Brain-Computer Interfaces (BCI) – Genombrott som ger funktionshindrade möjlighet att återfå förmågor och blomstra

Teknologisk utveckling går i en så snabb takt att personer med funktionsnedsättningar nu kan tala, gå, spela spel och göra mycket mer enbart med sina tankar.

Denna utveckling har drivits av framsteg inom Brain-Computer Interface (BCI)-teknik. BCI:er gör det möjligt för individer att styra externa enheter, såsom datorer, enbart med sina tankar. Dessa gränssnitt fungerar genom att samla in hjärnsignaler, analysera dem och översätta dem till kommandon som kan vidarebefordras till utdataenheten.

BCI:er har ett brett spektrum av tillämpningar, inklusive att hjälpa personer med funktionsnedsättningar genom att återställa funktioner som gått förlorade på grund av tillstånd som stroke, neurodegeneration och ryggmärgsskada. Genom att återställa förmågor såsom syn, tal och motorik visar BCI:er potentialen att förbättra mänskliga förmågor.

Beroende på hur signalerna tas från hjärnan kan Brain-Computer Interface benämnas antingen:

1. Invasiv, där elektroder är direkt implanterade i cortex
2. Semi-invasiv, där elektroder placeras på hjärnans exponerade yta
3. Icke-invasiv, där elektroder placeras på hårbotten

Under det senaste decenniet har forskning och utveckling inom BCI-teknik vuxit avsevärt. De senaste framstegen har gjort det möjligt för individer med svår förlamning att kommunicera genom att översätta sina hjärnsignaler till text och återfå kontroll över protesar eller muskler. BCI:er är också under utforskning för att förbättra minnet, stärka lärandet och hantera psykiska hälsoproblem.

Med så mycket som händer inom BCI-området, låt ossta en titt på de senaste genombrotten gjorda av forskare som har potential att avsevärt förbättra mänskliga förmågor. 

Återställa talförmåga med hög noggrannhet

I en studie som publicerades den här månaden utvecklade forskare en ny BCI som översätter hjärnsignaler till tal med en noggrannhet på upp till 97%, vilket är ett av de mest exakta systemen av sitt slag.

Sensorterna implanterades i hjärnan på Casey Harrell, en 45-årig man som hade kraftigt nedsatt tal på grund av amyotrofisk lateralskleros (ALS). Även känd som Lou Gehrigs sjukdom, påverkar detta neurologiska tillstånd nervcellerna som styr rörelser i hela kroppen och leder till en gradvis förlust av förmågan att gå, stå och tala.

När Harrell gick med i BrainGate-kliniska studien var hans tal otydligt, och andra var tvungna att hjälpa till att tolka det för honom. Men inom några minuter efter att BCI-systemet aktiverades kunde han kommunicera sitt avsedda tal.

UC Davis Health skapade denna nya BCI-teknik för personer med neurologiska tillstånd som inte kan kommunicera via tal.

När en användare försöker tala tolkar det nya systemet hjärnsignaler innan de omvandlas till text som sedan ‘uttalas’ högt av datorn.

“Vår BCI-teknik hjälpte en man med förlamning att kommunicera med vänner, familj och vårdgivare.”

– David Brandman, medförfattare och medhuvudutredare av studien samt neurokirurg vid UC Davis

Han tillade också att deras experiment har demonstrerat “den mest exakta talneuroprotesen (enheten) som någonsin rapporterats.”

Brandman, som också är biträdande professor vid UC Davis Department of Neurological Surgery och meddirektör för UC Davis Neuroprosthetics Lab, implanterade BCI-enheten i juli förra året. Fyra mikroelektroderarrayer implanterades i den hjärnregion som ansvarar för talkoordination, den vänstra precentrala gyrus. Dessa arrayer använder 256 kortikala elektroder för att registrera hjärnaktivitet.

Med denna enhet upptäcks patienternas försök att röra muskler och tala upptäcks.

“Vi spelar in från den del av hjärnan som försöker skicka dessa kommandon till musklerna. Och vi är i princip lyssnar på det, och vi översätter dessa mönster av hjärnaktivitet till ett fonem – som en stavelse eller talets enhet – och sedan de ord de försöker säga.”

