Mga Breakthrough sa Brain-Computer Interface (BCI) na Nagpapalakas sa mga May Kapansanan na Ibalik ang mga Kakayahan at Umunlad

Ang pag-unlad ng teknolohiya ay lumalago sa napakabilis na bilis na ang mga taong may kapansanan ay maaari nang magsalita, maglakad, maglaro ng mga laro, at marami pang iba gamit lamang ang kanilang isipan.

Ang pag-unlad na ito ay pinasigla ng pag-unlad sa teknolohiyang Brain-Computer Interface (BCI). Pinapayagan ng mga BCI ang mga indibidwal na kontrolin ang mga panlabas na aparato, tulad ng mga computer, gamit lamang ang kanilang mga iniisip. Ang mga interface na ito ay gumagana sa pamamagitan ng pagkuha ng mga signal ng utak, pagsusuri nito, at pagsasalin sa mga utos na maaaring ipadala sa output na aparato.

Ang mga BCI ay may malawak na hanay ng mga aplikasyon, kabilang ang pagtulong sa mga taong may kapansanan sa pamamagitan ng pagpapanumbalik ng mga function na nawala dahil sa mga kondisyon tulad ng stroke, neurodegeneration, at pinsala sa spinal cord. Sa pamamagitan ng pagpapanumbalik ng mga kakayahan tulad ng paningin, pagsasalita, at motor na function, ipinapakita ng mga BCI ang potensyal na mapahusay ang kakayahan ng tao.

Depende sa kung paano kinukuha ang mga signal mula sa utak, ang Brain-Computer Interface ay maaaring tawaging alinman:

1. Invasibo, kung saan ang mga electrode ay direktang ini-implant sa korteks
2. Semi-invasibo, kung saan ang mga electrode ay inilalagay sa nakalantad na ibabaw ng utak
3. Hindi invasibo, kung saan ang mga electrode ay inilalagay sa anit

Sa nakalipas na dekada, ang pananaliksik at pag-unlad sa teknolohiyang BCI ay lumago nang malaki. Ang mga kamakailang pag-unlad ay nagbigay-daan sa mga indibidwal na may matinding paralisis na makipag-ugnayan sa pamamagitan ng pagsasalin ng kanilang mga signal ng utak sa teksto at muling makontrol ang mga prosthetic na paa o ang kanilang mga kalamnan. Ang mga BCI ay sinusuri rin upang mapabuti ang memorya, mapalakas ang pagkatuto, at tugunan ang mga isyu sa kalusugang pangkaisipan.

Sa dami ng nangyayari sa larangan ng BCI, tingnan natin ang mga pinakabagong breakthrough na ginawa ng mga siyentipiko na may potensyal na lubos na mapahusay ang kakayahan ng tao.

Pagpapanumbalik ng Kakayahan sa Pagsalita na may Mataas na Katumpakan

Sa isang pag-aaral na inilathala ngayong buwan, nakabuo ang mga mananaliksik ng bagong BCI na nagsasalin ng mga signal ng utak sa pagsalita na may katumpakan na hanggang 97%, na isa sa mga pinaka-tumpak na sistema ng ganito.

Ang mga sensor ay ini-implant sa utak ni Casey Harrell, isang 45-taong-gulang na lalaki na may labis na naapektuhang pagsalita dahil sa amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Kilala rin bilang Lou Gehrig’s disease, ang neurological disorder na ito ay nakakaapekto sa mga selulang nerbiyos na kumokontrol sa galaw sa buong katawan at nagdudulot ng unti-unting pagkawala ng kakayahang maglakad, tumayo, at magsalita.

Nang sumali si Harrell sa klinikal na pagsubok ng BrainGate, hindi maintindihan ang kanyang pagsalita, at kinailangan ng iba na tulungan siyang intindihin ito. Gayunpaman, ilang minuto matapos i-activate ang BCI system, nagawa niyang iparating ang kanyang nais na pagsalita.

Ang UC Davis Health ay lumikha ng bagong teknolohiyang BCI para sa mga taong may neurological na kondisyon na hindi makakakomunika sa pamamagitan ng pagsalita.

Kapag sinusubukang magsalita ang isang gumagamit, binibigyang-kahulugan ng bagong sistema ang mga signal ng utak bago ito gawing teksto na pagkatapos ay ‘binibigkas’ ng computer.

“Ang aming teknolohiyang BCI ay tumulong sa isang lalaking may paralisis na makipag-ugnayan sa mga kaibigan, pamilya, at tagapag-alaga.”

