Pagbabasa ng Ultrasonic Mind: Bagong Utak at Machine Interface ng Caltech

Kredito: Caltech

Isang hindi gaanong nagsasalakay na pamamaraan para sa pag-decipher ng mga intensyon sa utak

Ano ang nangyayari sa iyong utak kapag binago mo ang pahinang ito? Sa madaling salita, aling mga lugar ng iyong utak ang aktibo, kung aling mga neuron ang nakikipag-usap sa kung aling iba, at anong mga senyas ang ipinapadala nila sa iyong mga kalamnan?

Ang pagtutugma ng aktibidad ng neural sa naaangkop na pag-uugali ay isang pangunahing layunin ng mga neurologist na bumuo ng mga interface ng utak-machine (BMI): mga aparato na nagbabasa at nagpapakahulugan ng aktibidad ng utak at nagpapadala ng mga tagubilin sa isang computer o machine. Habang ito ay maaaring parang science fiction, ang mga umiiral na BMI ay maaaring, halimbawa, pagsamahin ang paralisado sa robotic arm; binibigyang kahulugan ng aparato ang aktibidad ng nerbiyos at hangarin ng tao at naaayon sa paggalaw ng robotic arm.

Ang pangunahing limitasyon para sa pagpapaunlad ng BMI ay ang mga aparato na nangangailangan ng nagsasalakay na operasyon sa utak upang mabasa ang aktibidad ng neural. Ngunit ngayon ang pakikipagtulungan sa Caltech ay nakabuo ng isang bagong uri ng minimal na nagsasalakay na BMI upang mabasa ang aktibidad ng utak na naaayon sa pagpaplano ng paggalaw. Gamit ang teknolohiyang functional ultrasound (fUS), maaari itong tumpak na mapa ang aktibidad ng utak mula sa mga tumpak na lugar na malalim sa utak, na may resolusyon na 100 micrometers (ang laki ng isang neuron ay humigit-kumulang 10 micrometers).

Ang bagong teknolohiya ng fUS ay isang mahalagang hakbang sa paglikha ng hindi gaanong nagsasalakay ngunit lubos na may kakayahang mga BMI.

Vasculature sa utak ng panganay

Ang mga detalye ng vaskular system ng utak ng mga di-tao na primata ay napansin gamit ang pagganap na ultrasound. May-akda: S. Norman

“Ang mga nagsasalakay na anyo ng mga interface ng utak-makina ay maaring ibalik ang paggalaw sa mga nawala dito dahil sa isang pinsala sa neurological o karamdaman,” sabi ni Sumner Norman, isang mananaliksik ng doktor sa lab ng Andersen at kapwa may-akda ng bagong pag-aaral. “Sa kasamaang palad, iilan lamang sa piling may malubhang pagkalumpo ang makakatanggap ng pagtatanim ng elektrod sa utak. Ang functional ultrasound ay isang hindi kapani-paniwalang kapanapanabik na bagong pamamaraan upang maitala ang detalyadong aktibidad ng utak nang hindi nakakasira sa tisyu ng utak. Itinulak namin ang mga hangganan ng ultrasound neuroimaging at nasasabik kami na mahuhulaan nito ang paggalaw. Ang pinaka-kapanapanabik na bagay ay ang fUS ay isang batang diskarteng may malaking potensyal – ito lamang ang aming unang hakbang sa paghahatid ng mataas na pagganap na hindi gaanong nagsasalakay ng BMI sa maraming tao. “

Ang bagong pag-aaral ay isang pakikipagtulungan sa pagitan ng mga laboratoryo ni Richard Andersen, isang propesor sa Kagawaran ng Neurology at ng Kagawaran ng Pamumuno na si James G. Boswell, direktor ng Tianqiao Brain at Machine Interface Center at Chris Chen sa Tianqiao at Chris Chen Institute of Neurology sa Caltechtech; at Mikhail Shapira, propesor ng engineering sa kemikal at mananaliksik sa Medical Heritage Research Institute. Si Shapiro ay isang miyembro ng staff ng pagtuturo ng Chen Institute.

Ang isang papel na naglalarawan sa trabaho ay lilitaw sa journal Neuron Marso 22, 2021.

Sa pangkalahatan, ang lahat ng mga instrumento para sa pagsukat ng aktibidad sa utak ay may mga sagabal. Ang mga nakatanim na electrode (electrophysiology) ay maaaring tumpak na masukat ang aktibidad sa antas ng mga solong neuron, ngunit syempre kinakailangan ng pagtatanim ng mga electrode na ito sa utak. Ang mga diskarte na hindi nagsasalakay, tulad ng pagganap na magnetic resonance imaging (fMRI), ay maaaring makita ang buong utak, ngunit nangangailangan ng masalimuot at mamahaling machine. Ang electroencephalography (EEG) ay hindi nangangailangan ng operasyon, ngunit maaaring masukat ang aktibidad lamang sa mababang resolusyon ng spatial.

