Minčių skaitymas atliekant ultragarsinį tyrimą. Nauja „Caltech“ smegenų ir mašinos sąsaja

Paskola: „Caltech“

Minimaliai invazinės smegenų ketinimų iššifravimo technikos

Kas nutiks jūsų smegenims naršant šiame puslapyje? Kitaip tariant, kurios jūsų smegenų sritys yra aktyvios, kurie neuronai kalba su kitais ir kokius signalus jie siunčia jūsų raumenims?

Neuronų aktyvumo ir elgesio suderinimas yra pagrindinis neurologų, kuriančių smegenų mašinos sąsajas (KMI), tikslas. Prietaisai, kurie skaito և interpretuoja smegenų veiklą և, perduoda instrukcijas į kompiuterį ar mašiną. Nors tai gali atrodyti kaip mokslinė fantastika, esami KMI gali, pavyzdžiui, susieti paralyžiuotą asmenį su robotu. Prietaisas aiškina žmogaus nervinę veiklą ir ketinimus, atitinkamai judindamas robotą.

Pagrindinis KMI vystymosi apribojimas yra tas, kad norint nuskaityti nervų veiklą, prietaisams reikalinga invazinė smegenų operacija. Bet dabar „Caltech“ bendradarbiavo kurdama naujo tipo minimaliai invazinį KMI, kad būtų galima skaityti smegenų veiklą pagal judėjimo planavimą. Naudodamas funkcinę ultragarso (fUS) technologiją, jis gali tiksliai atvaizduoti smegenų gylį iš tikslių regionų 100 mikrometrų (maždaug 10 mikrometrų vienam neuronui) skiriamąja geba.

Naujoji fUS technologija yra raktas į rimtai invazinį, bet vis tiek labai pajėgų KMI.

Laivai nežmoginių primatų smegenyse

Informacija apie primatų smegenų indus, paimtus funkciniu ultragarsu. Paskola yra S. Normanas:

„Invazines smegenų ir mašinos sąsajų formas dabar galima grąžinti tiems, kurie jas prarado dėl neurologinių sužeidimų ar ligų“, – sakė Samneris Normanas, naujo postdoktorantūros tyrimo „Andersen Labs“ bendraautorius. Deja, tik nedaugelis sunkiausiai paralyžiuotų asmenų turi teisę norėti, kad jų smegenyse būtų elektrodai. Funkcinis ultragarsas yra nepaprastai įdomus detalus smegenų veiklos registravimo būdas, nepažeidžiant smegenų audinio. Pakėlėme ultragarso nervų vaizdavimo kartelę, džiaugėmės, kad tai gali nuspėti judėjimą. Įdomiausia tai, kad „fUS“ yra jauna technologija, turinti didžiulį potencialą. “Tai tik pirmas mūsų žingsnis, siekiant didesnių, mažiau invazinių KMI daugiau žmonių”.

Naujas tyrimas yra Richardo Anderseno, neuromokslų ir lyderystės katedros profesoriaus Richardo Ameso G. bendradarbiavimas. Bendradarbiavimas laboratorijose Caltech Tianqiao Tianqiao ոս Chrissy Chen smegenų mašinų sąsajos centre Boste ;; : Michailas Shapiro, chemijos inžinerijos profesorius քնն paveldo tyrimų instituto tyrėjas. Shapiro yra fakulteto, priklausančio Čeno institutui, narys.

Darbą apibūdinantis dokumentas pasirodo žurnale Neuronas 2021 m. Kovo 22 d.

Apskritai, visi smegenų aktyvumo matavimo prietaisai turi defektų. Implantuoti elektrodai (elektrofiziologija) gali labai tiksliai išmatuoti aktyvumą pavienių neuronų lygmenyje, tačiau jiems tikrai reikia implantuoti šiuos elektrodus į smegenis. Neinvaziniai metodai, tokie kaip funkcinis magnetinio rezonanso tyrimas (fMRI), gali atvaizduoti visas smegenis, tačiau jiems reikalingos didelės, brangios mašinos. Elektroencefalografija (EK) nereikalauja operacijos, ji gali matuoti aktyvumą tik esant mažai erdvinei raiškai.

Ultragarso tyrimas veikia skleidžiant aukšto dažnio garso impulsus, matuojant, kaip šios garso vibracijos reaguoja į medžiagą, taip pat į įvairius žmogaus kūno audinius. Per šio tipo audinius garsas sklinda skirtingu greičiu, atsispindėdamas jų ribose. Ši technika dažniausiai naudojama piešiant vaisių paveikslėlius įsčioseև Kitiems diagnostiniams vaizdams.

