DARPA wspiera rozwój interfejsów mózg-maszyna człowieka

Urządzenia obejmujące "neuroprotetyczne" kończyny dla osób sparaliżowanych i "neuroroboty" sterowane sygnałami mózgowymi od ludzkich operatorów mogą być ostatecznymi zastosowaniami technologii interfejsu mózg-maszyna opracowanych w ramach kontraktu o wartości 26 milionów dolarów dla Duke University sponsorowanego przez Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Kontrakt jest częścią programu DARPA Brain-Machine Interfaces Program (www.darpa.mil/dso/thrust/sp/bmi.htm), który ma na celu opracowanie nowych technologii zwiększających wydajność człowieka poprzez dostęp do mózgu w czasie rzeczywistym i integrację informacji z urządzeniami zewnętrznymi.

Głównym badaczem projektu DARPA będzie profesor neurobiologii Miguel Nicolelis (www.nicolelislab.net). Współpracownikami są Craig Henriquez, który jest profesorem nadzwyczajnym inżynierii biomedycznej W.H. Gardner Jr.; Profesor neurochirurgii Dennis Turner i profesor nadzwyczajny inżynierii biomedycznej Patrick Wolf. Inni współpracownicy centrum to John Chapin ze State University of New York na Brooklynie, Jose Principe z University of Florida, Mandayam Srinivasan z Massachusetts Institute of Technology i Harvey Wiggins z Plexon Inc. w Dallas.

Wsparcie DARPA pomoże uruchomić Centrum Neuroinżynierii Duke'a, współkierowanego przez Nicolelisa i Henriqueza, których naukowcy i inżynierowie będą dążyć do zapoczątkowania nowej ery technologicznej, w której sygnały mózgowe mogą kontrolować maszyny, które zwiększają i rozszerzają ludzkie możliwości w sposób nigdy wcześniej nie możliwy.

Oprócz rozwoju protez kończyn sterowanych mózgiem, neurochirurdzy mogą zastosować mapowanie mózgu możliwe dzięki nowym technologiom, aby pomóc chirurgom w odróżnieniu zdrowej tkanki mózgowej od tej, która jest częścią guza lub ogniskiem napadów padaczkowych.

"Ta technologia może natychmiast zwiększyć rozdzielczość, z jaką chirurdzy mogą mapować zasięg guza lub określony region mózgu" - powiedział Nicolelis. "Takie ulepszone mapowanie może przełożyć się na lepsze rokowanie dla pacjenta, ponieważ mniej tkanki może wymagać usunięcia."

Poza zastosowaniami medycznymi, interfejsy mózg-maszyna mogą być również stosowane w celu zwiększenia zdolności normalnych ludzi, powiedzieli naukowcy. Jako przykłady, powiedzieli, sterowane nerwowo roboty mogą umożliwić zdalne operacje poszukiwawczo-ratownicze lub eksplorację niebezpiecznych lub niedostępnych środowisk.

Centrum Duke będzie początkowo składać się ze współpracy oddzielnych laboratoriów na wydziale neurobiologii centrum medycznego oraz na wydziale inżynierii biomedycznej Pratt School of Engineering. Naukowcy spodziewają się jednak zjednoczyć wysiłki centrum w nowym, multidyscyplinarnym budynku inżynieryjnym, który jest obecnie w budowie.

W ramach wsparcia DARPA:

• Inżynier biomedyczny Henriquez i jego koledzy będą koordynować rozwój sprzętu i metod wizualizacji i analizy ogromnych ilości danych wytwarzanych z matryc elektrod w mózgach zwierząt doświadczalnych.
• Neurochirurg Turner i jego koledzy zbadają potencjalne wykorzystanie interfejsów mózg-maszyna u pacjentów z zaburzeniami neurologicznymi.
• Inżynier biomedyczny Patrick Wolf i jego koledzy opracują zminiaturyzowany "neurochip" do wykrywania i analizowania sygnałów mózgowych, a także optycznych połączeń komunikacyjnych między chipem a elementami sterującymi interfejsu.
• Laboratorium Johna Chapina opracuje mechanizm sensorycznego sprzężenia zwrotnego, dzięki któremu zwierzęta i ludzie mogą "poczuć" działania neurorobotycznego ramienia lub ręki.
• Jose Principe i jego koledzy opracują nowe algorytmy komputerowe do tłumaczenia sygnałów pochodzących z mózgu na polecenia sterujące ramieniem robota.
• Laboratorium Mandayam Srinivasan opracuje nowe interfejsy, aby zapewnić wizualne i dotykowe sygnały zwrotne zwierzętom obsługującym ramiona robota.
• Harvey Wiggins z Plexon Inc. w Dallas dostarczy sprzęt i oprogramowanie, które umożliwią rozwój i testowanie interfejsów mózg-maszyna.