Gumagana ang ultrasound sa pamamagitan ng paglabas ng mga pulso ng tunog na may mataas na dalas at pagsukat kung paano nakakaapekto ang mga tunog na panginginig ng tunog sa bagay, tulad ng iba’t ibang mga tisyu ng katawan ng tao. Ang tunog ay gumagalaw sa iba’t ibang mga bilis sa pamamagitan ng mga uri ng tisyu at makikita sa mga hangganan sa pagitan nila. Ang pamamaraan na ito ay karaniwang ginagamit upang kunan ng larawan ang fetus intrauterineat para sa iba pang mga imaheng diagnostic.

Maaari ring “marinig” ng ultrasound ang panloob na paggalaw ng mga organo. Halimbawa, ang mga pulang selula ng dugo, tulad ng isang ambulansiya, ay tataas ang tunog habang papalapit ka sa pinagmulan ng mga ultrasound wave at babawasan habang umaagos ka. Ang pagsukat ng kababalaghang ito ay pinayagan ang mga mananaliksik na itala ang maliliit na pagbabago sa daloy ng dugo sa utak hanggang sa 100 micrometers (sa isang sukat ng lapad ng buhok ng tao).

“Bilang bahagi ng utak na naging mas aktibo, dumadaloy ang dugo sa lugar na iyon. Ang pangunahing tanong sa gawaing ito ay: kung mayroon kaming pamamaraan tulad ng pagganap na ultrasound na nagbibigay sa amin ng mga imahe ng dynamics ng tserebral na daloy ng dugo sa espasyo at sa paglipas ng panahon, sapat na ba ang visualization ng impormasyon na ito upang maunawaan ang isang bagay na kapaki-pakinabang sa pag-uugali? “- sabi ni Shapiro.” Ang sagot ay oo. Ang pamamaraang ito ay lumikha ng detalyadong mga imahe ng mga dinamika ng mga neural signal sa aming target na lugar na hindi makikita ng iba pang mga hindi nagsasalakay na pamamaraan tulad ng fMRI. Lumikha kami ng isang antas ng detalye na malapit sa electrophysiology ngunit may mas kaunting nagsasalakay na pamamaraan “.

Nagsimula ang pakikipagtulungan nang inanyayahan ni Shapiro si Michael Tanter, isang tagapanguna ng pagsasaliksik sa ultrasound na ginagamit at direktor ng pisika para sa gamot sa Paris (ESPCI Paris Science et Lettres University, Inserm, CNRS), upang magsalita sa isang seminar sa Caltech noong 2015. Si Vasileios Christopoulos, isang dating estudyante ng doktor sa Andersen (ngayon ay isang associate professor sa UC Riverside), ay dumalo sa panayam at inalok na makipagtulungan. Sina Shapiro, Andersen at Tanter pagkatapos ay nakatanggap ng isang bigay mula sa NIH BRAIN Initiative upang magsagawa ng pagsasaliksik. Ang trabaho sa Caltech ay pinangasiwaan ni Norman, dating mananaliksik sa Shapiro Laboratory David Maresco (ngayon ay isang associate professor sa Delft University of Technology) at Christopoulos. Kasama sina Norman Maresca at Christopoulos ang mga unang may-akda ng bagong pag-aaral.

Ang teknolohiya ay binuo gamit ang di-tao primata, na kung saan ay tinuro upang magsagawa ng mga simpleng gawain na kasangkot sa paglipat ng kanilang mga mata o kamay sa ilang mga direksyon kapag ipinakita sa ilang mga senyas. Kapag isinagawa ng mga primata ang mga gawain, sinukat ng fUS ang aktibidad ng utak sa posterior parietal cortex (PRC), isang lugar ng utak na kasangkot sa pagpaplano ng paggalaw. Ang lab ng Andersen ay nag-aaral ng mga PPC sa mga dekada at dati nang lumikha ng mga mapa ng aktibidad ng utak sa rehiyon na gumagamit ng electrophysiology. Upang suriin kawastuhan fUS, inihambing ng mga mananaliksik ang nagpapahiwatig na aktibidad ng utak sa fUS na may dating nakuha na detalyadong data ng electrophysiological.

Dagdag dito, sa suporta ng T&C Chen Brain at Machine Interface Center sa Caltech, hangad ng koponan na subukan kung maaaring magamit ang mga pagbabago na nakasalalay sa aktibidad sa mga fUS na imahe upang ma-decode ang mga intensyon ng isang hindi primadyang primate bago simulan ang kilusan. Pagkatapos ang data ng imaging ultrasound at ang mga kaukulang gawain ay naproseso ng isang machine learning algorithm, na natutunan kung aling mga pattern ng aktibidad ng utak ang tumutugma sa aling mga gawain. Kapag nasanay ang algorithm, ipinakita ito sa data ng ultrasound na nakolekta sa real time mula sa mga hindi primerong tao.

