Čtení myšlenek ultrazvukovým vyšetřením. Nové rozhraní mozku a stroje společnosti Caltech

Půjčka: Caltech

Minimálně invazivní techniky pro dešifrování mozkových záměrů

Co se stane s vaším mozkem při procházení touto stránkou? Jinými slovy, které oblasti vašeho mozku jsou aktivní, které neurony mluví s ostatními a jaké signály vysílají vašim svalům?

Přiřazení neuronální aktivity k chování je primárním cílem neurologů vyvíjejících rozhraní mozkových strojů (BMI). Zařízení, která čtou – interpretují mozkovou činnost – přenášejí pokyny do počítače nebo stroje. I když se to může zdát jako sci-fi, stávající BMI mohou například spojit paralyzovanou osobu s robotem. Zařízení interpretuje nervové aktivity a záměry člověka a podle toho pohybuje robotem.

Hlavním omezením vývoje BMI je to, že zařízení vyžadují invazivní operaci mozku ke čtení nervové aktivity. Nyní však společnost Caltech uzavřela partnerství s cílem vyvinout nový typ minimálně invazivního BMI pro čtení mozkové aktivity v souladu s plánováním pohybu. Pomocí technologie funkčního ultrazvuku (fUS) dokáže přesně mapovat hloubku mozku z přesných oblastí s rozlišením 100 mikrometrů (přibližně 10 mikrometrů na neuron).

Nová technologie fUS je klíčem k vybudování vážně invazivního, ale stále velmi schopného BMI.

Plavidla v mozku primátů

Podrobnosti o mozkových cévách u subhumánních primátů pořízené funkčním ultrazvukem. Půjčka je S. Norman:

„Invazivní formy rozhraní mozek-stroj lze nyní vrátit těm, kteří je ztratili v důsledku neurologického poranění nebo nemoci,“ řekl Samner Norman, spoluautor nové postdoktorské studie v Andersen Labs. „Bohužel jen málokdo, kdo je v nejzávažnějším paralyzovaném stavu, má právo chtít mít v mozku elektrody. Funkční ultrazvuk je neuvěřitelně vzrušující nová metoda záznamu podrobné mozkové činnosti bez poškození mozkové tkáně. Zvedli jsme laťku zobrazování ultrazvukových nervů, byli jsme nadšení, že dokáže předvídat pohyb. Nejzajímavější je, že fUS je mladá technologie s obrovským potenciálem. „Je to jen náš první krok, jak přinést vyšší, méně invazivní BMI více lidem.“

Nová studie je spoluprací Richarda Andersena, profesora Richarda Amese G., předsedy Neuroscience and Leadership. Spolupráce laboratoří v Caltech Tianqiao Tianqiao Center Chrissy Chen Brain Machine Interface Center v Boste ;; : Michail Shapiro, profesor chemického inženýrství քնն řešitel v Institutu pro výzkum dědictví. Shapiro je členem fakulty přidružené k Chen Institute.

V časopise se objeví článek popisující práci Neuron 22. března 2021.

Obecně platí, že všechny nástroje pro měření mozkové činnosti mají defekty. Implantované elektrody (elektrofyziologie) mohou velmi přesně měřit aktivitu na úrovni jednotlivých neuronů, ale určitě vyžadují implantaci těchto elektrod do mozku. Neinvazivní techniky, jako je zobrazování funkční magnetickou rezonancí (fMRI), mohou zobrazovat celý mozek, ale vyžadují velké a drahé stroje. Elektroencefalografie (EC) nevyžaduje chirurgický zákrok, ale může měřit pouze aktivitu s nízkým prostorovým rozlišením.

Ultrazvukové vyšetření funguje tak, že vydává vysokofrekvenční zvukové impulsy a měří, jak tyto zvukové vibrace reagují na materiál i na různé tkáně lidského těla. Zvuk prochází různými rychlostmi těmito typy tkání, což se odráží v jejich hranicích. Tato technika se běžně používá k kreslení obrázků ovoce v dělozeև Pro další diagnostické snímky.

