Artificial touch para sa mga gumagamit ng BCI: resulta at limitasyon ng pag-aaral

Ang mabilis na pag-unlad ng teknolohiya ay patuloy na nagpapakipot ng hangganan sa pagitan ng tao at makina. Sa unahan ng pag-usbong na ito ay ang brain-computer interface (BCI), na lumilikha ng direktang ugnayan sa pagitan ng elektrikal na aktibidad ng utak at isang panlabas na output.

Sa pamamagitan ng pagpapadali ng komunikasyon sa pagitan ng utak at computer, tumutulong ang BCI na maibalik ang kakayahan ng mga taong may pisikal na kapansanan. Ito ay nagko-convert ng aktibidad sa ating mga utak tungo sa mga signal na maaaring palitan o pagbutihin ang mga function ng katawan, tulad ng paggalaw ng kalamnan, na karaniwang kinokontrol ng utak. Sa ganitong paraan, ipinapakita ng BCI ang napakalaking potensyal sa pagpapabuti ng kalidad ng buhay ng mga tao. 

Sa halos kalahating siglo nang ginagawa, nakakita ang BCI ng napakalaking pag-unlad sa mga taon kung saan ipinapakita ng mga mananaliksik ngayon ang kakayahan ng teknolohiya na epektibong maibalik ang mga kakayahan ng mga taong may kapansanan, tulad ng paralisis, motor na kapansanan, kahirapan sa pagsasalita, at mga may sintomas ng schizophrenia.

Ipinakita rin ng mga pag-aaral na ang paggamit ng BCI ay tumutulong sa mga may kapansanan na maranasan muli ang nawalang pakiramdam ng haplos. Ang mga ganitong pandama sa haplos, gayunpaman, ay hindi perpekto at magkatulad sa pagitan ng mga bagay na may iba’t ibang tekstura o temperatura. Ngayon, hinahangad ng mga siyentipiko na lumikha ng isang intuitive na pakiramdam ng haplos.

Ang haplos ay isang mahalagang bahagi ng ating buhay, tumutulong hindi lamang sa pakikipag-ugnayan sa iba kundi pati na rin sa pagkuha ng mga bagay at paglakad. Ayon kay Charles Greenspon, isang neuroscientist sa University of Chicago:

“Karamihan sa mga tao ay hindi napapansin kung gaano kadalas sila umaasa sa haplos kaysa sa paningin. Kung hindi ka makadama, kailangan mong patuloy na tingnan ang iyong kamay habang gumagawa ng anumang bagay, at may panganib ka pa ring matapon, durugin o malaglag ang mga bagay.”

Upang maibalik ang pakiramdam sa mga prosthetic na paa, gumagamit ang mga mananaliksik ng maliliit na electrode array na inilalagay sa mga bahagi ng utak na responsable para sa partikular na function na iyon. 

Pinapayagan nito ang mga kalahok na igalaw ang kanilang mga paa gamit ang isang robotic arm sa pamamagitan lamang ng pag-iisip tungkol sa galaw habang ang mga sensor nito ay nagpapadala ng mga pulso ng elektrikal na aktibidad sa mga rehiyon ng utak na nakatuon sa haplos. Bagaman nagawang pukawin ng mga siyentipiko ang pakiramdam ng haplos, ito ay medyo mahina at mahirap tukuyin kung saan eksaktong naganap ang kontak.

Ngunit ngayon, may bagong pananaliksik kung saan ang mga gumagamit ng brain-computer interface ay nagdidisenyo ng natatanging karanasan sa haplos para sa iba’t ibang bagay na ipinapakita sa screen at pagkatapos, gamit lamang ang pakiramdam, hinuhulaan ang bagay nang may ilang antas ng katumpakan.

Ang Hamon sa Pagsasama ng Sensory Feedback sa mga Prosthetic

Nakamit ng mga siyentipiko mula sa University of Pittsburgh School of Medicine ang isang breakthrough na nagdadala sa kanila nang mas malapit sa pagbuo ng BCI na nagpapahintulot sa mga taong may tetraplegia¹, na kilala rin bilang quadriplegia, na maibalik ang kanilang nawalang pakiramdam ng haplos.

