طور العلماء واجهة بين الدماغ والحاسوب (BCI) مصممة لاستعادة القدرة على التواصل لدى الأشخاص الذين يعانون من إصابات في النخاع الشوكي واضطرابات عصبية مثل التصلب الجانبي الضموري (ALS). هذا النظام لديه القدرة على العمل بشكل أسرع من BCIs السابقة ، وهو يفعل ذلك من خلال الاستفادة من واحدة من أقدم وسائل الاتصال لدينا - الكتابة اليدوية.

الدراسة، التي نشرت في الطبيعة، تم تمويله من قبل المعاهد الوطنية لأبحاث الدماغ في الصحة من خلال مبادرة Advancing Innovative Neurotechnologies® (BRAIN) وكذلك المعهد الوطني للاضطرابات العصبية والسكتة الدماغية (NINDS) والمعهد الوطني للصمم واضطرابات التواصل الأخرى (NIDCD) ، وكلاهما جزء المعاهد الوطنية للصحة.

ركز الباحثون على جزء الدماغ المسؤول عن الحركة الدقيقة وسجلوا الإشارات التي تم إنشاؤها عندما حاول المشارك كتابة أحرف فردية باليد. من خلال القيام بذلك ، قام المشارك ، الذي أصيب بالشلل من الرقبة إلى أسفل عقب إصابة في الحبل الشوكي ، بتدريب خوارزمية حاسوبية للتعلم الآلي لتحديد الأنماط العصبية التي تمثل الحروف الفردية. بينما تم إثباته كدليل على المفهوم في مريض واحد حتى الآن ، يبدو أن هذا النظام أكثر دقة وفعالية من BCIs للتواصل الحالي ويمكن أن يساعد الأشخاص الذين يعانون من الشلل في الكتابة بسرعة دون الحاجة إلى استخدام أيديهم.

قال جون نجاي ، دكتوراه ، مدير مبادرة NIH BRAIN: "تمثل هذه الدراسة معلمًا هامًا في تطوير BCIs وتقنيات التعلم الآلي التي تكشف كيف يتحكم الدماغ البشري في العمليات المعقدة مثل الاتصالات". "توفر هذه المعرفة أساسًا مهمًا لتحسين حياة الآخرين الذين يعانون من إصابات واضطرابات عصبية."

عندما يصاب الشخص بالشلل بسبب إصابة في النخاع الشوكي ، يظل جزء الدماغ الذي يتحكم في الحركة يعمل. هذا يعني أنه على الرغم من عدم تمكن المشارك من تحريك يده أو ذراعه للكتابة ، إلا أن دماغه لا يزال ينتج إشارات مماثلة تتعلق بالحركة المقصودة. تم تطوير أنظمة BCI مماثلة لاستعادة وظيفة المحرك من خلال أجهزة مثل الأذرع الروبوتية.

قال المؤلف المشارك للدراسة كريشنا شينوي ، دكتوراه ، وهو محقق في معهد هوارد هيوز الطبي (HHMI) ومؤسسة هونج سي وفيفيان دبليو إم: "فكر فقط في مقدار يومك الذي تقضيه على جهاز كمبيوتر أو في التواصل مع شخص آخر". ليم أستاذ بجامعة ستانفورد. "إن استعادة قدرة الأشخاص الذين فقدوا استقلاليتهم على التفاعل مع أجهزة الكمبيوتر وغيرها أمر في غاية الأهمية ، وهذا ما يجعل مشاريع مثل هذه الجبهة والمركز."

أولاً ، طُلب من المشارك نسخ الأحرف التي تم عرضها على الشاشة ، والتي تضمنت 26 حرفًا صغيرًا مع بعض علامات الترقيم: ">" التي تم استخدامها كمسافة و "~" التي تم استخدامها كـ "نقطة كاملة" . " في الوقت نفسه ، سجلت الأقطاب الكهربائية المزروعة نشاط الدماغ لما يقرب من 200 خلية عصبية فردية استجابت بشكل مختلف أثناء "كتابة" ذهنيًا لكل شخصية على حدة. بعد سلسلة من الدورات التدريبية ، تعلمت خوارزميات الكمبيوتر في BCI كيفية التعرف على الأنماط العصبية المقابلة للحروف الفردية ، مما يسمح للمشارك "بكتابة" جمل جديدة لم تتم طباعتها من قبل ، مع عرض الكمبيوتر للحروف في الوقت الفعلي.