– David Brandman, co-senior author at co-principal investigator ng pag-aaral at isang neurosurgeon sa UC Davis

Idinagdag din niya na ang kanilang eksperimento ay nagpakita ng “ang pinaka-tumpak na speech neuroprosthesis (device) na kailanman naiulat.”

Si Brandman, na isa ring assistant professor sa UC Davis Department of Neurological Surgery at co-director ng UC Davis Neuroprosthetics Lab, ay nag-implant ng BCI device noong Hulyo ng nakaraang taon. Apat na microelectrode array ang ini-implant sa rehiyon ng utak na responsable sa koordinasyon ng pagsalita, ang kaliwang precentral gyrus. Ang mga array na ito ay gumagamit ng 256 cortical electrode upang irekord ang aktibidad ng utak.

Sa gamit ng device na ito, natutukoy ang mga pagtatangka ng pasyente na igalaw ang mga kalamnan at magsalita.

“Nagrerekord kami mula sa bahagi ng utak na sinusubukang magpadala ng mga utos sa mga kalamnan. At kami ay basically nakikinig dito, at isinasalin namin ang mga pattern ng aktibidad ng utak sa isang phoneme – tulad ng isang pantig o yunit ng pagsalita – at pagkatapos ay ang mga salitang sinusubukan nilang sabihin.”

– Neuroscientist Sergey Stavisky, co-principal investigator ng pag-aaral at isang assistant professor sa Department of Neurological Surgery at co-director ng UC Davis Neuroprosthetics Lab

Ang teknolohiyang BCI ay malaki ang pag-unlad sa nakaraang maraming taon, ngunit ang mga pagsisikap na magbigay-daan sa komunikasyon ay mabagal at madalas magkamali sa mga salita. Ito ay dahil ang mga programang machine-learning na nag-iinterpret ng mga signal ng utak ay nangangailangan ng maraming oras at datos upang magampanan.

Layunin ng bagong sistema na alisin ang balakid sa komunikasyon na nagpapahirap sa gumagamit na maunawaan nang palagian.

“Ang aming layunin ay makabuo ng isang sistema na nagbibigay kapangyarihan sa isang tao na maunawaan anumang oras na nais niyang magsalita.”

– Brandman

Ginamit ng pasyente ang sistema sa parehong kusang-loob at pinaprompt na mga pag-uusap. Ang mabilis na pag-decode, sa parehong kaso, ay nangyari nang real-time na may patuloy na pag-update na nagpapanatiling tumpak ito. Ang mga na-decode na salita ay pagkatapos ipinakita sa screen at binigkas ng computer.

Ang boses na nagbabasa nito ay talagang boses ng pasyente bago siya nagkaroon ng ALS. Para dito, gumamit ang mga mananaliksik ng software na sinanay gamit ang mga umiiral na audio sample ng boses ng pasyente bago ang ALS.

Ang unang sesyon ng pagsasanay sa datos ng pagsalita ay tumagal lamang ng kalahating oras upang makamit ang kahanga-hangang 99.6% na katumpakan sa salita gamit ang bokabularyong 50 salita. Ang susunod na sesyon ay kumuha ng karagdagang 1.4 oras ng datos ng pagsasanay upang makamit ang 90.2% na katumpakan sa salita para sa bokabularyong 125,000 salita. Sa patuloy na pangongolekta ng datos, napanatili ng BCI ang 97.5% na katumpakan.

Ayon kay Brandman, ang kakayahang ito na i-decode kung ano ang sinasabi ng taong may implant nang tama sa halos 97% ng oras, “ay mas mahusay kaysa sa maraming komersyal na available na aplikasyon sa smartphone na sinusubukang intindihin ang boses ng isang tao.”

Isinagawa ng pag-aaral ang 84 na sesyon ng pangongolekta ng datos sa loob ng 32 linggo. Ginamit ng pasyente ang BCI para sa komunikasyon sa pamamagitan ng video chat at personal sa higit sa 248 oras.

Pagpapahusay ng Komunikasyon at Mobilidad gamit ang Natatanging mga Sistema ng BCI

Isa pang malaking pag-unlad sa nakaraang ilang buwan ay nagmula sa Carnegie Mellon University, kung saan nagawang makamit ng mga mananaliksik ang bidirectional BCI functionality. Ang tagumpay na ito ay nagpapahusay sa kakayahan ng interface na mag-interpret ng mga signal ng utak at magpadala ng sensory feedback pabalik sa utak.

Si Bin He, isang propesor ng biomedical engineering sa Unibersidad, at ang kanyang grupo ay nagtagumpay sa pagsasama ng focused ultrasound stimulation upang maisakatuparan ang dual communication sa unang pagkakataon.

