Bioteknologia
Aivotietokonekäyttöliittymät (BCI) läpimurrot, jotka antavat vammaisille mahdollisuuden palauttaa kykyjä ja menestyä
Teknologinen kehitys etenee niin nopeasti, että vammaiset ihmiset voivat nyt puhua, kävellä, pelata pelejä ja tehdä paljon muuta pelkästään mielensä avulla.
Tämä kehitys on saavuttanut aivotietokonekäyttöliittymien (BCI) teknologian edistymisen. BCI:t mahdollistavat yksilöiden hallita ulkoisia laitteita, kuten tietokoneita, pelkästään ajatuksillaan. Nämä käyttöliittymät toimivat hankkimalla aivosignaaleja, analysoimalla ne ja kääntämällä ne komennoiksi, jotka voidaan välittää lähtölaitteelle.
BCI:illä on laaja sovellusalue, mukaan lukien vammaisten ihmisten avustaminen palauttamalla toimintoja, jotka ovat menneet menetykseen sairauksien kuten aivohalvauksen, neurodegeneraatioiden ja selkäydinvamman vuoksi. Palauttamalla kykyjä kuten näkö, puhe ja motorinen toiminta, BCI:t osoittavat potentiaalin parantaa ihmisen kykyjä.
Riippuen siitä, miten aivosignaalit otetaan aivoista, aivotietokonekäyttöliittymä voidaan luokitella joko:
- Invasiivinen, jossa elektrodeja on suoraan istutettu aivokuoreen
- Semi-invasiivinen, jossa elektrodeja on asetettu aivojen paljastetulle pinnalle
- Ei-invasiivinen, jossa elektrodeja on asetettu päänahkaan
Viimeisen vuosikymmenen aikana BCI-teknologian tutkimus ja kehitys ovat kasvaneet merkittävästi. Viimeaikaiset edistysaskeleet ovat mahdollistaneet vakavan halvaantumisen kokeneiden henkilöiden kommunikoida kääntämällä aivosignaalit tekstiksi ja palauttamaan hallinnan proteesikäsiin tai heidän lihaksiinsa. BCI:tä tutkitaan muistin parantamiseksi, oppimisen tehostamiseksi ja mielenterveysongelmien ratkaisemiseksi.
Kun BCI-alalla tapahtuu niin paljon, katsotaanpa viimeisimpiä läpimurtoja, jotka tiedemiehet ovat tehneet ja joilla on potentiaalia merkittävästi parantaa ihmisen kykyjä.
Puhekyvyn palauttaminen korkealla tarkkuudella
Tässä kuussa julkaistussa tutkimuksessa tutkijat kehittivät uuden BCI:n, joka kääntää aivosignaaleja puheeksi 97 %:n tarkkuudella, mikä on yksi tarkimmista vastaavanlaisista järjestelmistä.
Anturit istutettiin Casey Harrellin, 45-vuotiaan miehen, aivoihin, jonka puhe oli vakavasti heikentynyt amyotrofisen lateraaliskleroosin (ALS) vuoksi. Myös Lou Gehrigin tautina tunnettu neurologinen sairaus vaikuttaa hermosoluihin, jotka ohjaavat kehon liikkeitä, ja johtaa asteittaiseen kävelyn, seisomisen ja puhumisen kyvyn menetykseen.
Kun Harrell liittyi BrainGate-kliniseen tutkimukseen, hänen puheensa oli epäselvää, ja muiden täytyi auttaa tulkitsemaan sitä hänelle. Kuitenkin muutaman minuutin kuluttua BCI-järjestelmän aktivoimisesta hän pystyi viestimään haluamansa puheen.
UC Davis Health loi tämän uuden BCI-teknologian neurologisten sairauksien kanssa kamppaileville, jotka eivät pysty kommunikoimaan puhumalla.
Kun käyttäjä yrittää puhua, uusi järjestelmä tulkitsee aivosignaalit ennen kuin muuntaa ne tekstiksi, joka sitten ‘lausuu’ tietokoneen ääneen.
“BCI-teknologiamme auttoi halvaantunutta miestä kommunikoimaan ystävien, perheen ja hoitajien kanssa.”
– David Brandman, yhteiseniorkkauskirjoittaja ja tutkimuksen yhteisvastuuinvestigaattori sekä neurokirurgi UC Davisissa
Hän lisäsi myös, että heidän kokeensa on osoittanut “tarkimman puhe-neuroproteesin (laitteen), joka on koskaan raportoitu”.