قال فرانك ويليت ، دكتوراه ، عالم أبحاث HHMI في جامعة ستانفورد ودراسة الدراسة: "تُعد هذه الطريقة تحسنًا ملحوظًا مقارنةً بمؤشرات الاتصال الحالية التي تعتمد على استخدام الدماغ لتحريك المؤشر" لكتابة "الكلمات على الشاشة" المؤلف الرئيسي. "تؤدي محاولة كتابة كل حرف إلى إنتاج نمط فريد من النشاط في الدماغ ، مما يسهل على الكمبيوتر تحديد ما يتم كتابته بدقة وسرعة أكبر بكثير."

باستخدام هذا النظام ، تمكن المشارك من تكوين جمل والتواصل مع الآخرين بسرعة حوالي 90 حرفًا في الدقيقة ، مقارنة بشخص من نفس العمر يكتب على هاتف ذكي. في المقابل ، حققت واجهات "التأشير والنقر" حوالي 40 حرفًا فقط في الدقيقة.

يوفر هذا النظام أيضًا مستوى من المرونة وهو أمر حاسم لاستعادة الاتصال. ذهبت بعض الدراسات إلى حد محاولة التفكير المباشر للخطاب BCIs ، والتي ، على الرغم من كونها واعدة ، إلا أنها محدودة حاليًا بما هو ممكن من خلال التسجيلات من سطح الدماغ والتي متوسط ​​الاستجابات عبر آلاف الخلايا العصبية.

قال الدكتور شينوي: "في الوقت الحالي ، يمكن للمحققين الآخرين تحقيق حوالي 50 كلمة من القاموس باستخدام أساليب التعلم الآلي عند فك تشفير الكلام". "باستخدام الكتابة اليدوية للتسجيل من مئات الخلايا العصبية الفردية ، يمكننا كتابة أي حرف وبالتالي أي كلمة توفر حقًا" مفردات مفتوحة "يمكن استخدامها في معظم حالات الحياة."

بالنسبة للأفراد المصابين بالشلل أو الذين يعانون من "متلازمة الانغلاق" بسبب سكتة دماغية أو المرحلة المتأخرة من مرض التصلب الجانبي الضموري ، تُفقد القدرة على التواصل بشكل كبير أو حتى تمامًا دون تدخل تكنولوجي. أثناء التمهيدي ، توفر التقنيات التي يتم تطويرها هنا إمكانية مساعدة أولئك الذين فقدوا تمامًا القدرة على الكتابة والتحدث.

قالت ديبارا إل ، توتشي ، دكتوراه في الطب ، ماجستير ، ماجستير في إدارة الأعمال ، مديرة NIDCD ، "الاتصال أساسي لكيفية عملنا في المجتمع". "في عالم اليوم من الاتصالات القائمة على الإنترنت ، يمكن للأشخاص الذين يعانون من إعاقات جسدية وحادة في الكلام أن يواجهوا حواجز اتصال كبيرة ، وربما عزلة. نأمل أن تشجع هذه النتائج التطوير التجاري لهذه التكنولوجيا الحديثة BCI. "

في المستقبل ، يعتزم فريق الدكتور شينوي اختبار النظام على مريض فقد القدرة على التحدث ، مثل شخص مصاب بمرض ALS ​​متقدم. بالإضافة إلى ذلك ، يتطلعون إلى زيادة عدد الأحرف المتاحة للمشاركين (مثل الأحرف الكبيرة والأرقام).