Według Nicolelis, początkowa koncentracja nowego centrum będzie dotyczyć ramion neuroprotetycznych dla osób sparaliżowanych, w oparciu o sukces początkowych eksperymentów na zwierzętach.

"W zeszłym roku donieśliśmy o eksperymentach na naczelnych pokazujących, że interfejs mózg-maszyna może rzeczywiście kontrolować ramię robota" - powiedział Nicolelis. "Chociaż był to system pierwszej generacji, udowodnił nam, że istnieje ogromna szansa na kontynuowanie badań prowadzących do zastosowań klinicznych. Jesteśmy niezmiernie wdzięczni DARPA za ich wizję ustanowienia programu, który zapewni kluczowe wsparcie dla rozpoczęcia tego wysiłku. "

W 2000 roku Nicolelis i jego koledzy przetestowali system neuronowy na małpach, który umożliwił zwierzętom wykorzystanie sygnałów mózgowych, wykrytych przez wszczepione elektrody, do kontrolowania ramienia robota w celu sięgnięcia po kawałek jedzenia. Naukowcy przesłali nawet sygnały mózgowe przez Internet, zdalnie sterując ramieniem robota oddalonym o 600 mil. Technika, której używali, zwana "zapisami populacji wielu neuronów", została pierwotnie opracowana przez współpracownika centrum Chapina.

W eksperymentach naukowcy wykorzystali matryce do 96 elektrod do wykrywania sygnałów z wielu obszarów mózgu, w tym kory ruchowej, z której kontrolowany jest ruch. Następnie naukowcy rejestrowali moc tych elektrod, gdy zwierzęta uczyły się "wykonywania zadań", w tym sięgania po małe kawałki jedzenia.

Naukowcy wprowadzili masę danych sygnałów neuronowych generowanych podczas wielu powtórzeń tych zadań do komputera, który analizował sygnały mózgowe w celu wykrycia wzorców ostrzegawczych, które umożliwiłyby naukowcom przewidzenie trajektorii ręki małpy na podstawie sygnałów.

Następnie, programując komputer podłączony do ramienia robota, aby wyczuwał te wzorce sygnałowe emanujące z mózgu małpy, naukowcy mogli umożliwić małpie kontrolowanie ramienia tylko za pomocą sygnałów neuronowych.

Ten eksperyment potwierdził skuteczność nagrywania z wielu obszarów mózgu, a następnie umożliwienia komputerowi "uczenia się" wzorców sygnałów mózgowych, które wyzwalały określone ruchy.

W nowym centrum Nicolelis, Henriquez i ich koledzy będą dążyć do zwiększenia liczby elektrod rejestrujących do ponad 1, aby umożliwić kontrolę bardziej złożonych działań za pomocą ramion robotycznych i innych urządzeń. "Neurochip" opracowywany przez Wolfa i jego współpracowników znacznie zmniejszy rozmiar obwodów wymaganych do próbkowania i analizy sygnałów mózgowych.

"Naszym marzeniem jest opracowanie urządzenia podobnego do palmtopa, które kieruje sygnały do urządzeń robotycznych, komputerów, a nawet do lekarza, aby ostrzec lekarza o jakimś problemie" - powiedział Nicolelis. Według Henriqueza większa liczba elektrod rejestrujących umożliwi również znacznie bardziej wyrafinowaną analizę sygnałów mózgowych.

"Badania te wymagają dużego wysiłku, aby rozszyfrować, w jaki sposób mózg zarządza informacjami" - powiedział Henriquez. "Kiedy jesteśmy w stanie użyć obliczeń do dekodowania takich informacji, możemy przetłumaczyć to zrozumienie na algorytm, który można włączyć do sprzętu." Ostatecznie naukowcy mają nadzieję, że będą w stanie rejestrować i analizować takie sygnały przez długi czas bez uszkodzenia tkanki mózgowej, powiedzieli naukowcy. Wykazali już, że zwierzęta mogą tolerować elektrody przez lata bez widocznej szkody.

Według Nicolelisa technologia i metody obliczeniowe opracowane w ramach wsparcia DARPA doprowadzą również do głębszego zrozumienia samego mózgu.