Ang tetraplegia ay kapag nawawalan ng galaw ang isang tao sa parehong mga braso at binti, at madalas pati ang katawan, karaniwang dahil sa pinsala sa cervical spinal cord, stroke, o iba pang pinsalang neurological. 

Ang pinsala ay nagkakagulo sa mga signal na nagpapahintulot sa utak na tumanggap at magproseso ng sensory na impormasyon tulad ng haplos, na nagreresulta sa pagkawala ng pakiramdam ng pasyente sa apektadong mga paa.

Habang nagbibigay ang mga prosthetic ng artipisyal na paa upang palitan ang nawalang function, magagawa lamang ito kung magbibigay din ito ng pakiramdam ng haplos, katulad ng tunay na paa. Ang tradisyunal na mga artipisyal na paa ay nakatuon lamang sa pagpapanumbalik ng galaw, ngunit dahil sa mga pag-unlad sa teknolohiya, posible na magkaroon ng pakiramdam ng haplos gamit ang mga sensor at elektrikal na stimulasyon.

Upang ganap na maibalik ang nawalang function ng mga paa, kailangang maayos na maisama ang aparato sa umiiral na sensorimotor system ng tao, na nag-uugnay ng persepsyon at kilos.

Upang makamit ito, napakahalaga ng tactile feedback. Ang anyo ng sensory interaction na ito sa mga aparato ay tungkol sa mga pisikal na karanasan ng haplos.

Isang magagarang paraan upang magbigay ng ganitong feedback ay sa pamamagitan ng intracortical microstimulation (ICMS) ng somatosensory cortex, na maaaring magdulot ng lokal na pakiramdam sa paralisis na paa ng isang tao. Sa pamamagitan ng paghahatid ng tactile na impormasyon direkta sa utak, ang ICMS ay nagiging kaakit-akit na opsyon para sa mga taong may mataas na antas ng amputasyon o pinsala sa spinal cord.

Gayunpaman, hindi ito madaling makamit dahil sa limitadong pag-unawa natin sa neural na pagproseso ng haplos. Ang mga limitasyon sa hardware ay naglilimita rin sa kakayahang natural na gayahin ang mga neural na tugon. Bukod pa rito, kumplikado ang espasyo ng mga parameter ng stimulasyon, at ang mga ulat tungkol sa kung gaano katotoo ang artipisyal na karanasan sa pakiramdam ay madaling ma-bias at mahirap intindihin.

Bagaman ang posisyon at lakas ng haplos na binuo sa pamamagitan ng microstimulation ng somatosensory cortex ay maaaring maiparating nang maaasahan, may mga isyu sa pagbuo ng mas masalimuot na natural na mga pakiramdam, na kinabibilangan ng kakulangan ng mga teknik upang epektibong masuri ang malawak na stimulus space at mga problema sa pagsusuri ng kalidad ng persepsyon. 

Karamihan sa mga pag-aaral na nagsuri sa psychophysics ng ICMS ay nagmanipula ng isang parameter ng stimulasyon sa bawat pagkakataon. Karamihan sa mga pag-aaral ay isinagawa sa mga non-human primates na hindi kayang ilahad ang kanilang nararanasang pakiramdam. 

Kailangan lamang ng mas epektibong mga pamamaraan upang suriin ang kalidad ng mga pakiramdam na binuo sa pamamagitan ng ICMS.

Kaya, sa pinakabagong pag-aaral, isang kolaborasyon sa pagitan ng Pitt at University of Chicago, nagpakita ang mga siyentipiko ng isang interface na tumutugon sa mga hamon ng paglikha ng kumplikadong naturalistic na mga pakiramdam. 

Binanggit ng pag-aaral na, dahil inaasahang gagamitin ng mga tao ang closed-loop na BCI sa pang-araw-araw na buhay, mahalagang siyasatin ang functional na paggamit at karanasan ng mga pakiramdam na binuo ng ICMS. 

Gayunpaman, limitado ang bilang ng mga kalahok na magagamit sa ganitong pananaliksik. Tanging mga pitong tao lamang na may bidirectional intracortical implants sa kanilang somatosensory at motor cortex ang magagamit, at tatlo sa kanila ang kasama sa pag-aaral.