Sa isang pag-aaral na may 25 na kalahok na tao, ginamit ng bidirectional BCI ang machine learning upang i-encode at i-decode ang mga brain wave. Ang pag-unlad na ito ay may potensyal na lubos na mapabuti ang kalidad ng signal at pangkalahatang pagganap ng non-invasive BCI sa pamamagitan ng pag-stimulate ng mga target na neural circuit.

Bagaman ang non-invasive na teknolohiyang BCI ay ligtas at mura, ang katotohanang ito ay nagrerekord ng mga signal sa anit imbes na mula sa loob ng utak at ang kalidad ng mga signal nito ay may mga limitasyon.

Bilang resulta, ang grupo mula sa Carnegie Mellon University ay nagtrabaho sa pagpapabuti ng pagiging epektibo ng non-invasive na mga BCI. Ito ay nagdala sa paggamit ng deep learning na pamamaraan upang i-decode kung ano ang iniisip ng isang tao at pagkatapos ay mapadali ang kontrol ng isang robotic arm o cursor. Ngayon, sa kanilang pinakabagong pananaliksik, ginamit ng grupo ang focused ultrasound para sa precision non-invasive neuromodulation, at ipinakita ng mga natuklasan ang makabuluhang pagtaas sa performance ng komunikasyon ng EEG-based BCI.

Ang mga kalahok na tao sa pag-aaral ay gumamit ng BCI speller, isang visual motion aide na karaniwang ginagamit ng mga hindi nagsasalita upang makipag-ugnayan at magbaybay ng mga parirala tulad ng “Carnegie Mellon.”

Sa pag-aaral, sinuot ng mga kalahok ang isang EEG cap at nag-generate ng EEG signal sa pamamagitan lamang ng pagtingin sa mga letra upang mabaybay ang mga salitang nais nilang ipahayag.

Sa pamamagitan ng pag-aaplay ng focused ultrasound beam sa V5 area ng utak, na bahagi ng visual cortex, nagawang mapabuti ng mga mananaliksik nang malaki ang performance ng non-invasive BCI sa mga kalahok.

“Ang BRAIN Initiative ay sumuporta sa mahigit 60 na ultrasound project mula nang ito ay magsimula. Ang natatanging aplikasyon ng non-invasive na pagre-record at modulation technologies ay nagpapalawak ng toolkit, na may potensyal na scalable na epekto sa pagtulong sa mga taong may kapansanan sa komunikasyon.”

– Dr. Grace Hwang, program director sa BRAIN Initiative sa NIH

Gayunpaman, isang malaking pag-unlad ang nakita noong nakaraang taon nang ang BCI ay nagbigay-daan sa isang paralisis na lalaki, matapos ang pinsala sa spinal cord, na hindi lamang tumayo kundi maglakad nang natural. Ang brain-spine interface na ito ay nanalo ng Physics World 2023 Breakthrough of the Year.

Ang sistemang ito ay kinabibilangan ng dalawang ganap na implantable na device, isa na nagrerekord ng aktibidad ng utak na may kaugnayan sa galaw ng binti at ang isa pang electrically stimulating ang spinal cord upang kontrolin ang mga kalamnan ng binti. Ito ay lumikha ng isang ‘digital bridge,’ na nagbibigay-daan sa isang indibidwal na may paralisis sa mga braso at binti na maglakad.

Ang mga ECoG signal mula sa utak ay minomonitor gamit ang 64-channel electrode grid na nakabaon sa isang titanium case na kasing kapal ng bungo.

Ang teknolohiya ay binuo batay sa WIMAGINE, isang natatanging implantable na medikal na device na kayang irekord ang aktibidad ng utak sa ibabaw ng korteks. Isang dedikadong AI algorithm din ang binuo para sa real-time na pag-decode ng intensyon ng galaw ng pasyente.

Sa klinikal na pagsubok ng device, isang 38-taong-gulang na lalaki na may hindi kumpletong cervical spinal cord injury mula sa aksidente sa bisikleta isang dekada ang nakalipas ay may dalawang device na surgically na ini-implant sa kanyang utak at isang paddle lead sa kanyang lumbar spinal cord.

Sa paggamit ng BSI, nagawang umakyat ng pasyente sa hagdan, mag-navigate sa mga hadlang, at maglakbay sa nagbabagong teritoryo. Higit pa rito, ang BSI ay naging matatag at maaasahan sa higit isang taon ng paggamit nang walang pangangasiwa.

Ngunit Paano ang Kaligtasan ng mga BCI Device?