– Neuroforskare Sergey Stavisky, studiens medhuvudutredare och biträdande professor vid Department of Neurological Surgery samt meddirektör för UC Davis Neuroprosthetics Lab

BCI-tekniken har gjort stora framsteg under de senaste många åren, men ansträngningarna att möjliggöra kommunikation har varit långsamma och benägna till frekventa ordfel. Detta beror på att maskininlärningsprogram som tolkar hjärnsignaler kräver mycket tid och data för att fungera.

Det nya systemet syftar till att ta bort den barriären för kommunikation som gör det svårt för användaren att bli förstådd konsekvent.  

“Vårt mål var att utveckla ett system som gjorde det möjligt för någon att bli förstådd närhelst de ville tala.”

– Brandman

Patienten använde systemet både i spontana och uppmanade konversationsinställningar. Hastighetsavkodning, i båda fallen, skedde i realtid med kontinuerliga uppdateringar som höll det fungerande exakt. De avkodade orden visades sedan på en skärm och lästes upp av datorn. 

Rösten som läste upp den var faktiskt patientens innan han hade ALS. För detta använde forskarna programvara som tränades med befintliga ljudprover av patientens röst före ALS.

Den första träningssessionen för taldata tog systemet bara en halvtimme för att uppnå en imponerande ordnoggrannhet på 99,6 % med ett 50‑ordigt ordförråd. Den nästa sessionen tog ytterligare 1,4 timme med träningsdata för att nå en ordnoggrannhet på 90,2 % för ett ordförråd på 125 000 ord. Med fortsatt datainsamling behöll BCI en noggrannhet på 97,5 %.

Denna förmåga att avkoda vad personen med implantatet säger korrekt cirka 97 % av tiden, enligt Brandman, “är bättre än många kommersiellt tillgängliga smartphone‑applikationer som försöker tolka en persons röst.”

Studien genomförde 84 datainsamlingssessioner under 32 veckor. Patienten använde BCI för kommunikation via videosamtal och personligen i mer än 248 timmar. 

Förbättra kommunikation och rörlighet med unika BCI-system

En annan stor utveckling de senaste månaderna kom från Carnegie Mellon University, där forskare kunde uppnå tvåvägs BCI-funktionalitet. Denna prestation förbättrar gränssnittets förmåga att tolka hjärnsignaler och skicka sensorisk återkoppling direkt tillbaka till hjärnan. 

Bin He, professor i biomedicinsk teknik vid universitetet, och hans grupp lyckades integrera fokuserad ultraljudsstimulering för att för första gången realisera dubbelkommunikation.

I en studie med 25 mänskliga försökspersoner använde den tvåvägs BCI maskininlärning för att koda och avkoda hjärnvågor. Denna utveckling har potential att avsevärt förbättra signalens kvalitet och den övergripande prestandan för icke-invasiv BCI genom att stimulera riktade neurala kretsar.

Även om icke-invasiv BCI-teknik är säker och billig, innebär faktumet att den registrerar signaler över hårbotten istället för inifrån hjärnan samt signalernas kvalitet begränsningar.

Därför har Carnegie Mellon University-gruppen arbetat med att förbättra effektiviteten hos icke-invasiva BCI:er. Detta har lett till att använda djupinlärningsmetoder för att avkoda exakt vad någon tänker och sedan möjliggöra kontroll av en robotarm eller markör. Nu, i deras senaste forskning, använde gruppen fokuserat ultraljud för precis icke-invasiv neuromodulering, och resultaten visade en betydande förbättring av EEG-baserad BCI-kommunikationsprestanda.

De mänskliga försökspersonerna i studien använde en BCI-spellare, vilket är ett visuellt rörelsestöd som vanligtvis används av icke-talare för att kommunicera och stava ut fraser som “Carnegie Mellon”.

I studien satte sig försökspersonerna på en EEG-keps och genererade EEG-signaler enbart genom att titta på bokstäver för att stava ut de ord de ville.

Genom att applicera en fokuserad ultraljudsstråle på hjärnans V5-område, som är en del av den visuella cortexen, forskarna kunde förbättra prestandan för den icke-invasiva BCI bland försökspersonerna avsevärt. 

“BRAIN Initiative har stödjat mer än 60 ultraljudsprojekt sedan starten. Denna unika tillämpning av icke-invasiv inspelnings- och modulerings-teknik utökar verktygslådan, med en potentiellt skalbar inverkan på att hjälpa personer med kommunikationshandikapp.”