Brandman, joka on myös apulaisprofessori UC Davisin neurokirurgian osastolla ja UC Davis Neuroprosthetics Lab:n yhteisjohtaja, istutti BCI-laitteen viime vuoden heinäkuussa. Neljä mikroelektrodipakettia istutettiin aivojen puhekoordinaatiosta vastaavaan alueeseen, vasempaan prekeskuskäyrään. Nämä paketit käyttävät 256 kortikaalis elektrodia aivoaktiivisuuden tallentamiseen.
Tämän laitteen avulla potilaiden yritykset liikuttaa lihaksia ja puhua tunnistetaan.
“Tallennamme aivojen osasta, joka yrittää lähettää näitä komentoja lihaksiin. Ja me periaatteessa kuuntelemme sitä, ja käännämme aivoaktiivisuuden mallit foneemiksi – kuten tavuksi tai puheen yksiköksi – ja sitten sanoiksi, joita he yrittävät sanoa.”
– Neurotieteilijä Sergey Stavisky, tutkimuksen yhteisvastuuinvestigaattori ja apulaisprofessori neurokirurgian osastolla sekä UC Davis Neuroprosthetics Lab:n yhteisjohtaja
BCI-teknologia on kehittynyt merkittävästi viime vuosina, mutta viestinnän mahdollistamiseen tähtäävät pyrkimykset ovat olleet hitaita ja alttiita usein toistuville sanavirheille. Tämä johtuu siitä, että aivosignaaleja tulkitsevat koneoppimisohjelmat vaativat paljon aikaa ja dataa toimiakseen.
Uusi järjestelmä pyrkii poistamaan tämän viestintäesteen, joka tekee käyttäjän ymmärtämisestä johdonmukaista vaikeaa.
“Tavoitteenamme oli kehittää järjestelmä, joka mahdollistaa henkilön tulla ymmärretyksi aina, kun hän haluaa puhua.”
– Brandman
Potilas käytti järjestelmää sekä spontaanissa että ohjatussa keskustelutilanteessa. Nopeaa dekoodausta tapahtui molemmissa tapauksissa reaaliajassa jatkuvien päivitysten avulla, jotka pitivät sen tarkkana. Dekoodatut sanat näytettiin näytöllä ja tietokone luki ne ääneen.
Ääni, joka luki sen ääneen, oli itse asiassa potilaan ääni ennen ALS:ää. Tätä varten tutkijat käyttivät ohjelmistoa, joka oli koulutettu potilaan ALS-ennen ääninäytteillä.
Ensimmäinen puhedata-koulutussessio vei järjestelmältä vain puoli tuntia saavuttaakseen vaikuttavan 99,6 %:n sanatarkkuuden 50 sanan sanastolla. Seuraava sessio vaati lisä 1,4 tuntia koulutusdataa saavuttaakseen 90,2 %:n tarkkuuden 125 000 sanan sanastolla. Jatkuvan datankeruun myötä BCI säilytti 97,5 %:n tarkkuuden.
Tämä kyky dekoodata, mitä implantoitu henkilö sanoo, oikein noin 97 %:n tarkkuudella, Brandmanin mukaan, “on parempi kuin monet kaupallisesti saatavilla olevat älypuhelinsovellukset, jotka yrittävät tulkita henkilön ääntä.”
Tutkimuksessa toteutettiin 84 datankeruussessiota 32 viikon aikana. Potilas käytti BCI:tä viestintään videokeskustelun ja henkilökohtaisesti yli 248 tunnin ajan.
Viestinnän ja liikkuvuuden parantaminen ainutlaatuisilla BCI-järjestelmillä
Toinen suuri kehitys viime kuukausina tuli Carnegie Mellon -yliopistolta, jossa tutkijat pystyivät saavuttamaan kaksisuuntaisen BCI-toiminnallisuuden. Tämä saavutus parantaa käyttöliittymän kykyä tulkita aivosignaaleja ja lähettää aistipalautetta suoraan aivoihin.
Bin He, biolääketieteellisen tekniikan professori yliopistossa, ja hänen ryhmänsä onnistuivat yhdistämään kohdistetun ultraääni‑stimulaation toteuttaakseen kaksisuuntaisen viestinnän ensimmäistä kertaa.
