Framtiden för Beröring: Förbättra Artificiella Sinnen för BCI-användare

Snabba teknologiska framsteg minskar alltmer gränsen mellan människor och maskiner. I framkant av denna utveckling finns ett hjärn-datorgränssnitt (BCI), som skapar en direkt kommunikationslänk mellan hjärnans elektriska aktivitet och en extern utgång.

Genom att underlätta kommunikationen mellan hjärnan och datorn hjälper BCI återställa förmågor hos fysiskt utmanade personer. Det omvandlar aktivitet i våra hjärnor till signaler som kan ersätta eller förbättra kroppsfunktioner, såsom muskelrörelser, vanligtvis styrda av hjärnan. På så sätt visar BCI en enorm potential för att förbättra människors livskvalitet.

Efter ungefär ett halvt sekel i utveckling har BCI gjort enorma framsteg, och forskare visar nu teknikens förmåga att effektivt återställa förmågor hos personer med funktionshinder, såsom förlamning, motoriska nedsättningar, talproblem och de med schizofrenisymptom.

Studier har också visat att BCI hjälper funktionshindrade att återuppleva den förlorade känslan av beröring. Sådana taktila sensationer är dock ofullkomliga och liknar varandra mellan föremål med olika texturer eller temperaturer. Nu försöker forskare skapa en intuitiv känsla av beröring.

Beröring är en integrerad del av våra liv, den hjälper oss inte bara att knyta kontakt med andra utan också att plocka upp föremål och gå. Enligt Charles Greenspon, en neuroforskare vid University of Chicago:

“De flesta inser inte hur ofta de förlitar sig på beröring istället för syn. Om du inte kan känna måste du ständigt titta på din hand när du gör något, och du riskerar fortfarande att spilla, krossa eller tappa föremål.”

För att återställa känsel i protesar använder forskare små elektrodarrayer placerade i de hjärnområden som ansvarar för den specifika funktionen. 

Detta gör det möjligt för deltagarna att röra sina lemmar med en robotarm genom att bara tänka på rörelsen medan sensorer på den utlöser elektriska pulser i de delar av hjärnan som är avsedda för beröring. Även om forskarna kunde framkalla känslor av beröring var de ganska svaga och svåra att lokalisera exakt var kontakten faktiskt inträffade.

Men nu har helt ny forskning låtit BCI-användare designa unika taktila upplevelser för olika objekt som visas på en skärm och sedan, enbart med känsel, gissa objektet med viss noggrannhet.

Utmaningen med att integrera sensorisk återkoppling i proteser

Forskare från University of Pittsburgh School of Medicine har gjort ett genombrott som tar dem ett steg närmare att utveckla ett BCI som låter personer med tetraplegi, även känt som kvadriplegi, återfå sin förlorade känsla av beröring.¹

Tetraplegi är när någon förlorar rörelse i både armar och ben, och ofta även i torso, vanligtvis på grund av en skada på den cervikala ryggmärgen, stroke eller annan neurologisk skada.

Skadan stör signalerna som gör att hjärnan kan ta emot och bearbeta sensorisk information som beröring, vilket resulterar i patientens förlust av känsel i de drabbade lemmarna.

Medan proteser ger en konstgjord lem för att ersätta den förlorade funktionen, kan detta bara uppnås om de också ger en känsla av beröring, precis som en riktig lem. Traditionella konstgjorda lemmar fokuserade främst på att återställa rörelse, men tekniska framsteg har gjort det möjligt att ha en känsla av beröring med hjälp av sensorer och elektrisk stimulering.

För att helt återställa den förlorade funktionen i lemmarna måste enheten sömlöst integreras med personens befintliga sensorimotoriska system, som kopplar mänsklig perception och handling.

För att uppnå detta är taktil återkoppling av avgörande betydelse. Denna form av sensorisk interaktion med enheter handlar om fysiska beröringsupplevelser.

Ett lovande sätt att tillhandahålla denna typ av återkoppling är genom intracortikal mikrostimulering (ICMS) av den somatosensoriska cortex, vilket kan framkalla lokala sensationer på en persons förlamade lem. Genom att leverera taktil information direkt till hjärnan är ICMS ett attraktivt alternativ för personer med hög nivå av amputation eller ryggmärgsskada.

Att uppnå detta är dock inte enkelt utan snarare mycket svårt på grund av vår begränsade förståelse av den neurala bearbetningen av beröring. Hårdvarubegränsningar begränsar också förmågan att naturligt replikera neurala svar. Dessutom är stimulansparameterrymden komplex, och rapporter om hur verklig den artificiella upplevelsen med känsla var är benägna till bias och svåra att tolka.

