Hjerne‑datamaskin‑grensesnitt (BCI) Gjennombrudd som gir funksjonshemmede muligheten til å gjenopprette evner og blomstre

Teknologisk fremgang vokser i et så raskt tempo at personer med funksjonsnedsettelser nå kan snakke, gå, spille spill og gjøre mye mer ved kun å bruke tankene.

Denne utviklingen har blitt drevet av fremgang innen hjerne‑datamaskin‑grensesnitt (BCI)‑teknologi. BCI‑er gjør det mulig for individer å kontrollere eksterne enheter, som datamaskiner, kun ved hjelp av tankene. Disse grensesnittene fungerer ved å innhente hjerne‑signaler, analysere dem og oversette dem til kommandoer som kan overføres til utdataenheten.

BCI‑er har et bredt spekter av anvendelser, inkludert å hjelpe personer med funksjonsnedsettelser ved å gjenopprette funksjoner som er tapt på grunn av tilstander som slag, neurodegenerasjon og ryggmargsskade. Ved å gjenopprette evner som syn, tale og motorisk funksjon, viser BCI‑er potensialet til å forbedre menneskelige ferdigheter.

Avhengig av hvordan signalene tas fra hjernen, kan hjerne‑datamaskin‑grensesnittet kalles enten:

1. Invasiv, hvor elektroder er direkte implantert i korteks
2. Semi‑invasiv, hvor elektroder plasseres på hjernens eksponerte overflate
3. Non‑invasiv, hvor elektroder plasseres på hodebunnen

I løpet av det siste tiåret har forskning og utvikling innen BCI‑teknologi vokst betydelig. Nylige fremskritt har gjort det mulig for personer med alvorlig lammelse å kommunisere ved å oversette hjerne‑signalene deres til tekst og gjenvinne kontroll over protesar eller deres muskler. BCI‑er blir også utforsket for å forbedre hukommelse, styrke læring og håndtere mentale helseproblemer.

Med så mye som skjer innen BCI‑feltet, la oss ta en titt på de nyeste gjennombruddene gjort av forskere som har potensial til å betydelig forbedre menneskelige evner.

Gjenopprette taleevne med høy nøyaktighet

I en studie publisert nettopp denne måneden utviklet forskere en ny BCI som oversetter hjerne‑signaler til tale med en nøyaktighet på opptil 97%, som er et av de mest nøyaktige systemene av sin type.

Sensorene ble implantert i hjernen til Casey Harrell, en 45 år gammel mann som hadde svært svekket tale på grunn av amyotrofisk lateralsklerose (ALS). Også kjent som Lou Gehrigs sykdom, påvirker denne nevrologiske lidelsen nervecellene som styrer bevegelse i hele kroppen og fører til gradvis tap av evnen til å gå, stå og snakke.

Da Harrell deltok i BrainGate‑klinisk studie, var talen hans uforståelig, og andre måtte hjelpe med å tolke den for ham. Imidlertid, innen minutter etter aktivering av BCI‑systemet, klarte han å kommunisere den tiltenkte talen.

UC Davis Health utviklet denne nye BCI‑teknologien for personer med nevrologiske tilstander som ikke kan kommunisere via tale.

Når en bruker prøver å snakke, tolker det nye systemet hjerne‑signaler før de omdannes til tekst som deretter ‘snakkes’ høyt av datamaskinen.

«Vår BCI‑teknologi hjalp en mann med lammelse å kommunisere med venner, familie og omsorgspersoner.»

– David Brandman, medforfatter og med‑hovedforsker i studien samt nevrokirurg ved UC Davis

Han la også til at eksperimentet deres har demonstrert «den mest nøyaktige tale‑neuroprotesen (enheten) som noen gang er rapportert».

Brandman, som også er assisterende professor ved UC Davis avdeling for nevrokirurgi og meddirektør for UC Davis Neuroprosthetics Lab, implanterte BCI‑enheten i juli i fjor. Fire mikroelektrodetarrayer ble implantert i hjerneområdet som er ansvarlig for tale‑koordinasjon, den venstre precentral gyrus. Disse arrayene bruker 256 kortikale elektroder for å registrere hjerneaktivitet.

Med denne enheten blir pasientenes forsøk på å bevege muskler og snakke oppdaget.

«Vi registrerer fra den delen av hjernen som prøver å sende disse kommandoene til musklene. Og vi lytter i bunn og grunn til dette, og vi oversetter disse mønstrene av hjerneaktivitet til en fonem – som en stavelse eller enhet av tale – og så ordene de prøver å si».