التجربة السريرية ، المسماة BrainGate2 ، وهي عبارة عن تعاون بين المعامل والجامعات والمستشفيات المعترف بها دوليًا والتي تعمل على تطوير تقنيات واجهة الكمبيوتر والدماغ ، تختبر سلامة BCIs التي تربط دماغ الشخص مباشرة بجهاز كمبيوتر. كانت الدراسة عبارة عن تعاون بين الدكتور Shenoy's و Jaimie Henderson ، مجموعة بحث MD في جامعة ستانفورد ، Leigh Hochberg ، MD ، Ph.D. حصل على درجة الدكتوراه من جامعة براون ، ومستشفى ماساتشوستس العام ، وجامعة بروفيدنس ، والباحث الراعي في تجربة BrainGate2. أجرى الدكتور هندرسون في جامعة ستانفورد الجراحة أيضًا لوضع الأقطاب الكهربائية اللازمة.

قال الدكتور Hochberg: "بفضل الروح الرائدة للمشاركين في BrainGate ، نحن قادرون على اكتساب رؤى جديدة في وظائف الدماغ البشري ، والتي يمكن أن تؤدي إلى إنشاء أنظمة تساعد الآخرين في حالة الشلل".

# # #

تم تمويل هذه الدراسة من قبل المعاهد الوطنية للصحة من خلال مبادرة NIH BRAIN و NINDS و NIDCD (NS095548 ، NS098968 ، DC009899 ، DC017844 ، DC014034 ، DC017844) ، HHMI ، وزارة شؤون المحاربين القدامى الأمريكية ، L. and P. Garlick ، ​​S . وبي. ريفز ، ومعهد وو تساي للعلوم العصبية بجامعة ستانفورد ، ومؤسسة Simons Foundation Collaboration حول الدماغ العالمي.

المادة:

ويليت فر وآخرون ، "اتصال عالي الأداء من الدماغ إلى النص عبر الكتابة اليدوية." الطبيعة. 12 مايو 2021. DOI: 10.1038 / s41586-021-03506-2

مبادرة NIH BRAIN® تدار من قبل 10 معاهد تكمل مهامها وحافظاتها البحثية الحالية أهداف مبادرة BRAIN®: المركز الوطني للصحة التكميلية والتكاملية ، والمعهد الوطني للعيون ، والمعهد الوطني للشيخوخة ، والمعهد الوطني لتعاطي الكحول وإدمان الكحول ، والمعهد الوطني للتصوير الطبي الحيوي والهندسة الحيوية ، معهد يونيس كينيدي شرايفر الوطني لصحة الطفل والتنمية البشرية ، المعهد الوطني لتعاطي المخدرات ، المعهد الوطني للصمم واضطرابات التواصل الأخرى ، المعهد الوطني للصحة العقلية ، والمعهد الوطني للاضطرابات العصبية والسكتة الدماغية.

NINDS (http: // www.نيند.نيه.gov) هي الممول الرائد للأبحاث في مجال الدماغ والجهاز العصبي. تتمثل مهمة NINDS في البحث عن المعرفة الأساسية حول الدماغ والجهاز العصبي واستخدام هذه المعرفة لتقليل عبء الأمراض العصبية.

حول المعهد الوطني للصمم واضطرابات التواصل الأخرى (NIDCD): من خلال تطوير علم الاتصال لتحسين الحياة ، يدعم NIDCD وإجراء البحوث والتدريب على البحث حول العمليات الطبيعية والمضطربة للسمع والتوازن والتذوق والشم والصوت والكلام واللغة ويوفر المعلومات الصحية ، بناءً على الاكتشاف العلمي ، الجمهور.

حول المعاهد الوطنية للصحة (نيه): تضم NIH ، وكالة الأبحاث الطبية في البلاد ، 27 معهدًا ومركزًا وهي أحد مكونات وزارة الصحة والخدمات الإنسانية الأمريكية. NIH هي الوكالة الفيدرالية الأساسية التي تجري وتدعم البحوث الطبية الأساسية والسريرية والانتقالية ، وتحقق في أسباب وعلاجات وعلاج الأمراض الشائعة والنادرة. لمزيد من المعلومات حول NIH وبرامجها ، قم بزيارة http: // www.نيه.زاويه.