– Dr. Grace Hwang, programdirektör för BRAIN Initiative vid NIH

Ändå en annan stor utveckling sågs förra året när BCI gjorde det möjligt för en förlamad man, efter en ryggmärgsskada, att inte bara stå utan även gå naturligt. Detta hjärn-ryggmärgsgränssnitt vann Physics World 2023 Breakthrough of the Year.

Detta system inkluderade två helt implanterbara enheter, en som registrerade hjärnaktivitet relaterad till benrörelse och den andra som elektriskt stimulerade ryggmärgen för att kontrollera benmusklerna. Detta skapade en ‘digital bro’, vilket möjliggjorde att en individ med förlamning i armar och ben kunde gå.

ECoG-signalerna från hjärnan övervakades med ett 64-kanaligt elektrodnät inbäddat i ett titankåp som har samma tjocklek som skallen.

Tekniken utvecklades baserat på WIMAGINE, en unik implanterbar medicinsk enhet som kan registrera hjärnaktivitet på cortexens yta. En dedikerad AI-algoritm utvecklades också för realtidsavkodning av en patients rörelsesintention.

I enhetens kliniska prövning hade en 38‑årig man med en ofullständig cervikal ryggmärgsskada från en cykelolycka för ett decennium sedan två enheter kirurgiskt implanterade i sin hjärna och en paddellead på sin lumbala ryggmärg.

Med BSI kunde patienten klättra i trappor, navigera hinder och ta sig över föränderliga terränger. Dessutom var BSI stabil och pålitlig i över ett år av användning utan övervakning.

Men vad sägs om säkerheten för BCI-enheter?

Mitt i all denna framsteg har det funnits många oro kring hanteringen av neurala data och cybersäkerhetshot såsom hjärntappning och vilseledande stimuliattacker. En annan stor oro gäller säkerhetsprofilen för hjärn-datorgränssnittet.

För invasiva BCI:er finns risken för hjärninfektioner, vävnadsskador, anfall, blödning och blödningar. I kontrast kan icke-invasiva BCI:er orsaka huvudvärk, ögonbelastning och hudirritation från långvarig exponering för elektromagnetiska fält.

Medan dessa bekymmer är legitima, en studie av forskare vid Brown University analyserade nästan två decennier av säkerhetsdata från kliniska prövningar av BrainGate-teknologin och fann låga frekvenser av biverkningar.

BrainGate BCI har utvecklats i mer än tjugo år, och den senaste studien drar slutsatsen att dess neuroteknologi bör fortsätta att utvärderas för dess potential att hjälpa personer med förlamning att omvandla tankar om rörelse till verklig handling och återfå förlorad neurologisk funktion.

Enligt Dr. Leigh R. Hochberg, professor i hjärnforskning vid Brown och direktör för BrainGate akademiska konsortium som leder utvecklingen och testningen av tekniken:

“I den största pågående studien av intracortikala brain-computer interfaces, stödjer den interimistiska säkerhetsprofilen som rapporterats idag möjligheten att dessa system kan bli återställande neuroteknologier för personer med förlamning.”

Medan intracortikal BCI visar enorm potential för rörlighet och samhällsåterställning, sade Hochberg att för att dessa framsteg verkligen ska omvandlas till patientvård beror allt på “om enheterna åtföljs av en acceptabelt låg risknivå.”

Rapporten om säkerhet utvärderade lite över 12 200 dagar av säkerhetsdata från 14 kliniska prövningsdeltagare i åldersgruppen 18‑75 år med kvadripares som följd av ALS, ryggmärgsskada eller hjärnstamsstroke.

Mellan 2004 och 2021, när alla dessa patienter var inskrivna i studierna, fanns 68 biverkningar relaterade till enheten. Hudirritation var det vanligaste problemet, som inträffade i den lilla delen av enheten.

Sex biverkningar hittades som var associerade med den kirurgiska proceduren. Två deltagare med tidigare traumatisk hjärnskada drabbades av korta anfall efter operationen men behandlades enkelt. 

Trots att det fanns biverkningar, var ingen av de dokumenterade oväntade. Dessutom ledde ingen av dessa biverkningar till infektioner i nervsystemet som krävde borttagning av enheten eller resulterade i permanent ökad funktionsnedsättning.

