Μια σύνδεση εγκεφάλου σε υπολογιστή επέτρεψε πρόσφατα σε άτομα με σοβαρή αδυναμία των άκρων να πληκτρολογήσουν μέσω άμεσου ελέγχου εγκεφάλου με τις υψηλότερες ταχύτητες και επίπεδα ακρίβειας που έχουν αναφερθεί μέχρι σήμερα.

Δύο από τους συμμετέχοντες έχουν αμυοτροφική πλευρική σκλήρυνση, που ονομάζεται επίσης νόσος του Lou Gehrig, και ένας έχει τραυματισμό του νωτιαίου μυελού.

Ο καθένας τους είχε μία ή δύο συστοιχίες ηλεκτροδίων μεγέθους μωρού τοποθετημένες στον εγκέφαλό τους για να καταγράφουν σήματα από τον κινητικό φλοιό, μια περιοχή που ελέγχει την κίνηση των μυών. Τα σήματα μεταδίδονταν σε έναν υπολογιστή μέσω ενός καλωδίου και μεταφράστηκαν από αλγόριθμους σε εντολές point-and-click που καθοδηγούν τον κέρσορα σε χαρακτήρες σε ένα πληκτρολόγιο οθόνης.

Κάθε συμμετέχων, μετά από ελάχιστη εκπαίδευση, κατέκτησε την τεχνική επαρκώς για να ξεπεράσει τα αποτελέσματα οποιασδήποτε προηγούμενης δοκιμής διεπαφών εγκεφάλου-υπολογιστή, ή BCI, για τη βελτίωση της επικοινωνίας από άτομα με παρόμοια μειωμένη κίνηση. Συγκεκριμένα, πέτυχαν τα ποσοστά πληκτρολόγησης χωρίς τη χρήση της αυτόματης βοήθειας συμπλήρωσης λέξεων που είναι κοινή στις σημερινές εφαρμογές ηλεκτρονικού πληκτρολογίου, κάτι που πιθανότατα θα είχε ενισχύσει την απόδοσή τους.

Ένας συμμετέχων, ο Dennis Degray από το Menlo Park, Καλιφόρνια, μπόρεσε να πληκτρολογήσει 39 σωστούς χαρακτήρες ανά λεπτό, που ισοδυναμούν με περίπου οκτώ λέξεις ανά λεπτό.

Αυτή η προσέγγιση point-and-click θα μπορούσε να εφαρμοστεί σε μια ποικιλία υπολογιστικών συσκευών, συμπεριλαμβανομένων των smartphone και των tablet, χωρίς ουσιαστικές τροποποιήσεις, λένε οι ερευνητές. Τα ευρήματά τους εμφανίζονται στο περιοδικό eLife.

«Είναι σαν ένα από τα πιο ωραία βιντεοπαιχνίδια με τα οποία έχω παίξει ποτέ. Και δεν χρειάζεται να βάλω ούτε ένα τέταρτο».

«Η επιτυχία της μελέτης μας σηματοδοτεί ένα σημαντικό ορόσημο στο δρόμο για τη βελτίωση της ποιότητας ζωής των ατόμων με παράλυση», λέει ο Jaimie Henderson, καθηγητής νευροχειρουργικής στο Πανεπιστήμιο Stanford, ο οποίος πραγματοποίησε δύο από τις τρεις διαδικασίες εμφύτευσης συσκευής στο Stanford Hospital. Το τρίτο έγινε στο Γενικό Νοσοκομείο της Μασαχουσέτης.

«Αυτή η μελέτη αναφέρει την υψηλότερη ταχύτητα και ακρίβεια, κατά ένα συντελεστή τριών, σε σχέση με ό,τι έχει δειχθεί πριν», λέει ο συν-ανώτερος συγγραφέας Krishna Shenoy, καθηγητής ηλεκτρολόγων μηχανικών. "Πλησιάζουμε την ταχύτητα με την οποία μπορείτε να πληκτρολογείτε κείμενο στο κινητό σας."

«Η παράσταση είναι πραγματικά συναρπαστική», λέει ο πρώην μεταδιδακτορικός υπότροφος Chethan Pandarinath, ο οποίος έχει τώρα ένα κοινό ραντεβού στο Πανεπιστήμιο Emory και το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Τζόρτζια ως επίκουρος καθηγητής βιοϊατρικής μηχανικής. «Πετυχαίνουμε ρυθμούς επικοινωνίας που πολλοί άνθρωποι με παράλυση χεριών και χεριών θα θεωρούσαν χρήσιμους. Αυτό είναι ένα κρίσιμο βήμα για την κατασκευή συσκευών που θα μπορούσαν να είναι κατάλληλες για χρήση σε πραγματικό κόσμο».

