Citirea minții cu ultrasunete: noua interfață creier-mașină a lui Caltech

Credit: Caltech

O tehnică mai puțin invazivă pentru a descifra intențiile creierului

Ce se întâmplă în creierul tău în timp ce treci prin acest site? Cu alte cuvinte, ce zone ale creierului dvs. sunt active, ce neuroni vorbesc cu ceilalți și ce semnale vă trimit către mușchii dvs.?

Proiectarea activității neuronale în comportamente relevante este un obiectiv cheie pentru neurologii care dezvoltă interfețe creier-mașină (IMC): dispozitive care citesc și interpretează activitatea creierului și transmit instrucțiuni către un computer sau mașină. Deși acest lucru poate părea ficțiune științifică, IMC-urile existente pot, de exemplu, să lege o persoană paralizată de un braț robot; dispozitivul interpretează activitatea nervoasă și obiectivele persoanei și mută temporar brațul robot.

O limitare majoră la dezvoltarea IMC este că dispozitivele necesită o intervenție chirurgicală invazivă pe creier pentru a citi activitatea nervoasă. Dar acum, o colaborare la Caltech a dezvoltat un nou tip de IMC minim invaziv pentru a citi activitatea creierului care corespunde planificării mișcării. Folosind tehnologia cu ultrasunete funcționale (fUS), poate stabili cu precizie activitatea creierului din regiuni precise din adâncul creierului la o rezoluție de 100 micrometri (dimensiunea unui singur neuron este de aproximativ 10 micrometri).

Noua tehnologie fUS este un pas important în crearea IMC-urilor mai puțin invazive, dar totuși foarte capabile.

Vasculatura în creierul primar neuman

Detalii despre vasculatură în creierul primar non-uman, imagistică utilizând ultrasunete funcționale. Credit: S. Norman

„Formele invazive de interfețe creier-mașină pot întoarce acum mișcarea celor care au pierdut-o din cauza afectării neurologice sau a bolii”, spune Sumner Norman, un coleg postdoctoral la Andersen Laboratory și coautor al noului studiu. „Din păcate, doar câțiva selectați cu paralizie mai severă sunt eligibili și sunt dispuși să producă electrozi implantați în creierul lor. Ecografia funcțională este o nouă metodă incredibil de interesantă pentru a înregistra activitatea creierului detaliată fără a deteriora țesutul cerebral. pentru a putea prezice mișcarea. Ceea ce este mai interesant este că fUS este o tehnică nouă cu un potențial mare – acesta este doar primul nostru pas pentru a aduce IMC performant, mai puțin invaziv la mai mulți oameni. “

Noul studiu este o colaborare între laboratoarele lui Richard Andersen, James G. Boswell profesor de neuroștiințe și președinte de conducere și director al Centrului de interfață creier-mașină din Tianqiao și Chrissy Chen din Tianqiao și Institutul de neuroștiințe Chrissy Chen din Caltech ; și Mikhail Shapiro, profesor de inginerie chimică și investigator la Heritage Medical Research Institute. Shapiro este membru al facultății asociate la Institutul Chen.

În jurnal apare un ziar care descrie lucrarea neuron pe 22 martie 2021.

În general, toate instrumentele de măsurare a activității creierului sunt defecte. Electrozii implantați (electrofiziologie) pot măsura activitatea foarte precis la nivelul neuronilor singuri, dar, desigur, necesită implantarea acestor electrozi în creier. Tehnicile neinvazive, cum ar fi imagistica prin rezonanță magnetică funcțională (RMN) pot imagina întregul creier, dar necesită mașini mari și costisitoare. Electroencefalografia (EEG) nu necesită intervenție chirurgicală, dar poate măsura doar activitatea cu rezoluție spațială redusă.

Ultrasunetele funcționează prin emiterea de impulsuri sonore de înaltă frecvență și măsurarea modului în care vibrațiile acustice sunt ecologice în întreaga substanță, cum ar fi diferitele țesuturi ale corpului uman. Sunetul se deplasează la viteze diferite prin aceste tipuri de țesuturi și se reflectă asupra granițelor dintre ele. Această tehnică este utilizată în mod obișnuit pentru a face imagini ale unui făt în uterși pentru alte imagini de diagnostic.

