Biyoteknoloji
Beyin-Bilgisayar Arayüzleri (BCI) Alanındaki Çığır Açan Gelişmeler Engellileri Yeteneklerini Geri Kazanmaya ve Başarılı Olmaya Güçlendiriyor
Teknolojik ilerleme o kadar hızlı bir şekilde artıyor ki, engelli bireyler artık sadece zihinleriyle konuşabiliyor, yürüyebiliyor, oyun oynayabiliyor ve çok daha fazlasını yapabiliyor.
Bu gelişme, Beyin-Bilgisayar Arayüzü (BCI) teknolojisindeki ilerlemeler tarafından yönlendirildi. BCI’ler, bireylerin yalnızca düşünceleriyle bilgisayar gibi dış cihazları kontrol etmelerini sağlar. Bu arayüzler, beyin sinyallerini alarak, analiz ederek ve bu sinyalleri çıkış cihazına iletilebilecek komutlara dönüştürerek çalışır.
BCI’lerin geniş bir uygulama yelpazesi vardır; bunlar arasında felç, nörodejenerasyon ve omurilik yaralanması gibi durumlar nedeniyle kaybedilen fonksiyonları geri kazandırarak engelli kişilere yardımcı olmak da bulunur. Görme, konuşma ve motor fonksiyon gibi yetenekleri geri kazandırarak, BCI’ler insan yeteneklerini artırma potansiyelini gösterir.
Sinyallerin beyinden nasıl alındığına bağlı olarak, Beyin-Bilgisayar Arayüzü şu şekilde adlandırılabilir:
- İnvaziv, elektrotların kortekse doğrudan implante edildiği
- Yarı-invaziv, elektrotların beynin açık yüzeyine yerleştirildiği
- Non-invaziv, elektrotların saç derisine yerleştirildiği
Son on yılda, BCI teknolojisindeki araştırma ve geliştirme önemli ölçüde artmıştır. Son gelişmeler, şiddetli felçli bireylerin beyin sinyallerini metne çevirerek iletişim kurmalarını ve protez uzuv ya da kasları üzerinde kontrol yeniden kazanmalarını sağlamıştır. BCI’ler ayrıca hafızayı geliştirmek, öğrenmeyi artırmak ve zihinsel sağlık sorunlarını ele almak için de araştırılmaktadır.
BCI alanında bu kadar çok şey olurken, bilim insanları tarafından yapılan ve insan yeteneklerini önemli ölçüde artırma potansiyeline sahip en son çığır açan gelişmelere bir göz atalım.
Yüksek Doğrulukla Konuşma Yeteneğini Geri Kazandırma
Bu ay yayımlanan bir çalışmada, araştırmacılar beyin sinyallerini %97’ye varan bir doğrulukla konuşmaya çeviren yeni bir BCI geliştirdiler; bu, türünün en doğru sistemlerinden biridir. with an accuracy as high as 97%, which is one of the most accurate systems of its kind.
Sensörler, ALS (amiyotrofik lateral skleroz) nedeniyle konuşması şiddetle bozulmuş 45 yaşındaki Casey Harrell’in beynine implante edildi. Lou Gehrig hastalığı olarak da bilinen bu nörolojik bozukluk, vücuttaki hareketi kontrol eden sinir hücrelerini etkiler ve yürüme, ayakta durma ve konuşma yeteneğinin yavaş yavaş kaybına yol açar.
Harrell, BrainGate klinik denemesine katıldığında, konuşması anlaşılmazdı ve başkalarının onu yorumlaması gerekiyordu. Ancak, BCI sistemini etkinleştirdikten birkaç dakika içinde, istediği konuşmayı iletebildi.
UC Davis Health, konuşma yoluyla iletişim kuramayan nörolojik hastalığı olan kişiler için bu yeni BCI teknolojisini geliştirdi.
Bir kullanıcı konuşmaya çalıştığında, yeni sistem beyin sinyallerini yorumlar ve bunları metne dönüştürür; ardından bu metin bilgisayar tarafından yüksek sesle ‘konuşulur’.
“BCI teknolojimiz, felçli bir erkeğin arkadaşları, ailesi ve bakım verenleriyle iletişim kurmasına yardımcı oldu.”