Medan de uppmuntrande säkerhetsresultaten för BrainGate Neural Interface-systemet har varit ett stort steg framåt, återstår mycket arbete, inklusive att säkerställa att enheter blir helt implanterade och är tillgängliga för användare dygnet runt.

Företag som gör framsteg inom BCI-området

Synchron, Blackrock Neurotech, Kernel och Emotiv är bland de många organisationer som arbetar för att driva fram denna teknik och utforska dess tillämpningar inom medicin, kognition och underhållning.

Majoriteten av dessa företag är privatägda, och det är sällsynt att se publika företag göra framsteg inom detta område. De som är publika är på grund av att de är en del av större organisationer. Till exempel, NextMind, som utvecklade en icke-invasiv BCI-enhet, förvärvades av Snap Inc. Ett annat exempel är Ctrl-labs, en startup för neurala gränssnitt som förvärvades av Meta (tidigare Facebook).

Så, låt oss ta en titt på några framstående namn som ligger i framkant av BCI-teknik:

#1. Neurable 

Neurable är ett neuroteknikföretag som utvecklar AI-drivna verktyg för hjärnsignalöversättning och BCI-teknik. I maj 2024 samlade företaget in 13 miljoner dollar, vilket för deras totala kapitalanskaffning sedan starten till över 30 miljoner dollar. I slutet av 2019 samlade Neurable in 6 miljoner dollar i en Series A-finansieringsrunda för att gå bortom VR-applikationer och utveckla icke-invasiv BCI, två år efter att de lanserade världens första tankstyrda VR-spel.

Nu, med den nya finansieringsrundan, syftar företaget till att göra sin teknik “tillgänglig för alla,” sade VD Dr. Ramses Alcaide och tillade:

“Vi ger individer möjlighet att förstå sitt eget sinne, optimera mänsklig prestation och övervinna de mest akuta hälsoutmaningarna för vår generation.”

#2. Precision Neuroscience

Detta företag satte nyligen ett världsrekord för antalet elektroder, totalt 4 096, placerade på den mänskliga hjärnan för att registrera kortikal data. Utvecklingen kom som en del av Precision Neurosciences testning av deras Layer 7 Cortical Interface. Denna prestation förväntas hjälpa företaget att “förstå hjärnan på ett mycket djupare sätt.”

Precision Neuroscience grundades av Benjamin Rapoport, en neurokirurg som medgrundade Neuralink men lämnade på grund av säkerhetsbekymmer. 

#3. Neuralink

Grundat av Elon Musk, är Neuralink ett amerikanskt privat företag som utvecklar högbandbredds-BCI:er för att behandla neurologiska tillstånd och så småningom förbättra mänskliga kognitiva förmågor. Företagets fokus är på att skapa implanterbara enheter som kan läsa och stimulera stora mängder neuroner.

Senast använde den andra personen med en Neuralink-hjärnchip, som till skillnad från den första förblir helt fäst vid hjärnan, implantatet för att spela det populära videospels Counter-Strike 2. Chipet placerades förra månaden, och patienten rapporterade en “smidig” återhämtning. Patienten hade förlorat kontrollen över sina lemmar efter en ryggmärgsskada. 

Denna utveckling skedde efter att den första patienten hade 85 % av elektroderna som var fästa vid hans hjärna förflyttade, även om han fortfarande kunde använda implantatet effektivt. Företaget minskade vissa åtgärder för att undvika problemet, och ingen trådrückning har observerats hittills.

Under sitt senaste framträdande i Lex Fridmans podcast förutspådde Musk att en människa med ett chip-förstärkt hjärna som besegrar en professionell videospelare inte är så långt borta nu. När han talade om framtiden sade Musk också att Neuralinks långsiktiga mål är att förbättra symbiosen mellan AI och människor genom att förstärka en individs förmåga att kommunicera i stor skala.

Slutsats

BCI-teknik har fått mycket uppmärksamhet och drivkraft under de senaste åren, och denna utveckling visar inga tecken på att avta. Faktum är att nya rekord och genombrott ständigt uppnås, med målet att inte bara ge personer med funktionsnedsättningar ett mer berikande liv utan också visa potentialen att förbättra förmågor hos friska människor. 

Även om vägen till att implementera denna teknik för närvarande är lång, visar den kontinuerliga utvecklingen att det som en gång var science fiction snart kan bli verklighet.

Klicka här för en lista över de bästa biotech-aktierna att hålla ögonen på.