Wetenschappers hebben een hersen-computerinterface (BCI) ontwikkeld die is ontworpen om het communicatievermogen te herstellen bij mensen met ruggenmergletsels en neurologische aandoeningen zoals amyotrofische laterale sclerose (ALS). Dit systeem heeft het potentieel om sneller te werken dan eerdere BCI's, en doet dit door gebruik te maken van een van de oudste communicatiemiddelen die we hebben: handschrift.

De studie, gepubliceerd in NATUUR, werd gefinancierd door het Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies® (BRAIN) Initiative van de National Institutes of Health, evenals door het National Institute of Neurological Disorders and Stroke (NINDS) en het National Institute on Deafness and Other Communication Disorders (NIDCD), beide onderdeel van de NIH.

Onderzoekers concentreerden zich op het deel van de hersenen dat verantwoordelijk is voor fijne bewegingen en registreerden de signalen die werden gegenereerd wanneer de deelnemer probeerde individuele letters met de hand te schrijven. Daarbij trainde de deelnemer, die vanaf de nek verlamd is als gevolg van een dwarslaesie, een machine learning computeralgoritme om neurale patronen te identificeren die individuele letters vertegenwoordigen. Hoewel dit systeem tot nu toe bij één patiënt is gedemonstreerd, lijkt het nauwkeuriger en efficiënter te zijn dan bestaande communicatie-BCI's en zou het mensen met verlamming kunnen helpen snel te typen zonder hun handen te hoeven gebruiken.

“Deze studie vertegenwoordigt een belangrijke mijlpaal in de ontwikkeling van BCI’s en machine learning-technologieën die ontrafelen hoe het menselijk brein processen bestuurt die zo complex zijn als communicatie”, zegt John Ngai, Ph.D., directeur van het NIH BRAIN Initiative. “Deze kennis vormt een cruciale basis voor het verbeteren van de levens van anderen met neurologische verwondingen en aandoeningen.”

Wanneer een persoon verlamd raakt door een dwarslaesie, werkt het deel van de hersenen dat de beweging regelt nog steeds. Dit betekent dat, hoewel de deelnemer zijn hand of arm niet kon bewegen om te schrijven, zijn hersenen nog steeds soortgelijke signalen produceerden die verband hielden met de beoogde beweging. Soortgelijke BCI-systemen zijn ontwikkeld om de motorfunctie te herstellen via apparaten zoals robotarmen.

“Denk maar eens aan hoeveel van uw dag u op een computer doorbrengt of met iemand communiceert”, zegt co-auteur Krishna Shenoy, Ph.D., onderzoeker van het Howard Hughes Medical Institute (HHMI) en de Hong Seh en Vivian WM Lim-professor aan Stanford University. “Het herstellen van het vermogen van mensen die hun onafhankelijkheid hebben verloren om met computers en anderen om te gaan, is uiterst belangrijk, en dat is wat projecten als deze op de voorgrond brengt.”

Eerst werd de deelnemer gevraagd letters te kopiëren die op het scherm werden weergegeven, waaronder de 26 kleine letters en wat leestekens: “>” die als spatie werd gebruikt en “~” die als “punt” werd gebruikt. .” Tegelijkertijd registreerden geïmplanteerde elektroden de hersenactiviteit van ongeveer 200 individuele neuronen die verschillend reageerden terwijl hij elk individueel karakter mentaal ‘schreef’. Na een reeks trainingssessies leerden de computeralgoritmen van de BCI hoe ze neurale patronen konden herkennen die overeenkomen met individuele letters, waardoor de deelnemer nieuwe zinnen kon 'schrijven' die nog niet eerder waren afgedrukt, terwijl de computer de letters in realtime weergeeft.

"Deze methode is een duidelijke verbetering ten opzichte van bestaande communicatie-BCI's die afhankelijk zijn van het gebruik van de hersenen om een ​​cursor te verplaatsen om woorden op een scherm te 'typen'", zegt Frank Willett, Ph.D., een HHMI-onderzoekswetenschapper aan de Stanford University en de studie. hoofdauteur. “Pogingen om elke letter te schrijven produceren een uniek activiteitspatroon in de hersenen, waardoor het voor de computer gemakkelijker wordt om met veel grotere nauwkeurigheid en snelheid te identificeren wat er wordt geschreven.”

Met behulp van dit systeem kon de deelnemer zinnen samenstellen en met anderen communiceren met een snelheid van ongeveer 90 tekens per minuut, vergelijkbaar met iemand van dezelfde leeftijd die op een smartphone typt. Daarentegen halen ‘point-and-click’-interfaces slechts ongeveer 40 tekens per minuut.

Dit systeem biedt ook een niveau van flexibiliteit dat cruciaal is voor het herstellen van de communicatie. Sommige onderzoeken zijn zo ver gegaan dat ze directe gedachte-naar-spraak-BCI's proberen te gebruiken die, hoewel veelbelovend, momenteel beperkt worden door wat mogelijk is door middel van opnames van het oppervlak van de hersenen die de reacties over duizenden neuronen gemiddelden.