Ultragarsas taip pat gali „išgirsti“ vidinį organų judėjimą. Pavyzdžiui, raudonieji kraujo kūneliai, kaip ir pravažiuojanti greitoji pagalba, artėjant prie ultragarso bangų šaltinio, padidės aukštyje, o jų nuotėkis sumažės. Išmatavę šį reiškinį mokslininkai galėjo užfiksuoti nedidelius smegenų kraujotakos pokyčius iki 100 mikrometrų (pagal žmogaus plaukų pločio skalę).

„Kai suaktyvėja smegenų dalis, padidėja kraujotaka toje srityje. Pagrindinis šio darbo klausimas buvo toks. Jei turime tokią techniką kaip funkcinis ultragarsas, kuris mums suteikia didelės raiškos kraujo tekėjimo į smegenis dinamikos per erdvę և vaizdus laikui bėgant, ar šiame aprašyme yra pakankamai informacijos, kad būtų galima iššifruoti kažką naudingo elgesio? Šapiro sako. „Atsakymas yra teigiamas. Taikant šią metodiką buvo gauti išsamūs nervų impulsų dinamikos vaizdai mūsų tiksliniame regione, kurių nebuvo galima pamatyti naudojant kitas neinvazines technikas, tokias kaip fMRI. Mes pasiekėme išsamumo požiūrį į elektrofiziologiją, tačiau atlikome daug mažiau invazinę procedūrą “.

Bendradarbiavimas prasidėjo, kai Shapiro pakvietė Michaelą Tanterį, funkcinio ultragarso pradininką տնօրեն Fizikos fizikos direktorių Paryžiuje (ESPCI Paris Sciences et Lettres University, Inserm, CNRS), dalyvauti seminare Caltech 2015 m. Vasilios Christopoulos, buvęs Anderseno laboratorijos absolventas (dabar UC „Riverside“ asistentas), dalyvavo pokalbyje ir pasiūlė bendradarbiauti. Tada Shapiro, Andersenas և Tanteris iš NIH BRAIN iniciatyvos gavo dotaciją tęsti savo tyrimus. „Caltech“ vadovavo Normanas, Davidas Maresca (dabar Delfto technologijos universiteto padėjėjas) հետ Christopoulos, buvęs Shapiro laboratorijos doktorantas. Kartu su Normanu Maresca և Christopoulos yra naujojo tyrimo bendraautorė.

Ši technologija buvo sukurta padedant nežmoginiams primatams, kurie buvo išmokyti atlikti paprastas užduotis, kurios apima akių ar rankų judėjimą tam tikromis kryptimis, kai jie atspindi tam tikrus signalus. Kai primatai atliko užduotis, fUS matavo smegenų aktyvumą užpakalinėje parietalinėje žievėje (PPC) – smegenų regione, kuriame planuojamas judėjimas. Anderseno laboratorija dešimtmečius tyrė PPC ir anksčiau kartojo smegenų veiklą elektrofiziologiniame regione. Norėdami ratifikuoti: tikslumas: FUS tyrėjai palygino smegenų vaizdavimo veiklą su išsamiais anksčiau iš fUS gautais elektrofiziologiniais duomenimis.

Toliau, remiama „Caltech T&C Chen Brain – Machine Interface Center“, komanda siekė išsiaiškinti, ar fUS pagrindu sukurti vaizdo pakeitimai galėtų būti naudojami iššifruoti nežmoginių primatų ketinimus dar prieš jį pradedant. judėjimas: Ultragarso vaizdavimo duomenys և atitinkamos užduotys yra apdorojamos միջոցով naudojant mašininio mokymosi algoritmą, kuris sužino, kurios smegenų dalys yra susijusios su užduotimis. Po algoritmo treniruotės jam buvo pateikti ultragarso duomenys, realiuoju laiku surinkti iš nežmoginių primatų.

Per kelias sekundes algoritmas numatė, kokį elgesį nežmoginis primatas ketina atlikti (akių judesys ar pasiekiamumas), judėjimo kryptį (kairė ar dešinė) ir kada jie ketina atlikti judesį.

„Pirmasis įvykis turėjo parodyti, kad ultragarsas gali užfiksuoti smegenų signalus, susijusius su fizinio aktyvumo planavimo idėja“, – sakė ultragarso vizualizavimo srityje dirbanti Mareska. „Funkcinis ultragarsinis vaizdavimas sugeba įrašyti šiuos signalus 10 kartų didesniu jautrumu ir geresne skiriamąja geba nei funkcinis MRT. “Šis atradimas yra smegenų ir mašinos sąveikos, pagrįstos funkciniu ultragarsu, sėkmės pagrindas”.