Pagbibigay Kapangyarihan sa mga Gumagamit ng BCI na Tukuyin ang Kanilang Sensoryong Karanasan

Ang interface na nilikha ng mga siyentipiko ay ginamit ng tatlong lalaking indibidwal na may tetraplegia upang idisenyo ang kanilang mga pakiramdam para sa iba’t ibang virtual na bagay.

Ang mga artipisyal na pandama sa haplos ay dinisenyo upang katawanin ang pakikipag-ugnayan sa isang pusa, isang mansanas, isang susi, isang tuwalya, at isang hiwa ng tinapay. Pinili ang mga bagay na ito dahil sa kanilang saklaw ng mga dimensyon ng haplos, kabilang ang pamilyaridad, kaaya-ayang pakiramdam, temperatura, micro at macro na tekstura, kahalumigmigan, alitan, at pagiging compliant.

Gumamit ang mga kalahok ng natitirang kakayahan sa kanilang kaliwang kamay upang makipag-ugnayan sa tablet interface na lumikha ng mga “haplos” na pakiramdam sa ibabaw ng kanilang palad.

Habang ini-explore ang mga bagay sa pamamagitan ng kanilang artipisyal na haplos, inilarawan ng mga kalahok ang malamig na bilog ng isang mansanas, ang makinis at matigas na ibabaw ng susi ng pinto, at ang mainit na balahibo ng pusa. Ito ay ganap na naiiba sa mga naunang eksperimento, kung saan madalas na ang artipisyal na haplos ay pakiramdam ng pamumula o pag-ugong, na hindi man lang nagbabago mula sa isang bagay patungo sa iba.

Ang nagbukas ng pagkakaiba ng eksperimentong ito sa mga naunang pag-aaral ay ang kontrol ng mga kalahok sa kanilang sariling stimulasyon at ang aktibong pag-explore ng isang bagay na ipinakita nang biswal. 

Sa passive na stimulasyon, kung saan walang biswal na pagtingin at pag-explore, karaniwang iniulat ng mga tao ang mga pakiramdam sa antas ng balat tulad ng pressure o vibration. Ito ay dahil nakatuon ang atensyon ng mga kalahok sa kanilang katawan. 

Sa kabaligtaran, ang mga kalahok sa aktibong pag-explore ay malamang na nakatuon sa panlabas na mundo. Dahil dito, binibigyang-kahulugan nila ang parehong persepsyon bilang mga pakiramdam na nakatuon sa bagay tulad ng pagkakabato. Maaaring ito ang dahilan kung bakit ang mga kalahok sa pinakabagong pag-aaral ay kusang nag-ulat ng mas maraming paglalarawan ng pakiramdam na nakatuon sa bagay.

Ang kakayahang ito ng mga kalahok na kontrolin ang presentasyon ng stimulasyon sa pamamagitan ng “paghipo” sa isang bagay na ipinapakita sa tablet ay nakatulong upang lumikha ng mas makatotohanang konteksto ng eksperimento. Dito, ang mga naranasang pakiramdam ay hindi resulta ng stimulasyon na pinamumunuan ng eksperimento nang walang makabuluhang konteksto, kundi mga target na galaw ng pag-explore.

Sa madaling salita, binigyan ng mga siyentipiko ang mga gumagamit ng BCI ng kontrol sa mga detalye ng elektrikal na stimulasyon na lumilikha ng pandama sa haplos sa halip na sila mismo ang magpasya, na nagpapahintulot sa kanila na muling likhain ang pakiramdam ng haplos na intuitive para sa kanila. Ayon kay pangunahing may-akda Ceci Verbaarschot, dating postdoc fellow sa Pitt Rehab Neural Engineering Labs at kasalukuyang assistant professor ng neurological surgery at biomedical engineering sa University of Texas-Southwestern:

“Ang haplos ay mahalagang bahagi ng non-verbal na komunikasyong sosyal; ito ay isang pakiramdam na personal at nagdadala ng maraming kahulugan.” 

She added:

“Ang pagdidisenyo ng kanilang sariling mga pakiramdam ay nagpapahintulot sa mga gumagamit ng BCI na gawing mas makatotohanan at makabuluhan ang pakikipag-ugnayan sa mga bagay, na nagdadala sa atin nang mas malapit sa paglikha ng isang neuroprosthetic na komportable at intuitive gamitin.”