Tutkimuksessa, jossa oli 25 ihmissubjektiä, kaksisuuntainen BCI käytti koneoppimista aivoaaltojen koodaamiseen ja dekoodaukseen. Tämä kehitys voi merkittävästi parantaa signaalin laatua ja kokonais suorituskykyä ei-invasiivisessa BCI:ssä stimuloimalla kohdennettuja hermoyhteyksiä.
Vaikka ei-invasiivinen BCI-teknologia on turvallinen ja edullinen, se tallentaa signaaleja päänahan yli aivojen sisäisen sijaan, ja sen signaalien laatu on rajoitettu.
Tämän vuoksi Carnegie Mellon -yliopiston ryhmä on työskennellyt ei-invasiivisten BCI:iden tehokkuuden parantamiseksi. Tämä on johtanut syväoppimismenetelmien käyttöön, jotta voidaan dekoodata tarkasti, mitä henkilö ajattelee, ja mahdollistaa robottikäsivarren tai kursorin ohjaus. Nyt heidän viimeisimmässä tutkimuksessaan ryhmä käytti kohdistettua ultraääntä tarkkaan ei-invasiiviseen neuromodulaatioon, ja tulokset osoittivat merkittävän parannuksen EEG-pohjaisen BCI-viestinnän suorituskyvyssä.
Tutkimuksen ihmissubjekti käytti BCI-tekstinkirjoitinta, joka on visuaalinen liikeapuväline, jota puhumattomat usein käyttävät viestintään ja sanojen, kuten “Carnegie Mellon”, kirjoittamiseen.
Tutkimuksessa subjekti laittoi EEG-lapun päähänsä ja tuotti EEG-signaaleja pelkästään katsomalla kirjaimia kirjoittaakseen haluamansa sanat.
Kohdistamalla ultraääni‑säteen aivojen V5-alueelle, joka on osa visuaalista korteksia, tutkijat pystyivät parantamaan ei-invasiivisen BCI:n suorituskykyä subjekteissa merkittävästi.
“BRAIN Initiative on tukenut yli 60 ultraääni‑projektia sen perustamisesta lähtien. Tämä ainutlaatuinen ei-invasiivisten tallennus- ja modulaatioteknologioiden sovellus laajentaa työkalupakkia, jolla on potentiaalisesti skaalautuva vaikutus viestintävaikeuksista kärsivien ihmisten avustamiseen.”
– Dr. Grace Hwang, ohjelmajohtaja BRAIN Initiative -ohjelmassa NIH:ssä
Kuitenkin toinen suuri kehitys nähtiin viime vuonna, kun BCI mahdollisti halvaantuneelle miehelle, joka oli saanut selkäydinvamman, ei vain seistä, vaan myös kävellä luonnollisesti. Tämä aivo-selkäydin -rajapinta voitti Physics World 2023 Breakthrough of the Year -palkinnon.
Järjestelmä sisälsi kaksi täysin implantoitavaa laitetta, toinen tallensi aivojen jalka-liikkeisiin liittyvää aktiivisuutta ja toinen sähköisesti stimuloi selkäydintä hallitakseen jalkalihaksia. Tämä loi ‘digitaalisen sillan’, jonka avulla käsien ja jalkojen halvaantunut henkilö pystyi kävelemään.
Aivojen ECoG-signaaleja valvottiin 64-kanavaisella elektrodiruudukolla, joka oli upotettu titaanikuoreen, jonka paksuus oli samanlainen kuin kallo.
Teknologia kehitettiin WIMAGINE-pohjaisesti, ainutlaatuinen implantoitava lääketieteellinen laite, joka pystyy tallentamaan aivojen aktiivisuutta korteksin pinnalla. Myös omistettu AI-algoritmi kehitettiin potilaan liikeintention reaaliaikaista dekoodausta varten.
Laitteen kliinisessä tutkimuksessa 38-vuotias mies, jolla oli epätäydellinen kaulalihas- selkäydinvamma pyöräonnettomuudesta kymmenen vuotta aiemmin, sai kaksi laitetta kirurgisesti istutettua aivoihinsa ja lapiojohtimen lannerangan selkäytimeen.
Käyttäen BSI:tä, potilas pystyi kiipeämään portaita, väistämään esteitä ja kulkemaan vaihtelevassa maastossa. Lisäksi BSI oli vakaa ja luotettava yli vuoden käytön aikana ilman valvontaa.
Mutta entä BCI-laitteiden turvallisuus?
Kaiken tämän edistyksen keskellä on ollut monia huolia hermodatan käsittelystä ja kyberturvallisuusuhkista, kuten aivojen salakuuntelusta ja harhaanjohtavista ärsykehyökkäyksistä. Toinen suuri huolenaihe koskee aivotietokonekäyttöliittymän turvallisuusprofiilia.
