Впервые участники клинического исследования BrainGate с тетраплегией продемонстрировали использование интракортикального беспроводного ИМК с внешним беспроводным передатчиком. Система способна передавать сигналы мозга с разрешением одного нейрона и с полной широкополосной точностью, не привязывая пользователя к системе декодирования. Традиционные кабели заменены небольшим передатчиком размером около 2 дюймов в самом большом размере и весом чуть более 1 дюйма.5 унций.
Устройство находится на верхней части головы пользователя и подключается к массиву электродов в моторной коре головного мозга, используя тот же порт, что и в проводных системах.
В исследовании, опубликованном в IEEE Transactions on Biomedical Engineering, два участника клинических испытаний с параличом использовали систему BrainGate с беспроводным передатчиком, чтобы указывать, щелкать и печатать на стандартном планшетном компьютере.
Исследование показало, что беспроводная система передает сигналы практически с той же точностью, что и проводные системы, и участники достигли аналогичной точности и скорости набора текста.
«Мы продемонстрировали, что эта беспроводная система функционально эквивалентна проводным системам, которые в течение многих лет были золотым стандартом производительности BCI», – сказал Джон Симерал, доцент кафедры инженерии (исследований) в Университете Брауна, член BrainGate. исследовательский консорциум и ведущий автор исследования. "Сигналы записываются и передаются с аналогичной точностью, что означает, что мы можем использовать те же алгоритмы декодирования, которые мы использовали с проводным оборудованием.
Единственная разница в том, что людям больше не нужно быть физически привязанными к нашему оборудованию, что открывает новые возможности с точки зрения использования системы."
Исследователи говорят, что исследование представляет собой ранний, но важный шаг к главной цели исследования BCI: полностью имплантируемая интракортикальная система, которая помогает восстановить независимость людей, потерявших способность двигаться. Ранее сообщалось о беспроводных устройствах с более низкой пропускной способностью, но это первое устройство, которое передает полный спектр сигналов, регистрируемых внутрикортикальным датчиком. Этот широкополосный беспроводной сигнал позволяет проводить клинические исследования и фундаментальные нейробиологические исследования человека, которые намного сложнее выполнить с проводными BCI.
Новое исследование продемонстрировало некоторые из этих новых возможностей. Участники испытания – 35-летний мужчина и 63-летний мужчина, оба парализованные травмами спинного мозга – могли использовать систему в своих домах, в отличие от лабораторных условий, в которых большинство исследований BCI требует место.
Не обремененные кабелями, участники могли использовать BCI непрерывно до 24 часов, давая исследователям долгосрочные данные, в том числе, когда участники спали.
«Мы хотим понять, как нейронные сигналы развиваются с течением времени», – сказал Ли Хохберг, профессор инженерных наук из Брауна, исследователь из Института науки о мозге Карни Брауна и руководитель клинического исследования BrainGate. «С помощью этой системы мы можем наблюдать за активностью мозга дома в течение длительного периода времени, что раньше было почти невозможно. Это поможет нам разработать алгоритмы декодирования, обеспечивающие плавное, интуитивно понятное и надежное восстановление связи и мобильности для людей с параличом."
Устройство, использованное в исследовании, было впервые разработано в Брауне в лаборатории Арто Нурмикко, профессора инженерной школы Брауна. Названное Brown Wireless Device (BWD), оно было разработано для передачи сигналов высокой точности при минимальном потреблении энергии. В текущем исследовании два устройства, используемые вместе, записывали нейронные сигналы со скоростью 48 мегабит в секунду от 200 электродов с временем автономной работы более 36 часов.
Хотя BWD успешно использовался в течение нескольких лет в фундаментальных исследованиях в области нейробиологии, для использования системы в исследовании BrainGate требовалось дополнительное тестирование и разрешение регулирующих органов. Нурмикко говорит, что переход к использованию человеком является ключевым моментом в развитии технологии BCI.
«Для меня большая честь быть частью команды, которая расширяет границы возможностей интерфейсов мозг-машина для использования людьми», – сказал Нурмикко. «Важно отметить, что беспроводная технология, описанная в нашем документе, помогла нам получить важную информацию о будущем пути в поисках нейротехнологий следующего поколения, таких как полностью имплантированные беспроводные электронные интерфейсы высокой плотности для мозга."
Новое исследование знаменует собой еще один значительный прогресс исследователей из консорциума BrainGate, междисциплинарной группы исследователей из университетов Брауна, Стэнфорда и Кейс Вестерн Резерв, а также из Медицинского центра по делам ветеранов Провиденса и больницы общего профиля Массачусетса. В 2012 году команда опубликовала эпохальное исследование, в котором участники клинических испытаний впервые смогли оперировать многомерными роботизированными протезами с использованием ИМК. За этой работой последовал постоянный поток усовершенствований системы, а также новые клинические открытия, которые позволили людям печатать на компьютерах, использовать приложения для планшетов и даже двигать собственными парализованными конечностями.
«Эволюция внутрикортикальных ИМК от необходимости использования проводного кабеля к использованию миниатюрного беспроводного передатчика является важным шагом на пути к функциональному использованию полностью имплантированных высокопроизводительных нейронных интерфейсов», – сказала соавтор исследования Шарлин Флешер, научный сотрудник в Стэнфорд, сейчас работает инженером по аппаратному обеспечению в Apple. «Поскольку область направлена на уменьшение пропускной способности передаваемого сигнала при сохранении точности управления вспомогательными устройствами, это исследование может быть одним из немногих, которое фиксирует полный спектр сигналов коры головного мозга в течение продолжительных периодов времени, в том числе во время практического использования BCI."
Исследователи говорят, что новая беспроводная технология уже приносит дивиденды неожиданным образом. Поскольку участники могут использовать беспроводное устройство в своих домах без присутствия техника для поддержания проводного соединения, команда BrainGate смогла продолжить свою работу во время пандемии COVID-19.
«В марте 2020 года стало ясно, что мы не сможем посещать дома участников нашего исследования», – сказал Хохберг, который также является неврологом интенсивной терапии в Массачусетской больнице общего профиля и директором V.А. Реабилитационный научно-исследовательский центр нейрореставрации и нейротехнологий. "Но, обучив опекунов тому, как установить беспроводное соединение, участник испытания смог использовать BCI без физического присутствия членов нашей команды.
Таким образом, мы не только смогли продолжить наши исследования, эта технология позволила нам продолжить работу с полной пропускной способностью и точностью, которые у нас были раньше."
Симерал отметил, что «несколько компаний чудесным образом вошли в сферу BCI, и некоторые из них уже продемонстрировали человеческое использование беспроводных систем с низкой пропускной способностью, в том числе некоторые, которые полностью имплантированы. В этом отчете мы рады использовать широкополосную беспроводную систему, которая расширяет научные и клинические возможности будущих систем."