Το εργαστήριο του Shenoy πρωτοστάτησε στους αλγόριθμους που χρησιμοποιούνται για την αποκωδικοποίηση των πολύπλοκων βόλων ηλεκτρικών σημάτων που εκπέμπονται από νευρικά κύτταρα στον κινητικό φλοιό, το κέντρο εντολών του εγκεφάλου για κίνηση, και τα μετατρέπει σε πραγματικό χρόνο σε ενέργειες που εκτελούνται συνήθως από το νωτιαίο μυελό και τους μύες.

«Η χρήση αυτών των αλγορίθμων BCI υψηλής απόδοσης σε κλινικές δοκιμές σε ανθρώπους καταδεικνύει τη δυνατότητα αυτής της κατηγορίας τεχνολογίας να αποκαταστήσει την επικοινωνία με άτομα με παράλυση», λέει ο μεταδιδακτορικός μελετητής Paul Nuyujukian.

«Έβγαζα τα σκουπίδια στη βροχή»

Εκατομμύρια άνθρωποι με παράλυση ζουν στις Ηνωμένες Πολιτείες. Μερικές φορές η παράλυση τους έρχεται σταδιακά, όπως συμβαίνει στην ALS. Μερικές φορές φτάνει ξαφνικά, όπως στην περίπτωση του Degray.

Τώρα 64 ετών, ο Degray έγινε τετραπληγικός στις 10 Οκτωβρίου 2007, όταν έπεσε και υπέστη έναν τραυματισμό του νωτιαίου μυελού που άλλαξε τη ζωή του. «Έβγαζα τα σκουπίδια στη βροχή», είπε. Κρατώντας στο ένα χέρι τα σκουπίδια και στο άλλο την ανακύκλωση, γλίστρησε στο γρασίδι και προσγειώθηκε στο πιγούνι του. Η πρόσκρουση γλίτωσε τον εγκέφαλό του, αλλά τραυμάτισε σοβαρά τη σπονδυλική του στήλη, διακόπτοντας κάθε επικοινωνία μεταξύ του εγκεφάλου και των μυών του από το κεφάλι και κάτω. «Δεν έχω τίποτα να συμβαίνει κάτω από τις κλείδες», λέει.

Ο Degray έλαβε δύο εμφυτεύματα συσκευής στα χέρια του Henderson τον Αύγουστο του 2016. Σε αρκετές ερευνητικές συνεδρίες που ακολούθησαν, αυτός και οι άλλοι δύο συμμετέχοντες στη μελέτη, που υποβλήθηκαν σε παρόμοιες χειρουργικές επεμβάσεις, ενθαρρύνθηκαν να επιχειρήσουν ή να οραματιστούν μοτίβα επιθυμητών κινήσεων του χεριού, του χεριού και των δακτύλων. Τα προκύπτοντα νευρικά σήματα από τον κινητικό φλοιό εξήχθησαν ηλεκτρονικά από τις ενσωματωμένες συσκευές εγγραφής, μεταδόθηκαν σε έναν υπολογιστή και μεταφράστηκαν από τους αλγόριθμους του Shenoy σε εντολές που κατευθύνουν έναν δρομέα σε ένα πληκτρολόγιο οθόνης σε χαρακτήρες που καθορίζονται από τους συμμετέχοντες.

Η γρήγορη καφέ αλεπού…

Οι ερευνητές μέτρησαν τις ταχύτητες με τις οποίες οι ασθενείς ήταν σε θέση να αντιγράψουν σωστά φράσεις και προτάσεις - για παράδειγμα, «Η γρήγορη καφέ αλεπού πήδηξε πάνω από τον τεμπέληκο σκύλο». Τα μέσα ποσοστά ήταν 7.8 λέξεις ανά λεπτό για τον Degray και 6.3 και 2.7 λέξεις ανά λεπτό, αντίστοιχα, για τους άλλους δύο συμμετέχοντες.