– David Brandman, çalışmanın ortak kıdemli yazarı ve ortak baş araştırmacısı ve UC Davis’te nöroşirürjiyen
Ayrıca, deneylerinin “bugüne kadar rapor edilen en doğru konuşma nöroprotez (cihaz)” olduğunu ekledi.
UC Davis Nörolojik Cerrahi Bölümü’nde yardımcı doçent ve UC Davis Nöroprotez Laboratuvarı’nın ortak direktörü olan Brandman, geçen yıl Temmuz ayında BCI cihazını implante etti. Dört mikroelektrot dizisi, konuşma koordinasyonundan sorumlu beyin bölgesi olan sol precentral girusa implante edildi. Bu diziler, beyin aktivitesini kaydetmek için 256 kortikal elektrot kullanıyor.
Bu cihazla, hastaların kasları hareket ettirme ve konuşma girişimleri tespit ediliyor.
“Kaslara bu komutları göndermeye çalışan beyin bölgesinden kayıt yapıyoruz. Ve temelde buna kulak veriyoruz, beyin aktivitesi kalıplarını bir foneme – yani bir hece ya da konuşma birimi – ve ardından söylemek istedikleri kelimelere çeviriyoruz.”
– Nörobilimci Sergey Stavisky, çalışmanın ortak baş araştırmacısı ve Nörolojik Cerrahi Bölümü’nde yardımcı doçent ve UC Davis Nöroprotez Laboratuvarı’nın ortak direktörü
BCI teknolojisi son yıllarda büyük ölçüde ilerlemiş olsa da, iletişimi mümkün kılma çabaları yavaş ve sık kelime hatalarına eğilimli olmuştur. Bunun nedeni, beyin sinyallerini yorumlayan makine öğrenimi programlarının performans gösterebilmesi için çok fazla zaman ve veri gerektirmesidir.
Yeni sistem, kullanıcının sürekli anlaşılmasını zorlaştıran iletişim engelini ortadan kaldırmayı hedefliyor.
“Amacımız, birinin konuşmak istediği her an anlaşılmasını sağlayan bir sistem geliştirmekti.”
– Brandman
Hasta, sistemi hem spontane hem de yönlendirilmiş konuşma ortamlarında kullandı. Hızlı kod çözme, her iki durumda da gerçek zamanlı olarak gerçekleşti ve sürekli güncellemelerle doğru çalışmasını sağladı. Çözülen kelimeler ekranda gösterildi ve bilgisayar tarafından yüksek sesle okundu.
Yüksek sesle okuyan ses, aslında hastanın ALS öncesi sesiydi. Bunun için araştırmacılar, hastanın ALS öncesi ses örnekleriyle eğitilmiş bir yazılım kullandılar.
İlk konuşma veri eğitimi oturumu, sistemin sadece yarım saat içinde 50 kelimelik bir kelime hazinesiyle %99,6 kelime doğruluğu elde etmesini sağladı. Sonraki oturum, 125.000 kelimelik bir kelime hazinesi için %90,2 kelime doğruluğu elde etmek üzere ek 1,4 saatlik eğitim verisi aldı. Sürekli veri toplama ile BCI %97,5 doğruluk oranını korudu.
Implantlı kişinin ne söylediğini %97 oranında doğru bir şekilde çözme yeteneği, Brandman’a göre, “kişinin sesini yorumlamaya çalışan birçok ticari akıllı telefon uygulamasından daha iyidir.”
Çalışma, 32 hafta boyunca 84 veri toplama oturumu gerçekleştirdi. Hasta, BCI’yi video sohbet ve yüz yüze iletişimde 248 saatten fazla kullandı.
Benzersiz BCI Sistemleriyle İletişim ve Mobiliteyi Geliştirme
Son birkaç ay içinde bir diğer büyük gelişme, Carnegie Mellon Üniversitesi’nden geldi; burada araştırmacılar çift yönlü BCI işlevselliğini başardılar. Bu başarı, arayüzün beyin sinyallerini yorumlama ve duyusal geri bildirimi doğrudan beyne gönderme yeteneğini artırıyor.
Üniversitenin biyomedikal mühendisliği profesörü Bin He ve ekibi, odaklanmış ultrason stimülasyonunu entegre ederek ilk kez çift yönlü iletişimi gerçekleştirmeyi başardı.