Hinulaan ng algorithm nang ilang segundo kung anong mga pag-uugali ang isasagawa ng primadong tao (paggalaw ng mata o saklaw nito), direksyon ng paggalaw (kaliwa o kanan) at kung balak nilang gawin ang kilusang iyon.

“Ang unang milyahe ay upang ipakita na ang ultrasound ay maaaring makuha ang mga signal ng utak na nauugnay sa pag-iisip ng pagpaplano ng pisikal na paggalaw,” sabi ni Maresco, na may karanasan sa ultrasound. “Functional ultrasound imaging ay nagbibigay-daan sa iyo upang i-record ang mga signal na ito sa 10 beses na higit na pagiging sensitibo at mas mahusay na resolusyon kaysa sa functional MRI. Ang pagtuklas na ito ay nagpapahiwatig ng tagumpay ng mga pakikipag-ugnayan ng utak-machine batay sa pagganap na ultrasound. “

“Ang mga modernong interface ng utak-machine na may mataas na resolusyon ay gumagamit ng mga electrode arrays na nangangailangan ng interbensyon sa pag-opera sa utak, na nagsasangkot ng pagbubukas ng isang dura mater, isang malakas na fibrous membrane sa pagitan ng bungo at utak, at paglalagay ng mga electrode nang direkta sa utak. Ngunit ang mga signal ng ultrasound ay maaaring pumasa nang hindi nagbabagabag sa loob ng meninges at utak. Ang isang maliit, ultrasonically transparent window lang ang kailangang itanim sa bungo; ang operasyong ito ay mas mababa ang pagsalakay kaysa kinakailangan para sa pagtatanim ng elektrod, “sabi ni Andersen.

Bagaman ang pag-aaral na ito ay isinasagawa sa mga di-tao na primata, si Dr. Charles Liu, isang neurosurgeon kasama USCupang pag-aralan ang teknolohiya sa mga boluntaryo ng tao na may isang piraso ng bungo na tinanggal dahil sa isang pinsala sa utak. Dahil ang mga alon ng ultrasound ay maaaring pumasa sa buo sa mga “acoustic windows,” posible na pag-aralan kung paano masusukat at mababawas ng functional ultrasound ang aktibidad ng utak sa mga taong ito.

Sanggunian: “Pagtukoy sa mga intensyon ng paggalaw gamit ang functional ultrasound neuroimaging” Sumner L. Norman, David Mareska, Vasilios N. Christopoulos, Whitney S. Griggs, Charlie Demene, Michael Tanter, Michael G. Shapiro at Richard March 21 Andersen, 22., Neuron.
DOI: 10.1016 / j.neuron.2021.03.003

Ang ulat ay tinawag na “Mga Paglalagay ng Layunin sa Paggalaw Gamit ang Functional Ultrasound Neuroimaging.” Ang mga karagdagang co-author ay kasama ang mag-aaral na nagtapos sa Caltech na sina Whitney Griggs at Charlie Demene mula sa University of Paris at ang Letress Science at INSERM Technology Accelerator para sa Biomedical Ultrasound sa Paris, France. Ang pagpopondo ay ibinigay ng Della Martin Doctoral Fellowship, ang Human Frontiers Science Interdisciplinary Fellowship Program, ang UCLA-Caltech Medical Science Curriculum, ang BRAIN National Institute of Health Initiative, ang Tianqiao at Chrissy Chen Brain Machine Interface Center, at ang Bosue Inheritance Research Foundation .

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Ang lumalaking problema ng “malalim na heograpiya”

Ang maaaring mukhang isang imahe ng Tacoma ay talagang isang simulate na nilikha sa pamamagitan ng paglilipat ng mga biswal na imahe ng Beijing...

Bagong Milky Way Exterior Destroyers Bagong Sky Map ay Inilabas – Madilim na Mahalagang Mga Konsepto ay Maaaring Magbigay ng Bagong Eksperimento

Ang mga astronomo ay naglabas ng isang bagong celestial map ng Milky Way galaxy na pinakamalapit sa aming kalawakan. Kredito: NASA / JPL-Caltech...

Susunod na Generation Stable Pop-Up na Istraktura na inspirasyon ni Origami

Ni Harvard John A. Paulson School of Engineering at Applied Science Abril 22, 2021 Ang hindi masusunog na kanlungan na ito ay hindi natatakpan ng makapal...

Pinalitan ng DNA ang Y Chromosome na Nag-aambag ng Maikling Buhay na Buhay sa Mga Lipad ng Lalaki

Pagpapayaman ng Heterochromatin sa lahat ng mga chromosome. Immunofluorescence stain ng H3K9me3 sa male mitotic chromosome. Bar scale ay 50μm. Kredito:...

Pinapayagan ng mga polimer na kumakain ng polimer ang “biodegradable” na mga plastik na tunay na masusunog

Ang ginagamot na plastik (kaliwa) ay naghiwalay pagkatapos ng tatlong araw lamang sa karaniwang pag-aabono (kanan) at ganap na makalipas ang dalawang linggo. ...

Newsletter

Subscribe to stay updated.