Ultrazvuk může také „slyšet“ vnitřní pohyb orgánů. Například červené krvinky, jako projíždějící sanitka, budou stoupat do výšky, jakmile se přiblíží ke zdroji ultrazvukových vln, a budou klesat, jakmile budou unikat. Měření tohoto jevu umožnilo vědcům zaznamenat malé změny v průtoku krve do mozku až do 100 mikrometrů (na stupnici šířky lidských vlasů).

„Když se část mozku stane aktivnější, dojde ke zvýšení průtoku krve do této oblasti. Hlavním tématem této práce bylo následující. Pokud máme techniku, jako je funkční ultrazvuk, který nám poskytuje obrazy dynamiky průtoku krve do mozku v prostoru high v průběhu času ve vysokém rozlišení, je v tomto popisu dostatek informací k dešifrování něčeho užitečného o chování? Říká Shapiro. “Odpověď je ano. Tato technika produkovala podrobné obrazy dynamiky nervových impulsů v naší cílové oblasti, které nebylo možné vidět u jiných neinvazivních technik, jako je fMRI. Vytvořili jsme úroveň podrobností v přístupu k elektrofyziologii, ale s mnohem méně invazivním postupem. “

Spolupráce začala, když Shapiro pozval Michaela Tantera, funkčního průkopníka ultrazvuku, ředitele fyziky fyziky v Paříži (ESPCI Paris Sciences et Lettres University, Inserm, CNRS), aby se v roce 2015 zúčastnil semináře na Caltech. Na přednášce byl přítomen Vasilios Christopoulos, bývalý postgraduální student Andersen Laboratory (nyní asistent na UC Riverside) a nabídl mu spolupráci. Poté Shapiro, Andersen և Tanter obdrželi grant od iniciativy NIH BRAIN, aby pokračovali ve výzkumu. Caltech řídil Norman, David Maresca (nyní asistent na Delft University of Technology) հետ Christopoulos, postdoktorand v bývalé Shapirově laboratoři. Spolu s Normanem spoluautorem nové studie byla Maresca և Christopoulos.

Tato technologie byla vyvinuta pomocí subhumánních primátů, kteří byli naučeni provádět jednoduché úkoly, které zahrnují pohyb jejich očí nebo rukou určitými směry, pokud představují určité signály. Když primáti prováděli úkoly, fUS měřila mozkovou aktivitu v zadní mozkové kůře (PPC), oblasti mozku zapojené do plánování pohybu. Andersenova laboratoř studuje PPC po celá desetiletí a dříve mapovala mozkovou aktivitu v elektrofyziologické oblasti. Ratifikovat: přesnost: Vědci z fUS porovnávali zobrazovací aktivitu mozku s podrobnými elektrofyziologickými údaji dříve získanými z fUS.

Dále s podporou Caltech T&C Chen Brain – Machine Interface Center se tým zaměřil na to, zda by bylo možné použít změny obrazu založené na fUS k dešifrování záměrů subhumánních primátů ještě před jeho zahájením. hnutí: Data zobrazování ultrazvukem և příslušné úkoly jsou poté zpracovány միջոցով pomocí algoritmu strojového učení, který učí, které části mozku souvisejí s úkoly. Po tréninku v algoritmu byly prezentovány ultrazvukové údaje shromážděné v reálném čase od subhumánních primátů.

Během několika vteřin algoritmus předpověděl, jaké chování se primát (kromě pohybu člověka) chystá provést (pohyb očí nebo dosah), směr pohybu (vlevo nebo vpravo) a kdy se pohyb chystají provést.