Medan positionen och styrkan på den beröring som framkallas genom mikrostimulering av den somatosensoriska cortex kan förmedlas pålitligt, finns det problem med att utveckla mer intrikata naturliga sensationer, vilket innebär otillräckliga tekniker för att effektivt skanna ett brett stimuliutrymme och problem med att analysera den perceptuella kvaliteten.

De flesta studier som har utforskat ICMS:s psykofysik har manipulerat en stimulansparameter åt gången. De flesta studier har utförts på icke-mänskliga primater som inte kan verbalisera sina upplevda sensationer.

Det finns helt enkelt ett behov av mer effektiva metoder för att utforska kvaliteten på sensationer som framkallas genom ICMS.

Så, i den senaste studien, ett samarbete mellan Pitt och University of Chicago, har forskare presenterat ett gränssnitt som adresserar utmaningarna med att skapa komplexa naturalistiska sensationer.

Studien noterade att, med människor som förväntas använda slutna-loop BCI i vardagen, är det viktigt att undersöka den funktionella användningen och upplevelsen av ICMS-framkallade sensationer.

Dock är urvalet av deltagare i sådan forskning begränsat. Endast omkring sju personer med bidirektionella intracortikala implantat i deras somatosensoriska och motoriska cortex är tillgängliga, och studien inkluderade tre av dem.

Att ge BCI-användare möjlighet att definiera sin sensoriska upplevelse

Gränssnittet som skapats av forskarna har använts av tre manliga individer med tetraplegi för att designa sina sensationer för olika virtuella objekt.

Artificiella taktila sensationer designades för att representera interaktioner med en katt, ett äpple, en nyckel, en handduk och en skiva rostat bröd. Dessa objekt valdes för deras variation i taktila dimensioner, inklusive bekantskap, behaglighet, temperatur, mikro- och makrotextur, fuktighet, friktion och eftergivenhet.

Deltagarna använde den kvarvarande funktionen i sin vänstra hand för att interagera med tabletgränssnittet som genererade “berörings”-sensationer på deras handflata.

Medan de utforskade objekten genom sin artificiella beröring beskrev deltagarna den svala rundheten hos ett äpple, den släta, stela ytan på en dörrnyckel och den varma pälsen på en katt. Detta är helt annorlunda jämfört med tidigare experiment, där artificiell beröring ofta kändes som stickningar eller surr, som inte ens varierade mellan olika objekt.

Det som skiljde detta experiment från tidigare forskning var att deltagarna hade kontroll över sin egen stimulering och kunde aktivt utforska ett objekt som presenterades visuellt.

I passiv stimulering, där det inte finns någon syn och utforskning, rapporterar människor vanligtvis hudnivåsensationen som tryck eller vibration. Detta beror på att deltagarnas uppmärksamhet är fokuserad på deras kropp.

I kontrast fokuserar deltagare i aktiv utforskning sannolikt på den externa världen. Därför tolkar de samma percept som objektorienterade sensationer som grovhet. Detta kan förklara varför de senaste studiedeltagarna spontant rapporterade fler objektorienterade sensationsbeskrivningar.

Denna förmåga hos deltagarna att kontrollera stimuleringens presentation genom att “vidröra” ett objekt som visas på tabletet hjälpte till att skapa en mer realistisk experimentell kontext. Här var de upplevda sensationerna inte resultatet av experimentledd stimulering utan en meningsfull kontext, utan snarare riktade utforskande rörelser.

Forskare gav i princip BCI-användare kontroll över detaljerna i den elektriska stimuleringen som skapar taktila sensationer snarare än att själva fatta dessa beslut, vilket möjliggör att de kan återskapa en känsla av beröring som känns intuitiv för dem. Enligt huvudförfattaren Ceci Verbaarschot, en tidigare postdoktoral forskare vid Pitt Rehab Neural Engineering Labs och nuvarande lektor i neurologisk kirurgi och biomedicinsk teknik vid University of Texas-Southwestern:

“Beröring är en viktig del av icke-verbal social kommunikation; det är en känsla som är personlig och som bär med sig mycket betydelse.”

She added:

“Att designa sina egna sensationer gör det möjligt för BCI-användare att få interaktioner med objekt att kännas mer realistiska och meningsfulla, vilket för oss närmare att skapa ett neuroprostetiskt verktyg som känns behagligt och intuitivt att använda.”

Rekonstruera sensorisk verklighet enbart från neural input

Under studien, medan de sökte den perfekta beröringen, bad forskarna BCI-deltagarna först att hitta en kombination av stimulansparametrar som kändes som att röra vid rostat bröd, handduk, nyckel, äpple eller katt.