25 insan deneğiyle yapılan bir çalışmada, çift yönlü BCI beyin dalgalarını kodlamak ve çözmek için makine öğrenimini kullandı. Bu gelişme, hedeflenmiş sinir devrelerini uyararak non-invaziv BCI’nin sinyal kalitesini ve genel performansını önemli ölçüde artırma potansiyeline sahiptir.
Non-invaziv BCI teknolojisi güvenli ve ucuz olsa da, sinyalleri beyin içinden değil saç derisi üzerinden kaydetmesi ve sinyal kalitesinin sınırlamaları vardır.
Bu nedenle, Carnegie Mellon Üniversitesi grubu non-invaziv BCI’lerin etkinliğini artırmak için çalışıyor. Bu, birinin ne düşündüğünü çözmek için derin öğrenme yaklaşımlarının kullanılmasına ve ardından bir robot kol ya da imleç kontrolünün sağlanmasına yol açtı. Şimdi, en son araştırmalarında, grup odaklanmış ultrasonu hassas non-invaziv nöromodülasyon için kullandı ve bulgular EEG tabanlı BCI iletişim performansında önemli bir artış gösterdi.
Çalışmadaki insan denekler, BCI speller adlı, konuşamayanların iletişim kurmak ve “Carnegie Mellon” gibi ifadeleri hecelemek için yaygın olarak kullandığı görsel hareket yardımcı aracını kullandılar.
Çalışmada, denekler bir EEG şapkası taktı ve istedikleri kelimeleri hecelemek için sadece harflere bakarak EEG sinyalleri ürettiler.
Araştırmacılar, görsel korteksin bir parçası olan beyin V5 bölgesine odaklanmış bir ultrason ışını uygulayarak, non-invaziv BCI performansını denekler arasında büyük ölçüde artırabildi.
“BRAIN Initiative, kuruluşundan bu yana 60’tan fazla ultrason projesini destekledi. Non-invaziv kayıt ve modülasyon teknolojilerinin bu benzersiz uygulaması, iletişim engelli bireylere yardımcı olma konusunda potansiyel olarak ölçeklenebilir bir etkiyle araç setini genişletiyor.”
– Dr. Grace Hwang, NIH’teki BRAIN Initiative program direktörü
Geçen yıl, BCI’nin omurilik yaralanması sonrası felçli bir erkeğin sadece ayakta durmasını değil, doğal bir şekilde yürüyebilmesini sağladığı bir başka büyük gelişme görüldü. Bu beyin-omurilik arayüzü, Physics World 2023 Yılın Çığır Açan Buluşu ödülünü kazandı.
Bu sistem, bacak hareketiyle ilgili beyin aktivitesini kaydeden bir tam implant edilebilir cihaz ve bacak kaslarını kontrol etmek için omuriliği elektriksel olarak uyarı yapan bir diğer tam implant edilebilir cihazı içeriyordu. Bu, ‘dijital bir köprü’ oluşturarak, kolları ve bacakları felçli bir bireyin yürüyebilmesini sağladı.
Beyinden gelen ECoG sinyalleri, kafatası kalınlığıyla aynı kalınlıkta titanyum bir kutuya gömülü 64 kanallı elektrot ızgarası kullanılarak izlendi.
Teknoloji, korteks yüzeyindeki beyin aktivitesini kaydedebilen benzersiz bir implant edilebilir tıbbi cihaz olan WIMAGINE temel alınarak geliştirildi. Ayrıca, hastanın hareket niyetini gerçek zamanlı olarak çözmek için özel bir AI algoritması geliştirildi.
Cihazın klinik denemesinde, on yıl önce bir bisiklet kazası sonucu eksik servikal omurilik yaralanması olan 38 yaşındaki bir erkek, beynine iki cihaz ve lomber omuriliğine bir paddle lead cerrahi olarak implante ettirdi.
BSI’yi kullanarak, hasta merdiven çıkabildi, engelleri aşabildi ve değişen arazileri gezebildi. Ayrıca, BSI bir yıldan fazla sürede gözetimsiz olarak stabil ve güvenilir bir şekilde çalıştı.
Peki BCI Cihazlarının Güvenliği Ne Durumda?