Ecografia poate „auzi” și mișcarea internă a organelor. De exemplu, celulele roșii din sânge, ca o ambulanță care trece, vor crește în înălțime pe măsură ce se apropie de sursa undelor ultrasunete și vor scădea pe măsură ce pleacă. Măsurarea acestui fenomen a permis cercetătorilor să înregistreze mici modificări ale fluxului sanguin al creierului până la 100 micrometri (pe scara lățimii părului uman).

„Când o parte a creierului devine mai activă, există o creștere a fluxului de sânge în zonă. O întrebare cheie în această lucrare a fost: Dacă avem o tehnică precum ultrasunetele funcționale care ne oferă imagini de înaltă rezoluție ale dinamicii fluxului de sânge al creierului în spațiu și în timp, există suficiente informații din acea imagine pentru a descifra ceva util pentru comportament? “Răspunsul este da”, spune Shapiro. “Această tehnică a produs imagini detaliate ale dinamicii semnalelor nervoase din regiunea noastră țintă, care nu au putut fi văzute cu alte tehnici neinvazive, cum ar fi RMN. Am produs un nivel de detaliu care se apropie de electrofiziologie.” , dar cu o procedură mult mai puțin invazivă. “

Colaborarea a început atunci când Shapiro l-a invitat pe Mickael Tanter, un pionier ecografic funcțional și director al Fizicii pentru Medicină Paris (ESPCI Paris Sciences et Lettres University, Inserm, CNRS), să susțină un seminar la Caltech în 2015. Vasileios Christopoulos, un fost laborator din Andersen cercetător postdoctoral (acum profesor asistent la UC Riverside), a participat la curs și a propus o colaborare. Shapiro, Andersen și Tanter au primit apoi o subvenție NIH Initiative BRAIN pentru a continua cercetarea. Lucrarea la Caltech a fost condusă de Norman, fost coleg post-doctoral al Laboratorului Shapiro David Maresca (acum profesor asistent la Universitatea de Tehnologie Delft) și Christopoulos. Alături de Norman, Maresca și Christopoulos sunt primii autori ai noului studiu.

Tehnologia a fost dezvoltată cu ajutorul primatelor neumane, care au fost învățați să facă sarcini simple care implicau deplasarea ochilor sau aripilor în anumite direcții atunci când li se prezintă anumite semne. Pe măsură ce primatele au îndeplinit sarcinile, fUS a măsurat activitatea creierului în cortexul parietal posterior (PPC), o regiune a creierului implicată în planificarea mișcării. Laboratorul Andersen a studiat PPC de zeci de ani și a creat anterior hărți ale activității creierului în regiune folosind electrofiziologie. A dovedi precizie din fUS, cercetătorii au comparat activitatea de imagistică a creierului din fUS cu datele detaliate de electrofiziologie obținute anterior.

Mai mult, prin sprijinul T&C Chen Brain – Machine Interface Center de la Caltech, echipa a urmărit să vadă dacă modificările dependente de activitate ale imaginilor fUS pot fi folosite pentru a descifra intențiile primatelor neumane, chiar înainte de începerea unei mișcări. Datele imagistice cu ultrasunete și sarcinile aferente au fost apoi procesate de un algoritm de învățare automată, care a aflat ce tipare de activitate cerebrală au fost asociate cu ce sarcini. După ce algoritmul a fost instruit, acesta a fost prezentat cu date cu ultrasunete colectate în timp real de la primate neumane.

Algoritmul a prezis, în câteva secunde, ce comportament ar avea primatul neuman (mișcarea ochilor sau atingerea), direcția mișcării (stânga sau dreapta) și când au planificat să facă mișcarea.