„Dabartinėse didelės skiriamosios gebos smegenų ir mašinos sąsajose naudojamos elektrodų masės, kurioms reikalinga smegenų operacija, apimanti kaukolės atidarymą, stiprią pluoštinę smegenų membraną ir elektrodų įterpimą į smegenis. Tačiau ultragarso signalai gali per diurezę pass neinvaziškai patekti į smegenis. Į kaukolę reikia įkišti tik mažą, ultragarsu permatomą langą. „Ši operacija yra žymiai mažiau invazinė nei reikalinga elektrodams implantuoti“, – sako Andersenas.

Nors šis tyrimas buvo atliktas su nežmoginiais primatais, jis buvo atliktas bendradarbiaujant su neurochirurgu dr. Charlesu Liu. USC:, studijuoti technologiją su savanoriais žmonėmis, kuriems buvo pašalinta kaukolė dėl galvos smegenų traumos. Kadangi ultragarso bangos gali praeiti pro šiuos „akustinius langus“ nepažeidžiamus, bus galima ištirti, kaip funkcinis ultragarsas gali išmatuoti ir interpretuoti šių asmenų smegenų veiklą.

Nuoroda. Samner L. Normanas, Davidas Maresca, Vasiliosas N. Christopoulos, Whitney S. Griggs, Charlie Demene, Michaelas Tanteris, Michaelas G. Šapiro և Richardas A. Andersenas, „Bandomasis judesio ketinimų aiškinimas naudojant funkcinį ultragarsinį neuroninį vaizdą“, 2021 m. Kovo 22 d. Neuronas,
DOI: 10.1016 / j.neuron.2021.03.003:

Straipsnio pavadinimas yra „Bandomasis judesio ketinimų aiškinimas naudojant funkcinį ultragarso nervų vaizdavimą“. Papildomi bendraautoriai yra Whitney Griegs, „Caltech“ doktorantė Paryžiaus biomedicinos ultragarsu, Charlie Demenenas iš et ir Lettres universiteto Paryžiuje, INSERM technologijų tyrimų greitintuvas biomedicinos ultragarsu. Finansavimas buvo skirtas „Della Martin“ podoktorantūros stažuotei, tarpdisciplininei „Human Borders“ stipendijai, UCLA – Caltech medicinos mokslų programai, Nacionalinių sveikatos institutų BRAIN iniciatyvai, Tianqiao և Chrissy Chen smegenų – mašinų sąsajos fondo tyrimų centrui, paveldo medicinos Centras.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Pasiutligė neužkrėstų smegenų, tačiau vis tiek kenčia nuo stiprių nervų pažeidimų.

Koronavirusas II su sunkiais kvėpavimo takų simptomais, Virusas, sukeliantis COVID 19Vargu ar jis bus tiesiogiai perduodamas į smegenis, tačiau vis tiek gali sukelti sisteminę...

Mokslas yra paprastas. Kas yra kvantinis skaičiavimas?

Nuo JAV energetikos departamentas 2021 m. Balandžio 21 d Lawrence'o Berkeley nacionalinė laboratorija DOE naudoja pažangią aušinimo sistemą - uolekčių, kad kvantinių kompiuterių širdis būtų pakankamai...

Kaip paukštis kvėpuoja geriau? Tyrėjų išvados

Apytikslis „apvalios viščiuko“ su paukščio plaučiais skaičius parodė, kad įkvėpus oro judėjimas pirmyn ir atgal. Kaip iškvėpimai (mėlynos rodyklės) ir iškvėpimai (raudoni) sukelia...

Kalnų gorilos gali naudoti krūtinę, kad perduotų informaciją apie save

Vyriškos gorilos krūtis muša. Autoriai: Jordi Galbany / Diano Fossey Gorilla fondas Skrynios, nukentėjusios nuo kalnų gorilų, kurios greitai muša krūtinę rankomis, kad skambėtų...

Paprastas mokslas: kas yra biokuras?

Parengta JAV energetikos departamentas 2021 m. Balandžio 20 d Mokslininkai fermentavo mieles, kad iš augalų cukrus virstų biodyzelinu. Kreditas: Nuotrauka mandagumo Stephanopoulos Lab Saulės, vėjo ir...

Newsletter

Subscribe to stay updated.