Το ερευνητικό σύστημα που χρησιμοποιήθηκε στη μελέτη, μια ενδοφλοιώδης διεπαφή εγκεφάλου-υπολογιστή που ονομάζεται σύστημα νευρωνικής διεπαφής BrainGate, αντιπροσωπεύει τη νεότερη γενιά BCI. Οι προηγούμενες γενιές έπαιρναν σήματα πρώτα μέσω ηλεκτρικών καλωδίων που τοποθετούνταν στο τριχωτό της κεφαλής και στη συνέχεια τοποθετήθηκαν χειρουργικά στην επιφάνεια του εγκεφάλου κάτω από το κρανίο.

Ένας ενδοφλοιώδης BCI χρησιμοποιεί ένα μικροσκοπικό τσιπ πυριτίου, λίγο περισσότερο από το ένα έκτο της ίντσας, από το οποίο προεξέχουν 100 ηλεκτρόδια που διεισδύουν στον εγκέφαλο σε πάχος περίπου ενός τετάρτου και επηρεάζουν την ηλεκτρική δραστηριότητα μεμονωμένων νευρικών κυττάρων στον κινητικό φλοιό.

Ο Henderson παρομοίασε τη βελτιωμένη ανάλυση της νευρικής ανίχνευσης που προκύπτει, σε σύγκριση με αυτή των BCI παλαιότερης γενιάς, με αυτή της διανομής χειροκροτημάτων σε μεμονωμένα μέλη ενός κοινού στούντιο αντί να τα τοποθετείτε απλώς στην οροφή, «έτσι μπορείτε να καταλάβετε πόσο δύσκολο και πόσο γρήγορα κάθε άτομο στο κοινό χειροκροτεί».

24/7 ασύρματο σύστημα

Θα έρθει η μέρα —πιο κοντά σε πέντε από 10 χρόνια από τώρα, προβλέπει ο Shenoy— όταν ένα αυτο-βαθμονόμηση, πλήρως εμφυτευμένο ασύρματο σύστημα θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί χωρίς τη βοήθεια του φροντιστή, χωρίς κοσμητικό αντίκτυπο. και μπορεί να χρησιμοποιηθεί όλο το εικοσιτετράωρο.

«Δεν βλέπω ανυπέρβλητες προκλήσεις», λέει. «Γνωρίζουμε τα βήματα που πρέπει να κάνουμε για να φτάσουμε εκεί».

Ο Degray, ο οποίος συνεχίζει να συμμετέχει ενεργά στην έρευνα, ήξερε πώς να πληκτρολογεί πριν από το ατύχημά του, αλλά δεν ήταν ειδικός σε αυτό. Περιέγραψε την ικανότητά του που αποκαλύφθηκε πρόσφατα στη γλώσσα ενός λάτρη των βιντεοπαιχνιδιών.

«Είναι σαν ένα από τα πιο ωραία βιντεοπαιχνίδια με τα οποία έχω παίξει ποτέ», λέει. «Και δεν χρειάζεται να βάλω ούτε ένα τέταρτο».

Η ερευνητική βοηθός του Στάνφορντ, Christine Blabe, είναι επίσης συν-συγγραφέας της μελέτης, όπως και οι ερευνητές του BrainGate από το Γενικό Νοσοκομείο της Μασαχουσέτης και το Πανεπιστήμιο Case Western.

Η χρηματοδότηση προήλθε από τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας, το Γραφείο Μεταδιδακτορικών Υποθέσεων του Στάνφορντ, το Ίδρυμα Craig H. Neilsen, το Stanford Medical Scientist Training Program, το Stanford BioX-NeuroVentures, το Stanford Institute for Neuro-Innovation and Translational Neuroscience, το Stanford Neuroscience Institute , Larry και Pamela Garlick, Samuel και Betsy Reeves, το Ιατρικό Ινστιτούτο Howard Hughes, το Υπουργείο Υποθέσεων Βετεράνων των ΗΠΑ, το Ινστιτούτο MGH-Dean για Ολοκληρωμένη Έρευνα για την Κολπική Μαρμαρυγή και το Εγκεφαλικό και το Γενικό Νοσοκομείο της Μασαχουσέτης.

Το Γραφείο Τεχνολογίας του Στάνφορντ κατέχει πνευματική ιδιοκτησία σχετικά με τις προόδους μηχανικής που σχετίζονται με το διαφλοιώδες BCI που έγιναν στο εργαστήριο του Shenoy.

{youtube}9oka8hqsOzg{/youtube}

Πηγή: Bruce Goldman for Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ

Σχετικά βιβλία

at InnerSelf Market και Amazon