Sa gitna ng lahat ng pag-unlad na ito, maraming alalahanin ang lumitaw hinggil sa paghawak ng neural data at mga banta sa cybersecurity tulad ng brain tapping at maling stimuli attacks. Isa pang malaking alalahanin ay ang tungkol sa safety profile ng brain-computer interface.

Para sa invasive na mga BCI, may panganib ng impeksyon sa utak, pinsala sa tisyu, seizure, pagdurugo, at hemorrhage. Sa kabilang banda, ang non-invasive na mga BCI ay maaaring magdulot ng pananakit ng ulo, pagkapagod ng mata, at iritasyon sa balat mula sa matagal na pagkalantad sa electromagnetic fields.

Habang lehitimo ang mga alalahaning ito, isang pag-aaral ng mga mananaliksik mula sa Brown University ang nagsuri ng halos dalawang dekada ng safety data sa mga klinikal na pagsubok na sinusuri ang teknolohiyang BrainGate at natuklasan ang mababang antas ng mga adverse event.

Ang BrainGate BCI ay ginagawa na ng higit sa dalawampung taon, at ang pinakabagong pag-aaral ay nagtatapos na ang neurotechnology nito ay dapat patuloy na suriin para sa potensyal nitong tulungan ang mga taong may paralisis na gawing aktwal na kilos ang kanilang mga iniisip tungkol sa galaw at maibalik ang nawalang neurologic function.

Ayon kay Dr. Leigh R. Hochberg, isang propesor ng brain science sa Brown at direktor ng BrainGate academic consortium na nangunguna sa pag-develop at testing ng teknolohiya:

“Sa pinakamalaking patuloy na pagsubok ng intracortical brain-computer interfaces, ang interim safety profile na iniulat ngayon ay sumusuporta sa posibilidad na ang mga sistemang ito ay maaaring maging restorative neurotechnologies para sa mga taong may paralisis.”

Habang ang intracortical BCI ay nagpapakita ng malaking potensyal sa mobilidad at pagpapanumbalik ng komunidad, sinabi ni Hochberg na para ang mga pag-unlad na ito ay tunay na maisalin sa pangangalaga ng pasyente, nakasalalay ito sa “kung ang mga device ay sinamahan ng katanggap-tanggap na mababang antas ng panganib.”

Ang ulat sa kaligtasan ay nagsuri ng higit sa 12,200 araw ng safety data na sumasaklaw sa 14 na kalahok sa klinikal na pagsubok na kabilang sa age group na 18-75 na may quadriparesis na nagmula sa ALS, spinal cord injury, o brainstem stroke.

Sa pagitan ng 2004 at 2021, nang ang lahat ng mga pasyenteng ito ay na-enroll sa mga pagsubok, natagpuan ang 68 na adverse event na may kaugnayan sa device. Ang iritasyon sa balat ang pinaka-karaniwang isyu, na nangyari sa maliit na bahagi ng device.

Anim na adverse event ang natagpuan na may kaugnayan sa surgical procedure. Dalawang kalahok na may kasaysayan ng traumatic brain injury ay nakaranas ng maikling seizure pagkatapos ng operasyon ngunit madaling natugunan.

Sa kabila ng mga adverse event, wala sa mga dokumentadong ito ang hindi inaasahan. Gayundin, wala sa mga adverse event na ito ang nagdulot ng impeksyon sa nervous system na nagkinailangan ng pagtanggal ng device o nagresulta sa permanenteng pagtaas ng kapansanan.

Habang ang nakakaaliw na mga natuklasan sa kaligtasan ng BrainGate Neural Interface system ay isang malaking hakbang pasulong, marami pang gawain ang natitira, kabilang ang pagtiyak na ang mga device ay ganap na ma-implant at magagamit ng mga gumagamit 24/7.

Mga Kumpanya na Nagpapakita ng Pag-unlad sa Larangan ng BCI

Ang Synchron, Blackrock Neurotech, Kernel, at Emotiv ay kabilang sa maraming organisasyon na nagtatrabaho upang isulong ang teknolohiyang ito at tuklasin ang mga aplikasyon nito sa medikal, kognitibo, at entertainment na sektor.

Ang karamihan sa mga kumpanyang ito ay pribadong pagmamay-ari, at bihira ang mga pampublikong kumpanya na umusad sa larangang ito. Ang mga pampublikong kumpanya ay dahil bahagi ng mas malalaking organisasyon. Halimbawa, ang NextMind, na nag-develop ng non-invasive BCI device, ay nakuha ng Snap Inc. (SNAP ) Isa pang halimbawa ay ang Ctrl-labs, isang neural interface startup na nakuha ng Meta (dating Facebook).