Muling Pagbuo ng Sensoryong Realidad Mula sa Neural Input Lamang

Sa panahon ng pag-aaral, habang hinahanap ang perpektong haplos, hiniling ng mga siyentipiko sa mga kalahok ng BCI na una nilang hanapin ang kombinasyon ng mga parameter ng stimulasyon na pakiramdam na parang humahaplos ng toast, tuwalya, susi, mansanas, o pusa.

Sa buong panahon, ini-explore ng mga gumagamit ang digital na ipinakitang bagay. Inilarawan ng mga kalahok ng pag-aaral ang mga bagay sa masiglang mga termino, na subhetibo. Halimbawa, inilarawan ng isang kalahok ang pusa bilang makintab at makinis, habang ang isa pa ay inilarawan ito bilang tappy at mainit. Pagkatapos, inalis ang mga larawan, at gamit lamang ang kanilang stimulasyon, kinailangan nilang kilalanin ang mga bagay.

Upang gayahin ang karanasan ng “paghipo” para sa mga gumagamit ng BCI, pinasigla ng pag-aaral ang tatlong electrode nang sunud-sunod. Ang bawat isa sa mga electrode na ito, na pinapatakbo ng kontak sa iba’t ibang rehiyon ng bagay, ay nagdulot ng pakiramdam sa kalapit na bahagi ng kamay.

Nakaya ng mga kalahok na tumpak na tukuyin ang isa sa limang bagay nang walang anumang visual na pahiwatig sa 35% ng pagkakataon, na malayo sa tsansa ngunit nangangailangan ng malaking pagpapabuti. Gayunpaman, tumaas ang pagkalito sa pagitan ng dalawang pakiramdam para sa mga bagay na may higit na magkatulad na katangian ng haplos.

“Dinisenyo namin ang pag-aaral na ito upang maabot ang buwan at nailagay ito sa orbit. Ang mga kalahok ay nagkaroon ng napakahirap na gawain na paghiwalayin ang mga bagay batay lamang sa pandama ng haplos, at sila ay naging matagumpay dito.”

– Senior study author Robert Gaunt, Ph.D., na associate professor ng physical medicine and rehabilitation sa Pitt

Itinuro ni Gaunt na kahit ang mga pagkakamali ay “predictable,” dahil mas mahirap pag-iba-ibahin ang tuwalya at pusa, na parehong malambot, samantalang mas kaunti ang pagkalito sa pagitan ng pusa at susi.

Sa pangkalahatan, nakita ng pag-aaral na maganda na ang mga kalahok ay nakagawa ng natatanging pakiramdam ng mga bagay kahit sa hamong kapaligiran ng malawak na espasyo ng mga parameter.

Napagpasyahan na ang microstimulation sa somatosensory cortex ay maaaring magpasigla ng intuitive na persepsyon na may iba’t ibang katangiang pandama. Ang mas kumplikadong stimuli ay “nagbubukas ng mas malawak na espasyo ng persepsyon na maaaring magpayag sa mga tao na pag-iba-ibain ang mga artipisyal na nakikitang bagay nang may mas mataas na precision at intuition,” ayon dito.

Ito ay isang malaking hakbang patungo sa paglikha ng artipisyal na paa na walang putol na nagbubuklod sa natatanging sensoryong mundo ng isang indibidwal.

Patuloy na Pagtutok sa Pagpapahusay ng Artipisyal na Haplos sa mga BCI

Sa mundo ng BCI, kasalukuyang tumataas ang pagtutok sa paggawa ng haplos na mas intuitive. Sa taong ito lamang, ilang mga mananaliksik ang nagkaroon ng progreso sa mga robotic prosthetic arm at BCI upang maibalik ang kontrol sa galaw at pakiramdam ng haplos.

Tinugunan ng neuroscientist na si Greenspon at ng kanyang koponan ang kasalukuyang mga limitasyon sa paglikha ng natural na pakiramdam ng haplos sa mga artipisyal na paa sa pamamagitan ng pagtiyak na ang mga electrically stimulated na pakiramdam ng haplos ay eksaktong nakalocalize, matatag, at sapat ang lakas para sa pang-araw-araw na paggamit.