Samtidigt utforskade användarna det digitalt presenterade objektet. Studiedeltagarna beskrev objekten i levande termer, vilket var subjektivt. Till exempel beskrev en deltagare katten som silkeslen och slät, medan den andra beskrev den som studsande och varm. Sedan togs bilderna bort, och med enbart deras stimulans var de tvungna att känna igen objekten.

För att simulera “berörings”-upplevelsen för BCI-användare stimulerade studien tre elektroder sekventiellt. Varje av dessa elektroder, som drevs av kontakt med olika regioner av objektet, framkallade en sensation i ett intilliggande område på handen.

Deltagarna kunde korrekt identifiera ett av fem objekt utan några visuella ledtrådar 35 % av gångerna, vilket är betydligt över slumpen men kräver betydande förbättring. Dock ökade förvirringen mellan två sensationer för objekt som delade fler taktila egenskaper.

“Vi designade den här studien för att sikta mot månen och lyckades nå omloppsbana. Deltagarna hade en mycket svår uppgift att särskilja objekt enbart genom taktil sensation, och de var ganska framgångsrika med det.”

– Seniorstudieförfattare Robert Gaunt, Ph.D., som är docent i fysisk medicin och rehabilitering vid Pitt

Gaunt påpekade att även misstagen var “förutsägbara”, eftersom det är svårare att skilja på en handduk och en katt, båda mjuka, medan förvirring var mindre sannolik mellan en katt och en nyckel.

Sammanfattningsvis fann studien det lovande att deltagarna kunde skapa distinkta objektsensationer även i den utmanande miljön av ett stort parameterutrymme.

Den drog slutsatsen att mikrostimulering i den somatosensoriska cortex kan stimulera intuitiva perceptioner med olika påtagliga egenskaper. Mer komplexa stimuli “öppnar ett större perceptuellt utrymme som kan göra det möjligt för människor att särskilja artificiellt uppfattade objekt med ökad precision och intuition,” stod det.

Detta är ett stort steg mot att skapa en artificiell lem som sömlöst smälter in i en individs unika sensoriska värld.

Ett växande fokus på att förfina artificiell beröring i BCI

I BCI-världen finns det för närvarande ett växande fokus på att göra beröring mer intuitiv. Redan i år har flera forskare gjort framsteg med robotiska protesarmar och BCI för att återställa motorisk kontroll och en känsla av beröring.

Neuroforskaren Greenspon och hans team adresserade de nuvarande begränsningarna för att skapa naturliga beröringssensationen i konstgjorda lemmar genom att fokusera på att säkerställa att elektriskt stimulerade beröringssensationen är exakt lokaliserade, stabila och tillräckligt starka för daglig användning.

För detta levererade de korta pulser till individuella elektroder i beröringscentra. Därefter rapporterade deltagarna platsen och styrkan på varje sensation de kände, vilket hjälpte till att skapa en omfattande karta över hjärnområden för specifika kroppsdelar.

Testerna visade att stimulering av två nära placerade elektroder tillsammans fick deltagarna att känna en starkare, tydligare beröring.

Den kompletterande artikeln arbetade med att göra artificiell beröring mer intuitiv och uppslukande genom att placera kluster av elektroder med överlappande sensoriska platser. Detta genererade känslor som deltagarna beskrev som en mjuk glidande beröring, även om stimulansen levererades i små, diskreta steg.

Aktivering av elektroderna sekventiellt förbättrade också deltagarnas förmåga att särskilja invecklade taktila former och reagera på förändringar i de berörda objekten, vilket hjälper till att föra bionisk återkoppling närmare de komplexa och precisa förmågorna hos naturlig beröring.

“Vi förmedlade taktila sensationer relaterade till orientering, krökning, rörelse och 3D-former för en deltagare som använde en hjärnkontrollerad bionisk lem. Vi är på en annan nivå av artificiell beröring nu. Vi tror att denna rikedom är avgörande för att uppnå den nivå av fingerfärdighet, manipulation och en högdimensionell taktil upplevelse som är typisk för den mänskliga handen.”

– Huvudstudieförfattare Giacomo Valle, lektor vid Chalmers tekniska högskola.

Samtidigt har forskare vid Max Planck Institute for Intelligent Systems uppfunnit bärbara enheter som kan leverera uttrycksfulla taktila sensationer såsom en lugnande beröring, tryck på huden och vibrationer i breda frekvenser, vilket går bortom nuvarande enheters kapacitet.

För att utöka haptiska sensationer utvecklade de elektriskt drivna kutana elektrohydrauliska (CUTE) bärbara enheter som kan anpassas för att leverera flera typer av beröringar genom att förändra spänningen över tid.