“Op dit moment kunnen andere onderzoekers een woordenboek van ongeveer 50 woorden maken met behulp van machine learning-methoden bij het decoderen van spraak”, zegt dr. Shenoy. “Door handschrift te gebruiken om honderden individuele neuronen vast te leggen, kunnen we elke letter en dus elk woord schrijven, wat een werkelijk ‘open vocabulaire’ oplevert dat in vrijwel elke levenssituatie kan worden gebruikt.”

Voor individuen die verlamd zijn of leven met het “locked-in syndroom” als gevolg van een hersenstamberoerte of ALS in een vergevorderd stadium, gaat het vermogen om te communiceren grotendeels of zelfs volledig verloren zonder technologische tussenkomst. Hoewel voorlopig, bieden de technologieën die hier worden ontwikkeld het potentieel om mensen te helpen die het vermogen om te schrijven en te spreken volledig zijn kwijtgeraakt.

“Communicatie staat centraal in de manier waarop we functioneren in de samenleving”, zegt Debara L, Tucci, MD, MS, MBA, directeur van NIDCD. “In de huidige wereld van communicatie via internet kunnen mensen met ernstige spraak- en lichamelijke beperkingen te maken krijgen met aanzienlijke communicatiebarrières en mogelijk zelfs met isolatie. We hopen dat deze bevindingen de commerciële ontwikkeling van deze nieuwste BCI-technologie zullen stimuleren.”

In de toekomst is het team van Dr. Shenoy van plan het systeem te testen op een patiënt die het vermogen om te spreken heeft verloren, zoals iemand met vergevorderde ALS. Bovendien willen ze het aantal tekens dat beschikbaar is voor de deelnemers (zoals hoofdletters en cijfers) vergroten.

De klinische proef, genaamd BrainGate2, een samenwerking van internationaal erkende laboratoria, universiteiten en ziekenhuizen die werken aan het bevorderen van interfacetechnologieën tussen hersenen en computers, test de veiligheid van BCI's die de hersenen van een persoon rechtstreeks verbinden met een computer. De studie was een samenwerking tussen Dr. Shenoy's en Jaimie Henderson, MD's onderzoeksgroep aan Stanford University, Leigh Hochberg, MD, Ph.D. van Brown University, Massachusetts General Hospital, en Providence VA en sponsor-onderzoeker van de BrainGate2-studie. Dr. Henderson van Stanford University voerde ook de operatie uit om de benodigde elektroden te plaatsen.

“Dankzij de pioniersgeest van de deelnemers aan BrainGate zijn we in staat nieuwe inzichten te verwerven in de menselijke hersenfunctie, wat zou kunnen leiden tot het creëren van systemen die anderen met verlamming zullen helpen”, aldus Dr. Hochberg.

###

Deze studie werd gefinancierd door de National Institutes of Health via het NIH BRAIN Initiative, NINDS en NIDCD (NS095548, NS098968, DC009899, ​​DC017844, DC014034, DC017844), HHMI, US Department of Veterans Affairs, L. en P. Garlick, S en B. Reeves, het Wu Tsai Neurosciences Institute aan de Stanford University, en de Simons Foundation Collaboration on the Global Brain.

Artikel:

Willett FR et al., “Krachtige communicatie tussen hersenen en tekst via handschrift.” NATUUR. 12 mei 2021. DOI: 10.1038/s41586-021-03506-2

Het NIH BRAIN Initiative® wordt beheerd door 10 instituten waarvan de missies en huidige onderzoeksportfolio's een aanvulling vormen op de doelstellingen van The BRAIN Initiative®: National Center for Complementary and Integrative Health, National Eye Institute, National Institute on Aging, National Institute on Alcohol Abuse and Alcoholism, National Institute of Biomedical Imaging en Bioengineering, Eunice Kennedy Shriver Nationaal Instituut voor Kindergezondheid en Menselijke Ontwikkeling, Nationaal Instituut voor Drugsmisbruik, Nationaal Instituut voor Doofheid en andere Communicatiestoornissen, Nationaal Instituut voor Geestelijke Gezondheid en Nationaal Instituut voor Neurologische Aandoeningen en Beroerte.

NINDS (http: // www.ninds.NIH.gov) is de grootste financier van onderzoek naar de hersenen en het zenuwstelsel van het land. De missie van NINDS is het zoeken naar fundamentele kennis over de hersenen en het zenuwstelsel en deze kennis te gebruiken om de last van neurologische aandoeningen te verminderen.

Over het Nationaal Instituut voor Doofheid en Andere Communicatiestoornissen (NIDCD): De NIDCD bevordert de wetenschap van communicatie om levens te verbeteren, ondersteunt en voert onderzoek en onderzoekstraining uit over de normale en ongeordende processen van horen, evenwicht, smaak, geur, stem, spraak en taal en verstrekt gezondheidsinformatie, gebaseerd op wetenschappelijke ontdekkingen, om het publiek.

Over de National Institutes of Health (NIH): NIH, het nationale bureau voor medisch onderzoek, omvat 27 instituten en centra en is een onderdeel van het Amerikaanse ministerie van Volksgezondheid en Human Services. NIH is de belangrijkste federale instantie die fundamenteel, klinisch en translationeel medisch onderzoek uitvoert en ondersteunt, en onderzoekt de oorzaken, behandelingen en behandelingen voor zowel veel voorkomende als zeldzame ziekten. Ga voor meer informatie over NIH en haar programma's naar http: // www.NIH.regering