Tüm bu ilerlemeler arasında, sinir verilerinin işlenmesi ve beyin dinleme ya da yanıltıcı uyarı saldırıları gibi siber güvenlik tehditleriyle ilgili birçok endişe ortaya çıktı. Başka bir büyük endişe ise beyin-bilgisayar arayüzünün güvenlik profiliyle ilgilidir.
İnvaziv BCI’lerde beyin enfeksiyonları, doku hasarı, nöbetler, kanama ve hemoraj riskleri ortaya çıkar. Buna karşılık, non-invaziv BCI’ler uzun süreli elektromanyetik alan maruziyetinden baş ağrısı, göz yorgunluğu ve cilt tahrişi yapabilir.
Bu endişeler haklı olsa da, Brown Üniversitesi araştırmacılarının yaptığı bir çalışma, BrainGate teknolojisini test eden klinik denemeler üzerindeki yaklaşık iki on yıl süren güvenlik verilerini analiz etti ve düşük oranlarda advers olaylar buldu.
BrainGate BCI, yirmi yılı aşkın bir süredir geliştiriliyor ve en son çalışma, nöroteknolojisinin felçli kişilerin hareket düşüncelerini gerçek eyleme dönüştürme ve kaybedilen nörolojik fonksiyonları geri kazanma potansiyeli için değerlendirilmesinin devam etmesi gerektiği sonucuna varıyor.
Brown Üniversitesi’nde beyin bilimleri profesörü ve teknolojinin geliştirilmesi ve test edilmesini yöneten BrainGate akademik konsorsiyumu direktörü Dr. Leigh R. Hochberg’e göre:
“İntrakortikal beyin-bilgisayar arayüzlerinin en büyük devam eden denemesinde, bugün rapor edilen ara güvenlik profili, bu sistemlerin felçli kişiler için iyileştirici nöroteknolojilere dönüşme olasılığını destekliyor.”
İntrakortikal BCI, mobilite ve topluluk restorasyonunda büyük potansiyel gösterirken, Hochberg bu ilerlemelerin gerçekten hasta bakımına dönüşmesinin, cihazların kabul edilebilir derecede düşük bir riskle birlikte olup olmadığına bağlı olduğunu belirtti.
Güvenlik raporu, ALS, omurilik yaralanması veya beyin sapı felci nedeniyle quadriparezi olan 18-75 yaş aralığındaki 14 klinik deneme katılımcısını kapsayan 12.200’den fazla gün güvenlik verisini değerlendirdi.
2004 ile 2021 arasında, bu hastalar denemelere kaydedildiğinde, cihazla ilgili 68 advers olay bulundu. Cilt tahrişi, cihazın küçük bir kısmında meydana gelen en yaygın sorundu.
Altı advers olay, cerrahi prosedürle ilişkili olduğu belirlendi. Travmatik beyin yaralanması geçmişi olan iki katılımcı, operasyon sonrası kısa nöbetler geçirdi ancak kolayca tedavi edildi.
Advers olaylar olmasına rağmen, belgelenenlerden hiçbiri beklenmedik değildi. Ayrıca, bu advers olayların hiçbiri cihazın çıkarılmasını gerektiren sinir sistemi enfeksiyonuna ya da kalıcı artmış bir sakatlığa yol açmadı.
BrainGate Neural Interface sisteminin güven verici güvenlik bulguları büyük bir adım olsa da, cihazların tamamen implante edilmesini ve kullanıcıların 7/24 erişebilmesini sağlamak gibi hâlâ çok iş var.
BCI Alanında Öne Çıkan Şirketler
Synchron, Blackrock Neurotech, Kernel ve Emotiv, bu teknolojiyi ilerletmek ve tıp, bilişsel ve eğlence sektörlerindeki uygulamalarını keşfetmek için çalışan birçok kuruluş arasında yer alıyor.
Bu şirketlerin çoğu özel sermayeli olup, bu alanda ilerleyen halka açık şirketleri görmek nadirdir. Halka açık olanlar, daha büyük kuruluşların bir parçası olmalarından kaynaklanır. Örneğin, non-invaziv bir BCI cihazı geliştiren NextMind, Snap Inc. tarafından satın alındı. Başka bir örnek ise Meta (eski adıyla Facebook) tarafından satın alınan bir sinir arayüzü girişimi olan Ctrl-labs.