– Nevrovitenskapsmann Sergey Stavisky, studiens med‑hovedforsker og assisterende professor ved avdelingen for nevrokirurgi samt meddirektør for UC Davis Neuroprosthetics Lab

BCI‑teknologien har gjort store fremskritt gjennom mange år, men forsøk på å muliggjøre kommunikasjon har vært langsomme og utsatt for hyppige ordfeil. Dette skyldes at maskinlæringsprogrammer som tolker hjerne‑signaler krever mye tid og data for å fungere.

Det nye systemet har som mål å fjerne den kommunikasjonsbarrieren som gjør det vanskelig for brukeren å bli forstått konsekvent.

«Vårt mål var å utvikle et system som ga noen muligheten til å bli forstått når de ønsket å snakke.»

– Brandman

Pasienten brukte systemet både i spontane og forespurte samtalesituasjoner. Hastighetsdekoding, i begge tilfeller, skjedde i sanntid med konstante oppdateringer som holdt det nøyaktig. De dekodede ordene ble deretter vist på en skjerm og lest høyt av datamaskinen.

Stemmen som leste den høyt var faktisk pasientens før han fikk ALS. Til dette brukte forskerne programvare som ble trent med eksisterende lydprøver av pasientens pre‑ALS‑stemme.

Den første tale‑datatreneringsøkten tok systemet bare en halv time for å oppnå en imponerende ordnøyaktighet på 99,6 % med et 50‑ord vokabular. Den neste økten tok ytterligere 1,4 timer med treningsdata for å oppnå 90,2 % ordnøyaktighet for et vokabular på 125 000 ord. Med fortsatt datainnsamling opprettholdt BCI‑en en nøyaktighet på 97,5 %.

Denne evnen til å dekode hva personen med implantatet sier korrekt omtrent 97 % av tiden, ifølge Brandman, «er bedre enn mange kommersielt tilgjengelige smarttelefonapplikasjoner som prøver å tolke en persons stemme».

Studien gjennomførte 84 datainnsamlingsøkter over 32 uker. Pasienten brukte BCI for kommunikasjon via videochat og personlig i mer enn 248 timer.

Forbedring av kommunikasjon og mobilitet med unike BCI‑systemer

En annen stor utvikling de siste månedene kom fra Carnegie Mellon University, hvor forskere var i stand til å oppnå toveis BCI‑funksjonalitet. Denne prestasjonen forbedrer grensesnittets evne til å tolke hjerne‑signaler og sende sensorisk tilbakemelding direkte tilbake til hjernen.

Bin He, professor i biomedisinsk ingeniørfag ved universitetet, og hans gruppe lyktes i å integrere fokusert ultralydstimulus for å realisere dobbel kommunikasjon for første gang.

I en studie med 25 menneskelige deltakere brukte den toveis BCI maskinlæring for å kode og dekode hjernebølger. Denne utviklingen har potensial til å betydelig forbedre signal‑kvaliteten og den samlede ytelsen til ikke‑invasiv BCI ved å stimulere målrettede nevrale kretser.

Selv om ikke‑invasiv BCI‑teknologi er trygg og billig, har det faktum at den registrerer signaler over hodebunnen i stedet for fra innsiden av hjernen, og kvaliteten på signalene, begrensninger.

Dermed har Carnegie Mellon University‑gruppen arbeidet med å forbedre effektiviteten til ikke‑invasive BCI‑er. Dette har ført til bruk av dyp læringsmetoder for å dekode akkurat hva man tenker og deretter muliggjøre kontroll av en robotarm eller en markør. Nå, i deres nyeste forskning, brukte gruppen fokusert ultralyd for presis ikke‑invasiv nevromodulering, og funnene viste en betydelig forbedring i EEG‑baserte BCI‑kommunikasjonsytelse.

Menneske‑deltakerne i studien brukte en BCI‑staver, som er en visuell bevegelsesassistent vanlig brukt av ikke‑talende for å kommunisere og stave ut fraser som «Carnegie Mellon».

I studien satte deltakerne på en EEG‑hatt og genererte EEG‑signaler bare ved å se på bokstaver for å stave ut ordene de ønsket.

Ved å anvende en fokusert ultralydstråle på hjernens V5‑område, som er en del av den visuelle cortex, klarte forskerne å forbedre ytelsen til den ikke‑invasive BCI blant deltakerne betydelig.

«BRAIN Initiative har støttet mer enn 60 ultralydprosjekter siden oppstarten. Denne unike anvendelsen av ikke‑invasive opptaks‑ og modulasjonsteknologier utvider verktøykassen, med en potensielt skalerbar innvirkning på å hjelpe personer som lever med kommunikasjonshemminger.»