Para dito, naghatid sila ng maikling pulso sa mga indibidwal na electrode sa mga sentro ng haplos. Pagkatapos, iniulat ng mga kalahok ang lokasyon at lakas ng bawat pakiramdam na kanilang naramdaman, na tumutulong sa paglikha ng komprehensibong mapa ng mga rehiyon ng utak para sa tiyak na bahagi ng katawan. 

Ipinakita ng pagsusuri na ang pagsasabay ng stimulasyon sa dalawang magkalapit na electrode ay nagdulot sa mga kalahok ng mas malakas at malinaw na haplos. 

Ang karagdagang papel ay nagtrabaho sa paggawa ng artipisyal na haplos na mas intuitive at immersive sa pamamagitan ng paglalagay ng mga cluster ng electrode na may magkasalubong na lokasyon ng sensory. Ito ay lumikha ng mga pakiramdam na inilarawan ng mga kalahok bilang isang banayad na dumadaloy na haplos, kahit na ang stimulus na ibinigay ay nasa maliliit, hiwalay na hakbang.

Ang sunud-sunod na pag-activate ng mga electrode ay nagpaunlad din sa kakayahan ng mga kalahok na pag-iba-ibain ang masalimuot na hugis na pandama at tumugon sa mga pagbabago sa mga hinaplos na bagay, na tumutulong na dalhin ang bionic feedback papalapit sa kumplikado at eksaktong kakayahan ng natural na haplos.

“Ipinahayag namin ang mga pandama sa haplos na may kaugnayan sa oryentasyon, kurbada, galaw, at 3D na hugis para sa isang kalahok na gumagamit ng brain-controlled na bionic limb. Nasa ibang antas na kami ng artipisyal na haplos ngayon. Naniniwala kami na ang kasaganaan na ito ay mahalaga para maabot ang antas ng dexterity, manipulasyon, at isang mataas na dimensional na karanasan sa haplos na tipikal sa kamay ng tao.”

– Lead study author Giacomo Valle, Assistant Professor sa Chalmers University of Technology.

Samantala, ang mga siyentipiko sa Max Planck Institute for Intelligent Systems ay nag-imbento ng mga wearable device na maaaring maghatid ng expressive na pandama sa haplos tulad ng nakapapawi na haplos, pagpisil sa balat, at mga vibration sa malawak na frequency, na lagpas sa kakayahan ng kasalukuyang mga device. 

Upang mapalawak ang mga haptic na pakiramdam, nag-develop sila ng electrically driven cutaneous electrohydraulic (CUTE) wearables na maaaring i-customize upang maghatid ng iba’t ibang uri ng haplos sa pamamagitan ng pagbabago ng boltahe sa paglipas ng panahon.

“Ipinapakita ng aming mga CUTE device ang posibilidad ng paglikha ng magaan na wearable system na nagbibigay ng kaaya-ayang at expressive na komunikasyong haplos. Ang mga susunod na pag-unlad ay maaaring magdala ng teknolohiyang ito sa mas malalaking bahagi ng katawan, na lumikha ng mas kumplikadong mga pakiramdam, at kahit na pag-aralan ang persepsyon ng tao sa mga haptic cue na dati ay mahirap likhain.”

– First author Natalia Sanchez, isang Ph.D. student sa MPI-IS

Pamumuhunan sa Espasyo ng Brain Computer Interface

Maraming kumpanyang gumagawa ng brain-computer interface ang pribado. Isang pampublikong neurosurgical-navigation company ang ClearPoint Neuro (CLPT ), ngunit hindi nito ginawa ang BCI o artificial-touch system sa pag-aaral na ito. Ginagamit ang MRI-guided tools nito sa ilang procedure upang maghatid o maglagay ng medical device at therapy sa utak. Kaya hindi dapat ituring ang CLPT bilang direktang investment exposure sa partikular na pananaliksik.

ClearPoint Neuro Inc.