O halde, BCI teknolojisinin ön saflarında yer alan bazı önde gelen isimlere bir göz atalım:
#1. Neurable
Neurable, beyin sinyali çevirisi ve BCI teknolojisi için AI destekli araçlar geliştiren bir nöroteknoloji şirketidir. Mayıs 2024’te şirket 13 milyon dolar topladı ve bu, kuruluşundan bu yana toplam fonlamasını 30 milyon doların üzerine çıkardı. 2019’un sonlarında, Neurable, VR uygulamalarının ötesine geçmek ve non-invaziv BCI geliştirmek için Seri A turunda 6 milyon dolar topladı; bu, dünyanın ilk zihin kontrolüyle VR oyununu tanıttıktan iki yıl sonraydı.
Şimdi, yeni fon turu ile şirket, teknolojisini “herkese erişilebilir” hâle getirmeyi hedefliyor, dedi CEO Dr. Ramses Alcaide, ekleyerek:
“Bireyleri kendi zihinlerini anlamaları, insan performansını optimize etmeleri ve neslimizin en acil sağlık sorunlarını aşmaları için güçlendiriyoruz.”
#2. Precision Neuroscience
Bu şirket, insan beynine yerleştirilen elektrot sayısında, toplam 4.096 elektrotla, kortikal veri kaydetmek için bir dünya rekoru kırdı. Gelişim, Precision Neuroscience’in Layer 7 Kortikal Arayüzünün testlerinin bir parçası olarak ortaya çıktı. Bu başarı, şirketin “beyni çok daha derin bir şekilde anlamasına” yardımcı olması bekleniyor.
Precision Neuroscience, Neuralink’i ortak kurmuş ancak güvenlik endişeleri nedeniyle ayrılmış bir nöroşirürjiyen olan Benjamin Rapoport tarafından kuruldu.
#3. Neuralink
Elon Musk tarafından kurulan Neuralink, nörolojik hastalıkları tedavi etmek ve sonunda insan bilişsel yeteneklerini artırmak için yüksek bant genişliğine sahip BCI’ler geliştiren ABD merkezli bir özel şirkettir. Şirketin odak noktası, büyük sayıda nöronu okuyabilen ve uyarabilen implant edilebilir cihazlar yaratmaktır.
En son olarak, ilkinden farklı olarak beyne tamamen bağlı kalan ikinci Neuralink beyin çipi, popüler video oyunu Counter-Strike 2’yi oynamak için implantı kullandı. Çip geçen ay yerleştirildi ve hastanın “düzgün” bir iyileşme geçirdiği bildirildi. Hasta, omurilik yaralanması sonrası uzuv kontrolünü kaybetmişti.
Bu gelişme, ilk hastada beyne bağlı elektrotların %85’inin yerinden kayması sonrası gerçekleşti; ancak hasta implantı etkili bir şekilde kullanmaya devam edebiliyordu. Şirket, sorunu önlemek için bazı önlemleri azalttı ve şu ana kadar hiçbir tel geri çekilmesi gözlemlenmedi.
Lex Fridman podcast’inde yaptığı son konuşmasında, Musk bir çiple geliştirilmiş beyinli bir insanın profesyonel bir video oyunu oyuncusunu yenmesinin artık çok uzak olmadığını öngördü. Gelecek hakkında konuşurken, Musk ayrıca Neuralink’in uzun vadeli hedefinin, bireyin büyük ölçekte iletişim kapasitesini artırarak AI ve insanlar arasındaki simbiyozu geliştirmek olduğunu belirtti.
Sonuç
BCI teknolojisi son birkaç yılda büyük ilgi ve ivme kazandı ve bu gelişme yavaşlayacağına dair hiçbir işaret göstermiyor. Aslında, yeni rekorlar ve çığır açan gelişmeler sürekli elde ediliyor; bu gelişmeler sadece engelli bireylerin daha zengin bir yaşam sürmelerini sağlamakla kalmıyor, aynı zamanda sağlıklı bireylerde yetenekleri artırma potansiyelini de gösteriyor.
Bu teknolojiyi hayata geçirme yolu şu an için uzun olsa da, sürekli ilerleme bir zamanlar bilim kurgu olan şeyin yakında gerçek olabileceğini gösteriyor.
İzlenecek en iyi biyoteknoloji hisse senetlerinin listesi için buraya tıklayın.