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

Likevel ble en annen stor utvikling sett i fjor da BCI gjorde det mulig for en lammet mann, etter å ha pådratt seg en ryggmargsskade, ikke bare å stå, men også å gå naturlig. Dette hjerne‑ryggmarg‑grensesnittet vant Physics World 2023 Breakthrough of the Year.

Dette systemet inkluderte to fullt implanterbare enheter, en som registrerte hjerneaktivitet relatert til benbevegelse og den andre som elektrisk stimulerte ryggmargen for å kontrollere benmusklene. Dette skapte en ‘digital bro’, som tillot en person med lammelse i armer og ben å gå.

ECoG‑signalene fra hjernen ble overvåket ved bruk av et 64‑kanals elektroderuten som var innebygd i et titaniskabinet med samme tykkelse som hodeskallen.

Teknologien ble utviklet basert på WIMAGINE, en unik implanterbar medisinsk enhet som kan registrere hjerneaktivitet på korteksens overflate. En dedikert AI‑algoritme ble også utviklet for sanntidsdekoding av en pasients bevegelsesintensjon.

I enhetenes kliniske studie hadde en 38 år gammel mann med en ufullstendig cervikal ryggmargsskade fra en sykkelulykke for ti år siden to enheter kirurgisk implantert i hjernen og en paddle‑ledning på hans lumbale ryggmarg.

Ved bruk av BSI klarte pasienten å gå opp trapper, navigere hindringer og bevege seg over varierende terreng. Dessuten var BSI stabil og pålitelig i over ett år med bruk uten tilsyn.

Men hva med sikkerheten til BCI‑enheter?

Midt i all denne fremgangen har det vært mange bekymringer angående håndtering av nevrale data og cybersikkerhetstrusler som hjerneavlytting og villedende stimuli‑angrep. En annen stor bekymring gjelder sikkerhetsprofilen til hjerne‑datamaskin‑grensesnittet.

For invasive BCI‑er oppstår risiko for hjerneinfeksjoner, vevsskade, anfall, blødning og hemoragi. I kontrast kan ikke‑invasive BCI‑er forårsake hodepine, øyebelastning og hudirritasjon fra langvarig eksponering for elektromagnetiske felt.

Mens disse bekymringene er legitime, analyserte en studie av forskere ved Brown University nesten to tiår med sikkerhetsdata fra kliniske studier som testet BrainGate‑teknologien og fant lave forekomster av bivirkninger.

BrainGate BCI har vært under utvikling i mer enn tjue år, og den siste studien konkluderer med at dens neuroteknologi bør fortsette å bli evaluert for sitt potensial til å hjelpe personer med lammelse å omdanne tanker om bevegelse til faktiske handlinger og gjenvinne tapt nevrologisk funksjon.

Ifølge Dr. Leigh R. Hochberg, professor i hjernevitenskap ved Brown og direktør for BrainGate akademisk konsortium som leder utviklingen og testingen av teknologien:

«I den største pågående studien av intrakortikale hjerne‑datamaskin‑grensesnitt, støtter den midlertidige sikkerhetsprofilen som ble rapportert i dag muligheten for at disse systemene kan bli restorative neuroteknologier for personer med lammelse.»

Mens intrakortikal BCI viser enormt potensial innen mobilitet og samfunnsgjenoppretting, sa Hochberg at for at disse fremskrittene virkelig skal omsettes til pasientbehandling, avhenger alt av «om enhetene er ledsaget av en akseptabelt lav risikograds».

Rapporten om sikkerhet vurderte litt over 12 200 dager med sikkerhetsdata fra 14 kliniske studie‑deltakere i aldersgruppen 18–75 år med kvadriparese som følge av ALS, ryggmargsskade eller hjernestammslag.

Mellom 2004 og 2021, da alle disse pasientene ble inkludert i studiene, ble 68 bivirkninger relatert til enheten funnet. Hudirritasjon var det vanligste problemet, forekommende i den lille delen av enheten.

Seks bivirkninger ble funnet å være knyttet til den kirurgiske prosedyren. To deltakere med en historie av traumatisk hjerneskade opplevde korte anfall etter operasjonen, men ble lett behandlet.

Til tross for at det var bivirkninger, var ingen av de dokumenterte uventede. Dessuten førte ingen av disse bivirkningene til infeksjoner i nervesystemet som krevde fjerning av enheten eller resulterte i permanent økt funksjonsnedsettelse.