Kaya, tingnan natin ang ilang kilalang pangalan na nasa unahan ng teknolohiyang BCI:

#1. Neurable 

Ang Neurable ay isang neurotechnology company na nagde-develop ng AI-powered tools para sa pagsasalin ng brain signal at teknolohiyang BCI. Noong Mayo 2024, nakalikom ang kumpanya ng $13 milyon, na nagdala ng kabuuang pondo mula nang ito ay itinatag sa higit $30 milyon. Noong huling bahagi ng 2019, nakalikom ang Neurable ng $6 milyon sa isang Series A funding round upang lumampas sa mga aplikasyon ng VR at mag-develop ng non-invasive BCI, dalawang taon matapos nilang ilunsad ang unang mind-controlled VR game sa mundo.

Ngayon, sa bagong round ng pondo, layunin ng kumpanya na gawing “accessible to everyone” ang kanilang teknolohiya, sabi ng CEO Dr. Ramses Alcaide, dagdag pa niya:

“Pinapahintulutan namin ang mga indibidwal na maunawaan ang kanilang sariling isip, i-optimize ang pagganap ng tao, at harapin ang mga pinaka-agarang hamon sa kalusugan ng ating henerasyon.”

#2. Precision Neuroscience

Kamakailan, itinakda ng kumpanyang ito ang world record para sa bilang ng mga electrode, 4,096 kabuuan, na inilagay sa utak ng tao upang irekord ang cortical data. Ang pag-unlad ay bahagi ng pagsusuri ng Precision Neuroscience sa kanilang Layer 7 Cortical Interface. Ang tagumpay na ito ay inaasahang makakatulong sa kumpanya na “maunawaan ang utak sa mas malalim na paraan.”

Ang Precision Neuroscience ay itinatag ni Benjamin Rapoport, isang neurosurgeon na co-founder ng Neuralink ngunit umalis, dahil sa mga alalahanin sa kaligtasan.

#3. Neuralink

Itinatag ni Elon Musk, ang Neuralink ay isang US-based na pribadong kumpanya na nagde-develop ng high-bandwidth na mga BCI upang gamutin ang mga neurological condition at sa kalaunan ay mapahusay ang kakayahang kognitibo ng tao. Ang focus ng kumpanya ay sa paglikha ng mga implantable device na maaaring magbasa at mag-stimulate ng malaking bilang ng mga neuron.

Kamakailan, ang ikalawang tao na may Neuralink brain chip, na, hindi tulad ng una, ay nananatiling ganap na nakakabit sa utak, ay ginamit ang implant upang maglaro ng sikat na video game na Counter-Strike 2. Ang chip ay inilagay noong nakaraang buwan, at iniulat na ang pasyente ay nagkaroon ng “smooth” na paggaling. Ang pasyente ay nawalan ng kontrol sa mga galamay matapos ang pinsala sa spinal cord.

Ang pag-unlad na ito ay naganap matapos ang unang pasyente ay nagkaroon ng 85% ng mga electrode na nakakabit sa kanyang utak na na-displace, bagaman nagamit pa rin niya ang implant nang epektibo. Binuo ng kumpanya ang ilang mitigations upang maiwasan ang isyu, at wala pang naobserbahan na thread retraction hanggang ngayon.

Sa kanyang pinakabagong paglabas sa podcast ni Lex Fridman, hinulaan ni Musk na ang isang tao na may chip-enhanced na utak na tatalunin ang isang propesyonal na manlalaro ng video game ay hindi na kalayuan. Sa pag-uusap tungkol sa hinaharap, sinabi rin ni Musk na ang pangmatagalang layunin ng Neuralink ay pagbutihin ang symbiosis ng AI at tao sa pamamagitan ng pagpapalakas ng kakayahan ng isang indibidwal na makipag-ugnayan sa malaking sukat.

Konklusyon 

Ang teknolohiyang BCI ay nakakuha ng maraming atensyon at momentum sa nakaraang ilang taon, at ang pag-unlad na ito ay walang palatandaan ng paghina. Sa katunayan, patuloy na naitataguyod ang mga bagong rekord at breakthrough na naglalayong hindi lamang payagan ang mga taong may kapansanan na magkaroon ng mas masaganang buhay kundi ipakita rin ang potensyal na mapahusay ang mga kakayahan ng mga malulusog na tao.

Bagaman ang landas patungo sa pagpapatupad ng teknolohiyang ito ay mahaba pa sa ngayon, ang patuloy na pag-unlad ay nagpapakita na ang dating bahagi ng science fiction ay maaaring maging realidad sa lalong madaling panahon.

I-click dito para sa listahan ng pinakamahusay na biotech stocks na dapat bantayan.