"Badania te dostarczą nam potężnego nowego zestawu eksperymentalnych narzędzi i technik, aby odpowiedzieć na pytanie, w jaki sposób miliony komórek mózgowych łączą się, aby wygenerować określone zachowanie" - powiedział. "Tradycyjnie, neuronauki przyjęły podejście redukcjonistyczne, a badacze próbowali zrozumieć poszczególne neurony, cząsteczki i geny. Próbujemy zrozumieć funkcję mózgu jako dynamicznego systemu. "

Nicolelis, Henriquez i ich koledzy należą do naukowców opracowujących teorię, że neurony nie są elementami obwodu na stałe przypisanymi do jednego zadania obliczeniowego, jak mikroprocesor wewnątrz komputera. Nowa teoria utrzymuje raczej, że neurony są adaptowalnymi, żywymi istotami, które mogą uczestniczyć w wielu zadaniach przetwarzania jednocześnie. Co więcej, teoria utrzymuje, że zadania te mogą zmieniać się z milisekundy na milisekundę. Na przykład eksperymenty Nicolelis ujawniły, że sygnały mózgowe wytwarzające pojedyncze zdarzenie, takie jak małpa wyciągająca rękę, są odzwierciedlane w wielu miejscach w tym samym regionie mózgu - tak jakby neurony "głosowały" na takie działania.

W swoich obecnych eksperymentach naukowcy i inżynierowie centrum opracowują systemy "zamkniętej pętli", w których ruch ramienia robota generuje dotykowe sygnały zwrotne w postaci nacisku na skórę zwierząt. Ponadto zapewniają wizualną informację zwrotną, pozwalając zwierzęciu obserwować ruch ramienia.

Takie badania zwrotne mogą również potencjalnie poprawić zdolność osób sparaliżowanych do korzystania z takiego interfejsu mózg-maszyna do kontrolowania przydatków protetycznych, powiedział Nicolelis. W rzeczywistości, powiedział, mózg może okazać się niezwykle biegły w używaniu informacji zwrotnych, aby dostosować się do takiego sztucznego wyrostka.

"Jednym z prowokacyjnych i kontrowersyjnych pytań jest to, czy mózg może rzeczywiście włączyć maszynę jako część neuronalnej reprezentacji ciała" - powiedział. "Naprawdę wierzę, że jest to możliwe. Mózg nieustannie się uczy i dostosowuje, a wcześniejsze badania wykazały, że reprezentacja ciała w mózgu jest dynamiczna. Tak więc, jeśli stworzysz zamkniętą pętlę sprzężenia zwrotnego, w której mózg kontroluje urządzenie, a urządzenie dostarcza informacji zwrotnej do mózgu, przewidziałbym, że gdy ludzie lub zwierzęta nauczą się korzystać z urządzenia, ich mózgi zasadniczo poświęcą przestrzeń neuronalną do reprezentowania tego urządzenia. "

Rozwój technologii interfejsu mózgowego centrum Duke będzie również wymagał współpracy z przemysłem, powiedzieli naukowcy. Rynek takich urządzeń powinien być znaczny, powiedzieli. Według analizy rynku zleconej przez DARPA, obecny światowy rynek o wartości około 270 milionów dolarów rocznie ma wynieść 1,5 miliarda dolarów do 2005 roku.

"W naszej dyskusji z korporacjami odkryliśmy, że chociaż te technologie są w powijakach, firmy kładą nacisk na ich rozwój komercyjny" - powiedział Henriquez. "Wierzymy, że centrum Duke'a pomoże napędzić rozwój nowej generacji technologii interfejsów mózgowych. A możliwości ich zastosowania wydają się niemal nieograniczone".

DARPA (www.darpa.mil) jest centralną organizacją badawczo-rozwojową Departamentu Obrony. Zarządza i kieruje wybranymi podstawowymi i stosowanymi projektami badawczo-rozwojowymi dla DoD oraz prowadzi badania i technologię, w których ryzyko i zyski są bardzo wysokie i gdzie sukces może zapewnić dramatyczny postęp w tradycyjnych rolach wojskowych i misjach.

Kontrakt sponsorowany przez DARPA jest zarządzany przez Space and Naval Warfare Systems Center w San Diego (http://enterprise.spawar.navy.mil).

Inne przydatne linki: Centrum Neuroinżynierii -- http://bmewww.mc.duke.edu/Research/Elecphys/Neuroeng/Neuro.htm Miguel Nicolelis bio -- http://www.neuro.duke.edu/Faculty/Nicolelis.htm Craig Henriquez bio -- http://bme-www.egr.duke.edu/fandr_indivprofiles.php?id=5