Invasiivisissa BCI:issä riski aivoinfektioihin, kudosvaurioihin, kouristuksiin, verenvuotoon ja hemorraagiaan on olemassa. Sen sijaan ei-invasiiviset BCI:t voivat aiheuttaa päänsärkyä, silmien rasitusta ja ihon ärsytystä pitkäaikaisesta altistumisesta elektromagneettisille kentille.
Vaikka nämä huolenaiheet ovat perusteltuja, Brownin yliopiston tutkijoiden tutkimus analysoi lähes kahden vuosikymmenen turvallisuustietoja kliinisissä tutkimuksissa, joissa testattiin BrainGate-teknologiaa, ja löysi alhaisen haittatapausten määrän.
BrainGate BCI on kehitteillä yli kaksikymmentä vuotta, ja viimeisin tutkimus toteaa, että sen neuroteknologiaa tulisi jatkossakin arvioida sen potentiaalin vuoksi auttaa halvaantuneita ihmisiä muuttamaan liikkeen ajatukset todelliseksi toiminnaksi ja palauttamaan menettynyttä neurologista toimintaa.
Dr. Leigh R. Hochbergin, Brownin aivotieteen professorin ja BrainGate-akateemisen konsortion johtajan, mukaan, joka johtaa teknologian kehitystä ja testausta:
“Suurimmassa käynnissä olevassa intrakortikaalisessa aivotietokonekäyttöliittymien tutkimuksessa tänään raportoitu välimuotoinen turvallisuusprofiili tukee mahdollisuutta, että nämä järjestelmät voivat tulla palauttaviksi neuroteknologioiksi halvaantuneille ihmisille.”
Vaikka intrakortikaalinen BCI osoittaa valtavan potentiaalin liikkuvuudessa ja yhteisön palauttamisessa, Hochberg sanoi, että näiden edistysaskelten todellinen toteutuminen potilashoitona riippuu siitä, “onko laitteet varustettu hyväksyttävän alhaisella riskitasolla.”
Turvallisuusraportti arvioi juuri yli 12 200 päivän turvallisuustietoja, jotka kattavat 14 kliinisen tutkimuksen osallistujaa, ikäryhmässä 18–75, joilla on kvadripareesi ALS:n, selkäydinvamman tai aivorungon aivohalvauksen seurauksena.
Vuosina 2004–2021, kun kaikki nämä potilaat rekisteröitiin tutkimuksiin, löydettiin 68 laitteeseen liittyvää haittatapausta. Iritaatio ihossa oli yleisin ongelma, joka esiintyi laitteiden pienessä osassa.
Kuusi haittatapausta todettiin liittyvän kirurgiseen toimenpiteeseen. Kaksi osallistujaa, joilla oli traumaperäinen aivovamman historia, kokivat lyhyitä kouristuksia leikkauksen jälkeen, mutta hoidettiin helposti.
Huolimatta siitä, että haittatapauksia esiintyi, yksikään dokumentoiduista ei ollut odottamaton. Lisäksi mikään näistä haittatapauksista ei johtanut hermostoon infektiota, joka olisi vaatinut laitteen poistamista tai aiheuttanut pysyvän toimintakyvyn heikkenemisen.
Vaikka BrainGate Neural Interface -järjestelmän rohkaisevat turvallisuustulokset ovat merkittävä edistysaskel, paljon työtä on vielä jäljellä, mukaan lukien varmistaa, että laitteet voidaan istuttaa kokonaan ja ovat käyttäjien saatavilla 24/7.
Yritykset, jotka edistävät BCI-alalla
Synchron, Blackrock Neurotech, Kernel ja Emotiv ovat monien organisaatioiden joukossa, jotka työskentelevät tämän teknologian edistämiseksi ja sen sovellusten tutkimiseksi lääketieteen, kognitiivisen ja viihdealan sektoreilla.
Näiden yritysten enemmistö on yksityisomistuksessa, eikä julkisten yritysten edistyminen tällä alalla ole yleistä. Julkiset yritykset ovat yleensä osa suurempia organisaatioita. Esimerkiksi NextMind, joka kehitti ei-invasiivisen BCI-laitteen, ostettiin Snap Inc.:n toimesta. Toinen esimerkki on Ctrl-labs, neuroliittymä-startup, joka ostettiin Metan (aiemmin Facebook) toimesta.