„Prima monedă a fost să arate că ultrasunetele ar putea capta semnale cerebrale despre gândul de a planifica o mișcare fizică”, spune Maresca, care are expertiză în imagistica cu ultrasunete. „Imaginea cu ultrasunete funcțională reușește să înregistreze aceste semnale cu o sensibilitate și rezoluție de 10 ori mai mare decât RMN-ul funcțional. Această descoperire se află la baza succesului interacțiunii creier-mașină bazată pe ultrasunete funcționale. ”

„Interfațele actuale ale mașinilor de înaltă rezoluție utilizează matrici de electrozi care necesită o intervenție chirurgicală pe creier, care includ deschiderea durei, o membrană fibroasă puternică între craniu și creier și plasarea electrozilor direct pe creier.” Dar semnalele cu ultrasunete pot trece prin dură și creier neinvaziv. Doar o fereastră mică cu ultrasunete transparentă ar trebui să fie plantată în craniu; „Această operație este semnificativ mai puțin invazivă decât ceea ce este necesar pentru implantarea electrodului”, spune Andersen.

Deși această cercetare a fost efectuată pe primate neumane, o colaborare este în curs cu doctorii. Charles Liu, neurochirurg la USC, pentru a studia tehnologia cu voluntari umani cărora li s-a îndepărtat craniul din cauza leziunilor traumatice ale creierului. Deoarece undele cu ultrasunete pot trece intacte prin aceste “ferestre acustice”, va fi posibil să se studieze cât de bine ultrasunetele funcționale pot măsura și descifra activitatea creierului la acești indivizi.

Referință: „Decodarea obiectivelor de mișcare folosind o singură ultrasunete folosind ultrasunete funcționale” de Sumner L. Norman, David Maresca, Vassilios N. Christopoulos, Whitney S. Griggs, Charlie Demene, Mickael Tanter, Mikhail G. Shapiro și Richard A. Andersen, 22 Martie 2021, neuron.
DOI: 10.1016 / j.neuron.2021.03.003

Lucrarea este intitulată „Decodarea cu un singur test a obiectivelor de mișcare folosind imagistica funcțională cu ultrasunete”. Coautori suplimentari sunt Whitney Griggs și Charlie Demene, absolvent al Caltech, de la Universitatea din Paris Science et Lettres și acceleratorul de cercetare tehnologică INSERM în ultrasunete biomedicale din Paris, Franța. Finanțarea a fost asigurată de o bursă postdoctorală Della Martin, o bursă interdisciplinară pentru știința frontierei umane, programul de formare în științe medicale UCLA – Caltech, Institutul Național de Inițiativă pentru Creierul Sănătății, Centrul de Interfață Tianqiao și Chrissy Frain, Boswell și Institutul de Cercetare Medicală Heritage.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Nanofibrele centrifugale multifuncționale pun un nou efect asupra măștilor COVID-19

Figura (A) Ilustrația schematică a procesului de producție a nanofibrelor polimerului centrifug polimer multispinning. (B) Nanofibrele polimerice sunt rotite de sistem. O...

Arheologii găsesc dovezi din monumentele de câini domestici din Peninsula Arabică Antică

Situat în regiunea tărâmurilor Alula, în nord-vestul Arabiei Saudite, acest cimitir este acum rar construit pe pământ pentru Arabia Neolitică-Calcolitică și este un ajutor...

Pe măsură ce straturile de gheață s-au topit, nivelul mării a crescut până la 18 metri

Se știe că creșterea nivelului mării datorită schimbărilor climatice este o amenințare majoră. Noile cercetări au arătat că evenimentele anterioare de pierdere a...

Oamenii de știință identifică genele umane care luptă împotriva infecției cu SARS-CoV-2

Vedere microscopică a coronavirusului. Credit: Yeti punctat Cercetările indică controlul genelor care stimulează interferonul SARS-CoV-2 Copie Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebis au...

Noua tehnică „Mașina timpului” dezvăluită pentru măsurarea celulei

Celulele dendritice (roșii / verzi co-colorate) într-un folicul limfoid (fragment de peyer) drenează intestinul (albastru). Credit: Wang Cao și Shengbo Zhang, WEHI Utilizând o...

Newsletter

Subscribe to stay updated.