„První událostí bylo ukázat, že ultrazvuk dokáže zachytit mozkové signály spojené s myšlenkou plánování fyzické aktivity,“ uvedla Mareska, která se specializuje na ultrazvukové zobrazování. „Funkční ultrazvukové zobrazování dokáže zaznamenat tyto signály s 10krát větší citlivostí a lepším rozlišením než funkční MRI. „Tento objev je základem úspěchu interakce mozek-stroj založený na funkčním ultrazvuku.“

„Současná rozhraní mozku a stroje s vysokým rozlišením používají elektrodové hmoty vyžadující mozkovou operaci, která zahrnuje otevření lebky, silnou vláknitou membránu mozku a zavedení elektrod do mozku. Ultrazvukové signály však mohou projít diurézou-neinvazivně do mozku. Do lebky by mělo být vloženo pouze malé, ultrazvukové průhledné okénko. „Tato operace je výrazně méně invazivní než ta, která je nutná k implantaci elektrod,“ říká Andersen.

Ačkoli tato studie byla provedena na subhumánních primátech, byla provedena ve spolupráci s neurochirurgem Dr. Charlesem Liu. USC:, studovat technologii u lidských dobrovolníků, kterým byla odstraněna lebka kvůli traumatickému poranění mozku. Protože ultrazvukové vlny mohou procházet těmito „akustickými okny“ nezranitelnými, bude možné studovat, jak může funkční ultrazvuk měřit a interpretovat mozkovou aktivitu u těchto jedinců.

Odkaz. Samner L. Norman, David Maresca, Vasilios N. Christopoulos, Whitney S. Griggs, Charlie Demene, Michael Tanter, Michael G. Shapiro և Richard A. Andersen, „Pilotní interpretace pohybového záměru pomocí funkčního ultrazvukového neurálního zobrazování“, 22. března 2021. Neuron,
DOI: 10.1016 / j.neuron.2021.03.003:

Příspěvek má název „Pilotní interpretace pohybových záměrů pomocí funkčního ultrazvukového zobrazování nervů“. Mezi další spoluautory patří Whitney Griegs, studentka Caltech PhD v pařížském biomedicínském ultrazvuku, Charlie Demenen z et et Lettres University v Paříži, INSERM Technology Research Accelerator v biomedicínském ultrazvuku. Byly poskytnuty finanční prostředky na postgraduální stipendium Della Martin, interdisciplinární postgraduální stipendium Human Borders, program UCLA – Caltech Medical Sciences, iniciativu BRAIN National Institutes of Health, výzkumné centrum Tianqiao և Chrissy Chen Brain – Machine Foundation Foundation Research Center, Heritage Medical Centrum.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Objeven vzácný supravodič – může být rozhodující pro budoucnost kvantové práce na počítači

Výzkum vedený Kentem a laboratoří STFC Rutherford Appleton Laboratory vedl k objevu nového vzácného topologického supravodiče LaPt3P. Tento objev může mít velký význam pro...

Mimořádný příklad toho, jak voda a led mohou formovat zemi

29. května 2021 Jedna z největších delt na světě je pozoruhodným příkladem toho, jak voda a led mohou formovat pevninu. Delta Yukon-Kuskokswim je jednou z největších...

Prehistorický typ člověka, který byl dříve vědě neznámý

Statická lebka, dolní čelist a temenní pravopis. Fotografický kredit: Tel Avivská univerzita Dramatický objev během izraelských vykopávek Objev nové homo skupiny v této oblasti, která...

Jak vznikla supermasivní černá díra

Výzkum vedený Kalifornskou univerzitou, Riverside poukázal na semeno černé díry vytvořené zhroucením halo temné hmoty. Supermasivní černé díry neboli SMBH jsou černé díry s hmotností...

MIT dosahuje významného pokroku směrem k plné implementaci kvantového výpočtu

Nastavitelná spojka může zapnout a vypnout interakci qubit-qubit. Nežádoucí, zbytkové (ZZ) interakce mezi dvěma qubity jsou eliminovány použitím vyšších úrovní energie v konektoru....

Newsletter

Subscribe to stay updated.