til hans hjerne, forskudt, selvom han stadig kunne bruge implantatet effektivt. Virksomheden reducerede nogle afbødninger for at undgå problemet, og ingen trådretraktion er indtil videre observeret.

Under sin seneste optræden i Lex Fridman’s podcast forudsagde Musk, at en menneske med en chip‑forstærket hjerne, der kan besejre en professionel videospilspiller, ikke er så langt væk nu. Når han talte om fremtiden, sagde Musk også, at Neuralinks langsigtede mål er at forbedre symbiosen mellem AI og mennesker ved at styrke en enkeltpersons evne til at kommunikere i stor skala.

Konklusion 

BCI‑teknologi har fået meget opmærksomhed og momentum i de seneste år, og denne udvikling viser ingen tegn på at bremse. Faktisk bliver nye rekorder og gennembrud konstant opnået, som har til formål ikke kun at give personer med handicap mere berigende liv, men også vise potentialet til at forbedre evner hos raske mennesker. 

Selvom vejen til at implementere denne teknologi for nu er lang, viser den kontinuerlige fremgang, at det, der engang var science fiction, snart kan blive en realitet. 

Klik her for en liste over de bedste biotekaktier at holde øje med.