Ang ClearPoint Neuro, isang kumpanyang nagbibigay-daan sa gene therapy, ay dalubhasa sa tumpak na pag-navigate patungo sa utak at gulugod. Sa pamamagitan ng pagbibigay ng mga platform na nagpapadali ng tumpak na paglalagay ng mga device sa utak, ang teknolohiya nito ay may mahalagang papel sa pag-unlad at pagpapatupad ng mga BCI system at nagpapalawak ng kanilang mga aplikasyon.

Sa mahigit 50 na kasosyo sa BioPharma at higit sa 75 na neurosurgery center sa buong mundo, ang ClearPoint ay nasa magandang posisyon upang lumago sa lumalawak na industriyang ito.

Sa market cap na $387 milyon, ang mga shares ng kumpanya ay kasalukuyang nagte-trade sa $13.86, bumaba ng 9.75% ngayong taon. Ang EPS (TTM) nito ay -0.70 at ang P/E (TTM) ay -19.68, habang walang dividend na inaalok sa mga shareholders.

Pagdating sa pinansyal ng kumpanya, iniulat ng ClearPoint ang kita na $31.4 milyon para sa taong 2024. Sa pagtaas na 31% mula sa nakaraang taon, nagkaroon ang kumpanya ng ikasampung sunod-sunod na taon ng paglago. Sa panahong ito, nakamit din nito ang gross margin na 61% sa mga benta, na 4% na pagtaas mula sa nakaraang taon.

Ito ang “pinakamalakas na pinansyal at estratehikong pagganap,” sabi ng CEO na si Joe Burnett, dagdag pa, “Napakahalaga, nararamdaman naming pumasok na kami sa susunod na yugto ng ClearPoint bilang isang kumpanya, isang yugto na tinatawag naming ‘Fast. Forward.’”

Sa pagkakaroon ng maagang pagbabayad sa $10 milyong convertible note, walang natitirang utang ang kumpanya sa pagtatapos ng taon. Ang cash burn sa panahong ito ay $9 milyon, 35% mas mababa kaysa sa ginastos ng ClearPoint noong 2023. Noong Dis. 31, 2024, ang kumpanya ay may cash at cash equivalents na $20.1 milyon.

Kamakailan, nag-apply ang kumpanya sa FDA upang palawakin ang paggamit ng ClearPoint Prism Neuro Laser Therapy System para sa MRI. Ang hakbang na ito ay maaaring magbukas ng kasalukuyang hindi naa-access na US Interstitial Thermal Therapy (LITT) market para dito.

Pinakabagong Balita sa Clearpoint Neuro Inc.

Konklusyon

Sa kanilang kakayahang tukuyin ang ating intensyon na igalaw o kontrolin ang isang bagay sa kapaligiran nang direkta mula sa aktibidad ng utak, ang mga brain-computer interface (BCI) ay nagpapakita ng napakalaking potensyal sa pag-rebolusyon ng kung paano nakikipag-ugnayan ang mga tao, lalo na ang mga may kapansanan, sa teknolohiya pati na rin sa mundo sa paligid natin. Sa madaling salita, pinapayagan ng BCI ang mga gumagamit na kontrolin ang mga device gamit lamang ang kanilang mga iniisip.

Ipinakita ng pag-aaral ng Pitt at University of Chicago na nakapili ang mga kalahok ng mga parameter ng ICMS at nakapaglarawan ng object-related artificial touch habang may visual context at aktibong exploration. Limitado ang resulta sa maliit na grupo at laboratory setup na may implanted electrodes. Hindi ipinakita ng pag-aaral ang ganap na pagpapanumbalik ng natural na haplos o independiyenteng paggamit sa pang-araw-araw na buhay.

Kailangan pa ng pag-aaral na may mas maraming kalahok, pangmatagalang stability, pagsusuri sa bahay at aktuwal na gawain, pagkilala sa magkakaibang bagay, kaligtasan ng electrode, panganib ng impeksiyon at operasyon, at calibration para sa bawat gumagamit. Hindi sinusuportahan ng mga eksperimentong ito ang mga pahayag tungkol sa pagbabago ng kamalayan o pangkalahatang kakayahan ng tao.

I-click dito para sa listahan ng pinakamahusay na mga kumpanya ng brain-computer interface.

Mga Sangguniang Pag-aaral:

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