SOFTWERLAND: Studi di fattibilità umani hanno dimostrato di Interfacce Brain-Machine Science

Studi di fat

Nella loro umana primi studi di fattibilità di utilizzare i segnali del cervello per funzionare dispositivi esterni, i ricercatori della Duke University Medical Center di relazione che gli array di elettrodi in grado di fornire segnali utilizzabili per il controllo di tali dispositivi. Il team di ricerca sta lavorando per sviluppare dispositivi prototipo che può consentire alle persone paralizzate per operare "neuroprosthetic" e altri dispositivi esterni utilizzando solo i propri segnali cerebrali.Da Duke University: Human Show Studi di fattibilità di interfacce cervello-macchina

Mentre i nuovi studi forniscono una prova iniziale di principio che umano applicazione delle interfacce cervello-macchina è possibile, i ricercatori sottolineano che molti anni di sviluppo e la sperimentazione clinica saranno necessari prima di tali dispositivi neuroprosthetic sono disponibili.

Il gruppo di ricerca, guidato dal neurochirurgo e docente di neurobiologia Dennis Turner, MD, neurobiologo e Miguel Nicolelis, MD, pubblicheranno i loro risultati nel numero del luglio 2004 della rivista Neurosurgery. membri principali del gruppo di ricerca comprendono anche Parag Patil, MD, residente in neurochirurgia e autore principale dello studio, e Jose Carmena, Ph.D., un collega post-dottorato in neurobiologia. La ricerca è stata sostenuta dalla Defense Advanced Research Projects Agency e il National Institutes of Health.

La ricerca si basa su precedenti studi in laboratorio Nicolelis, in cui le scimmie impararono a controllare un braccio robot utilizzando solo i segnali del cervello.

Nell'uomo studi iniziali, Patil e colleghi hanno registrato segnali elettrici da array di 32 microelettrodi, durante interventi chirurgici eseguiti per alleviare i sintomi del morbo di Parkinson e disturbi del tremore. Tali procedure chirurgiche di routine coinvolgere l'impianto di elettrodi nel cervello e quindi stimolare il cervello con piccole correnti elettriche per alleviare i sintomi del paziente. I pazienti sono sveglio durante l'intervento chirurgico, e la neurochirurghi tipicamente segnali cerebrali record per garantire che gli elettrodi permanenti sono collocati nella posizione ottimale nel cervello.

Negli esperimenti sono stati segnalati in Neurochirurgia, i ricercatori hanno aggiunto un semplice manuale di attività per la procedura chirurgica. Mentre i segnali del cervello sono stati registrati con il romanzo-channel array di elettrodi 32, il volontario 11 pazienti è stato chiesto di svolgere un controllo di videogiochi usati.

Successivamente, analizzando i segnali provenienti da questi esperimenti, il team ha scoperto che i segnali conteneva informazioni sufficienti per essere utile per prevedere i movimenti di mano. Tale è la previsione requisito necessario per modo affidabile utilizzando i segnali neurali per il controllo di dispositivi esterni.

"Nonostante le limitazioni sugli esperimenti, siamo stati sorpresi di trovare che il nostro modello di analisi in grado di prevedere i movimenti dei pazienti 'abbastanza bene," ha detto Nicolelis."Abbiamo avuto solo cinque minuti di dati su ogni paziente, durante il quale ci è voluto un minuto o due per addestrarli al compito. Ciò suggerisce che i test clinici progredisce, e si usa array di elettrodi che vengono impiantati per un lungo periodo di tempo, potremmo ottenere un sistema praticabile control per dispositivi esterni, "ha detto.

Mentre altri ricercatori hanno dimostrato che gli elettrodi impiantati individualmente può essere usata per controllare un cursore sullo schermo di un computer, complessi dispositivi esterni che richiedono dati provenienti da grandi array di elettrodi, disse il Duca ricercatori.

Secondo Nicolelis, un altro grande differenza tra i primi studi umani e gli studi scimmia è che la registrazione in pazienti umani sono stati fatti da elettrodi inseriti più in profondità nel cervello, nelle strutture sottocorticali, piuttosto che la superficie corticale.

"Questo dimostra che si può estrarre informazioni non solo da aree corticali, ma da quelle subcorticali, anche," ha detto Nicolelis."Questo suggerisce che in futuro ci saranno più opzioni per il campionamento informazioni neuronali per controllare un dispositivo protesico", ha detto.

Secondo Turner, la progressione per la salute umana studi clinicipresenta una serie di sfide. Per esempio, ha detto, i dati con le scimmie sono stati ottenuti da elettrodi collegati alla superficie della corteccia cerebrale.

"Abbiamo inizialmente usato elettrodi sottocorticali, in quanto sono più stabili, perché sono sepolti più profondo", ha detto Turner.Inoltre, ha detto, le regioni più profonde presenti altri vantaggi. "Il modo in cui funziona il cervello, tutti i segnali per il controllo motore sono filtrati attraverso le regioni profonde del cervello prima di raggiungere il risultato finale corticale", ha detto. "Allora, sono teoricamente più facili da registrare da più aree corticali. Le aree sottocorticali sono anche più denso, il che significa che ci sono più cellule di registrare da una superficie più ridotta.

Lavorare con gli ingegneri biomedici Duca, il team di ricerca sta mettendo a punto il primo prototipo di un dispositivo neuroprosthetic che includerà una interfaccia senza fili tra il paziente e il dispositivo.

Secondo Turner, mentre la più ovvia applicazione di questa tecnologia sarebbe un braccio robot un tetraplegico, lui ei suoi colleghi stanno progettando altri dispositivi pure. Uno potrebbe essere una controllata sedia a rotelle elettrica neurale, e un altro un operato tastiera neurale, la cui produzione potrebbe includere sia testo o parole. Tali dispositivi potrebbero aiutare sia le persone paralizzate e chi ha perso capacità di intervento a causa di un ictus o sclerosi laterale amiotrofica (malattia di Lou Gehrig).

Una questione chiave per il futuro degli studi clinici è se gli esseri umani possono includere dispositivi quali nel loro "schema", o la rappresentazione neurale del mondo esterno, ha detto Turner. Le scimmie in 'studi Nicolelis sembra fare proprio questo.

"Sappiamo che per tutti i tipi di formazione a motore, come ad esempio andare in bicicletta, le persone munite di un dispositivo esterno nel loro schema, e il processo diventa subconscio ", ha detto."Ci si baserà su tale fenomeno nei nostri studi umani. E 'noto, ad esempio, che i pazienti che non hanno uso della loro braccio mostrano ancora negli studi MRI che i centri di controllo nel cervello stiano funzionando normalmente. Quando viene chiesto loro di immaginare muovere le braccia, i centri di controllo diventare attivo. Così, abbiamo buone speranze che i neuroni in questi centri può ancora fornire gli stessi segnali, anche se il braccio non è fisicamente di lavoro ".

Come il loro prossimo passo importante, ha detto Turner, i ricercatori hanno già presentato domanda per l'approvazione federale per avviare l'impianto di elettrodi sperimentale array a lungo termine nei pazienti tetraplegici. Tali prove, effettuate nel corso dei prossimi tre-cinque anni comporterebbe impiantare i pannelli in determinate regioni, chiedendo al paziente di eseguire compiti specifici e quindi ad esplorare in modo ottimale i compiti che sono controllate da quella regione.