Mens de beroligende sikkerhetsfunnene for BrainGate Neural Interface‑systemet har vært et stort skritt fremover, gjenstår mye arbeid, inkludert å sikre at enhetene blir fullt implantert og er tilgjengelige for brukere 24/7.

Selskaper som gjør fremskritt innen BCI‑feltet

Synchron, Blackrock Neurotech, Kernel og Emotiv er blant mange organisasjoner som arbeider for å fremme denne teknologien og utforske dens anvendelser innen medisinsk, kognitiv og underholdningssektoren.

Flertallet av disse selskapene er privat eide, og det er sjelden å se offentlige selskaper gjøre fremskritt på dette området. De som er offentlige er en del av større organisasjoner. For eksempel ble NextMind, som utviklet en ikke‑invasiv BCI‑enhet, kjøpt opp av Snap Inc. (SNAP ) Et annet eksempel er Ctrl‑labs, en oppstartsbedrift innen nevrale grensesnitt som ble kjøpt opp av Meta (tidligere Facebook).

La oss derfor se på noen fremtredende navn som er i frontlinjen av BCI‑teknologi:

#1. Neurable 

Neurable er et neuroteknologiselskap som utvikler AI‑drevne verktøy for oversettelse av hjerne‑signaler og BCI‑teknologi. I mai 2024 hentet selskapet inn $13 millioner, noe som bringer total kapitalinnhenting siden oppstarten til over $30 millioner. Sent i 2019 hentet Neurable $6 millioner i en Series A‑finansieringsrunde for å gå utover VR‑applikasjoner og utvikle ikke‑invasiv BCI, to år etter at de lanserte verdens første tankestyrte VR‑spill.

Nå, med den nye finansieringsrunden, har selskapet som mål å gjøre teknologien «tilgjengelig for alle», sa administrerende direktør Dr. Ramses Alcaide, og la til:

«Vi gir individer muligheten til å forstå sin egen hjerne, optimalisere menneskelig ytelse og takle de mest presserende helseutfordringene i vår generasjon.»

#2. Precision Neuroscience

Dette selskapet satte nylig en verdensrekord for antall elektroder, totalt 4 096, plassert på den menneskelige hjernen for å registrere kortikal data. Utviklingen kom som en del av Precision Neurosciences testing av deres Layer 7 Cortical Interface. Denne prestasjonen forventes å hjelpe selskapet med å «forstå hjernen på en mye dypere måte».

Precision Neuroscience ble grunnlagt av Benjamin Rapoport, en nevrokirurg som var med på å grunnlegge Neuralink, men forlot selskapet på grunn av sikkerhetsbekymringer.

#3. Neuralink

Grunnlagt av Elon Musk, er Neuralink et amerikansk privat selskap som utvikler høy‑båndbredde BCI‑er for å behandle nevrologiske tilstander og etter hvert forbedre menneskelige kognitive evner. Selskapets fokus er på å lage implanterbare enheter som kan lese og stimulere store mengder nevroner.

Nylig brukte den andre personen med en Neuralink hjernechip, som i motsetning til den første forblir fullt festet til hjernen, implantatet til å spille det populære videospillet Counter‑Strike 2. Chipen ble implantert forrige måned, og pasienten rapporterte en «glatt» gjenoppretting. Pasienten hadde mistet kontrollen over lemmer etter en ryggmargsskade.

Denne utviklingen skjedde etter at den første pasienten hadde 85 % av elektrodene festet til hjernen forskjøvet, selv om han fortsatt kunne bruke implantatet effektivt. Selskapet reduserte noen avbøtende tiltak for å unngå problemet, og ingen trådretraksjon har blitt observert så langt.

Under sin siste opptreden i Lex Fridmans podkast, forutså Musk at et menneske med en chip‑forbedret hjerne som slår en profesjonell videospillspiller, ikke er så langt unna nå. Når han snakker om fremtiden, sa Musk også at Neuralinks langsiktige mål er å forbedre symbiosen mellom AI og mennesker ved å styrke en individs evne til å kommunisere i stor skala.

Konklusjon 

BCI‑teknologi har fått mye oppmerksomhet og momentum de siste årene, og denne utviklingen viser ingen tegn til å bremse. Faktisk blir nye rekorder og gjennombrudd stadig oppnådd som har som mål ikke bare å gi personer med funksjonsnedsettelser mer berikende liv, men også vise potensialet til å forbedre evner hos friske mennesker.

Selv om veien til å implementere denne teknologien for nå er lang, viser den kontinuerlige fremgangen at det som en gang var science fiction, snart kan bli en realitet.

Klikk her for en liste over de beste bioteknologiske aksjene å følge.