Katsotaanpa joitakin merkittäviä nimiä, jotka ovat BCI-teknologian eturintamassa:
#1. Neurable
Neurable on neuroteknologiayritys, joka kehittää tekoälypohjaisia työkaluja aivosignaalien kääntämiseen ja BCI-teknologiaan. Toukokuu 2024 yritys keräsi 13 miljoonaa dollaria, mikä nostaa sen perustamisesta tähän mennessä kerätyn rahoituksen yli 30 miljoonaan dollariin. Myöhemmin 2019 Neurable keräsi 6 miljoonaa dollaria Series A -rahoituskierroksessa siirtyäkseen VR-sovelluksista pois ja kehittääkseen ei-invasiivista BCI:tä, kaksi vuotta sen jälkeen, kun se esitteli maailman ensimmäisen mielikontrolloidun VR-pelin.
Nyt, uuden rahoituskierroksen myötä, yritys pyrkii tekemään teknologiansa “kaikille saavutettavaksi”, sanoi toimitusjohtaja Dr. Ramses Alcaide, lisäten:
“Valtuutamme yksilöitä ymmärtämään oman mielensä, optimoimaan ihmisen suorituskykyä ja voittamaan sukupolvemme kiireellisimmät terveyshaasteet.”
#2. Precision Neuroscience
Tämä yritys asetti äskettäin maailmanennätyksen elektrodien määrässä, yhteensä 4 096, jotka on asetettu ihmisen aivoihin kortikaalisen datan tallentamista varten. Kehitys tuli osana Precision Neuroscience:n Layer 7 Cortical Interface -testausta. Tämä saavutus odotetaan auttavan yritystä “ymmärtämään aivot paljon syvällisemmin”.
Precision Neuroscience perustettiin Benjamin Rapoportin toimesta, neurokirurgin, joka oli yksi Neuralinkin perustajista, mutta lähti turvallisuushuolien vuoksi.
#3. Neuralink
Elon Muskin perustama Neuralink on Yhdysvalloissa toimiva yksityinen yritys, joka kehittää suurikaistaisia BCI:itä neurologisten sairauksien hoitoon ja lopulta ihmisen kognitiivisten kykyjen parantamiseen. Yrityksen keskittyminen on luoda implantoitavia laitteita, jotka voivat lukea ja stimuloida suuria määriä neuroneja.
Viime aikoina toinen henkilö, jolla on Neuralink-aivochip, joka toisin kuin ensimmäinen pysyy täysin kiinni aivoissa, käytti implantaattia pelatakseen suositun videopelin Counter-Strike 2. Chippi istutettiin viime kuussa, ja potilaan todennäköisesti tapahtui “sujuva” toipuminen. Potilas oli menettänyt raajojen hallinnan selkäydinvamman jälkeen.
Tämä kehitys tapahtui sen jälkeen, kun ensimmäisellä potilaalla 85 % elektrodeista oli siirtynyt aivoista, vaikka hän pystyi silti käyttämään implantaattia tehokkaasti. Yritys vähensi joitakin lieventäviä toimenpiteitä ongelman välttämiseksi, eikä johtojen vetäytymistä ole havattu tähän mennessä.
Lex Fridmanin podcastissa Musk ennusti, että ihmisen, jonka aivot on parannettu sirulla, voittavan ammattilaisvideopelaajan, ei ole enää kaukana. Puhuttaessa tulevaisuudesta, Musk sanoi myös, että Neuralinkin pitkän aikavälin tavoitteena on parantaa tekoälyn ja ihmisen symbioosia lisäämällä yksilön kykyä kommunikoida laajassa mittakaavassa.
Yhteenveto
BCI-teknologia on saanut paljon huomiota ja vauhtia viime vuosina, eikä kehitys näytä hidastuvan. Itse asiassa uusia ennätyksiä ja läpimurtoja saavutetaan jatkuvasti, joiden tavoitteena ei ole vain antaa vammaisille ihmisille rikastavampaa elämää, vaan myös osoittaa potentiaalia parantaa kykyjä terveissä ihmisissä.
Vaikka tie tämän teknologian käyttöönottoon on toistaiseksi pitkä, jatkuva edistyminen osoittaa, että se, mikä kerran oli tieteiskirjallisuuden osa, saattaa pian muuttua todellisuudeksi.
Klikkaa tästä saadaksesi listan parhaista biotekniikkapörssiosakkeista, joita kannattaa seurata.