“Våra CUTE-enheter visar möjligheten att skapa lätta bärbara system som ger behaglig och uttrycksfull taktil kommunikation. Framtida utvecklingar kan se denna teknik tillämpas på större områden av kroppen, producera mer komplexa sensationer och till och med studera mänsklig perception av haptiska signaler som tidigare var svåra att skapa.”

– Förstförfattare Natalia Sanchez, doktorand vid MPI-IS

Investering i Brain Computer Interface Space

De flesta företag som arbetar med hjärn-datorgränssnitt är fortfarande privata, vilket gör det svårt för vanliga investerare att få exponering. ClearPoint Neuro (CLPT ) är ett av de få offentliga undantagen. De bygger inte själva BCI, men deras MR-ledda kirurgiska verktyg används redan på sjukhus för att implantera neurala enheter. Det gör dem till en bakom kulisserna aktör som hjälper driva fältet framåt – och en sällsynt möjlighet att investera i detta område via den offentliga marknaden.

ClearPoint Neuro Inc.

ClearPoint Neuro, ett företag som möjliggör genterapi, specialiserar sig på exakt navigering till hjärnan och ryggraden. Genom att tillhandahålla plattformar som underlättar exakt placering av enheter i hjärnan spelar deras teknik en viktig roll i utvecklingen och implementeringen av BCI-system och främjar deras tillämpningar.

Med över 50 partners inom BioPharma och mer än 75 neurokirurgiska centra globalt är ClearPoint väl positionerat för att växa i denna framväxande industri.

Med ett börsvärde på 387 miljoner dollar handlas företagets aktier för närvarande till 13,86 $, en nedgång på 9,75 % hittills i år. Dess EPS (TTM) är -0,70 och P/E (TTM) är -19,68, medan ingen utdelning erbjuds till aktieägarna.

När det gäller företagets finanser rapporterade ClearPoint en omsättning på 31,4 miljoner dollar för år 2024. Med en ökning på 31 % från föregående år hade företaget sitt tionde på varandra följande år av tillväxt. Under denna period uppnådde de också en bruttomarginal på 61 % på sin försäljning, en ökning med 4 % från föregående år.

Detta var den “starkaste finansiella och strategiska prestationen,” sade VD Joe Burnett och tillade, “Mycket viktigt är att vi känner att vi har gått in i nästa fas av ClearPoint som företag, en fas som vi kallar ‘Fast. Forward.’”

Efter att ha gjort en tidig återbetalning på en konvertibel skuld på 10 miljoner dollar hade företaget ingen utestående skuld vid årets slut. Kassaförbrukningen under denna period var 9 miljoner dollar, 35 % mindre än vad ClearPoint spenderade 2023. Per 31 december 2024 hade företaget kontanter och likvida medel på 20,1 miljoner dollar.

Senast har företaget ansökt hos FDA om att utöka användningen av sitt ClearPoint Prism Neuro Laser Therapy System för MR. Detta steg kan potentiellt öppna den för närvarande otillgängliga amerikanska marknaden för interstitiell termisk terapi (LITT) för dem.

Latest on Clearpoint Neuro Inc.

Conclusion

Med sin förmåga att avgöra vår avsikt att röra eller kontrollera något i vår omgivning direkt från hjärnaktivitet visar hjärn-datorgränssnitt (BCI) en enorm potential att revolutionera hur människor, särskilt de med funktionshinder, interagerar med teknik samt världen omkring oss. BCI gör i princip så att användare kan styra enheter med enbart sina tankar.

Studien från Pitt Med, som låter användare skapa sina egna taktila miljöer, markerar ett viktigt skifte från att enbart återställa funktion till att återställa upplevelse. Den visar att proteser kan vara mer än bara verktyg; de kan faktiskt vara förlängningar av självet.

Detta är fortfarande början, med betydande utrymme för förbättringar. Men när BCI-systemen utvecklas kommer gränsen mellan artificiell och biologisk känsla fortsätta suddas ut, och med det avancerade förmågor som kommer att omforma hur vi uppfattar, interagerar och till och med definierar medvetande.

Klicka här för en lista över de bästa hjärn-datorgränssnittsbolagen.

Studier Refererade:

1. Verbaarschot, C., Karapetyan, V., Greenspon, C. M., Cramer, A., van der Kouwe, A., Wendelken, S., … & Andersen, R. A. (2025). Conveying tactile object characteristics through customized intracortical microstimulation of the human somatosensory cortex. Nature Communications, 16, 4017. https://doi.org/10.1038/s41467-025-58616-6