Dieses Implantat lässt gelähmte Menschen mit ihren Verstand

Eine Verbindung von Gehirn zu Computer ermöglichte es kürzlich Menschen mit schwerer Gliedmaßenschwäche über die direkte Gehirnsteuerung mit den höchsten Geschwindigkeiten und Genauigkeitsniveaus zu berichten, die bis jetzt berichtet wurden.

Zwei der Teilnehmer haben amyotrophe Lateralsklerose, auch Lou Gehrig-Krankheit genannt, und eine Person leidet an einer Rückenmarksverletzung.

Sie hatten jeweils ein oder zwei Baby-Aspirin-große Elektroden-Arrays in ihren Gehirnen, um Signale vom motorischen Kortex aufzunehmen, einer Region, die die Muskelbewegung kontrolliert. Die Signale wurden über ein Kabel an einen Computer übertragen und durch Algorithmen in Zeigen-und-Klicken-Befehle übersetzt, die einen Cursor auf Zeichen auf einer Bildschirmtastatur führen.

Jeder Teilnehmer beherrschte nach minimalem Training die Technik ausreichend, um die Ergebnisse eines vorherigen Tests von Gehirn-Computer-Schnittstellen oder BCIs zu übertreffen, um die Kommunikation von Menschen mit ähnlich beeinträchtigter Bewegung zu verbessern. Bemerkenswerterweise erreichten sie die Tippraten ohne die Verwendung von automatischer Wortvervollständigungsunterstützung, wie sie heutzutage in elektronischen Tastaturanwendungen üblich ist, was wahrscheinlich ihre Leistungsfähigkeit erhöht hätte.

Ein Teilnehmer, Dennis Degray aus Menlo Park, Kalifornien, konnte 39 korrekte Zeichen pro Minute eingeben, was etwa acht Wörtern pro Minute entspricht.


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Dieser Point-and-Click-Ansatz könnte ohne wesentliche Änderungen auf eine Vielzahl von Computergeräten, einschließlich Smartphones und Tablets, angewendet werden, so die Forscher. Ihre Ergebnisse erscheinen in der Zeitschrift eLife.

"Das ist wie eines der coolsten Videospiele, mit denen ich je gespielt habe. Und ich muss nicht mal ein Viertel drin haben. "

"Der Erfolg unserer Studie ist ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zur Verbesserung der Lebensqualität von Menschen mit Lähmungen", sagt Jaimie Henderson, Professor für Neurochirurgie an der Stanford University, der zwei der drei Geräte-Implantationsverfahren am Stanford Hospital durchgeführt hat. Das dritte fand im Massachusetts General Hospital statt.

"Diese Studie berichtet die höchste Geschwindigkeit und Genauigkeit, um einen Faktor von drei, über das, was bisher gezeigt wurde", sagt Co-Senior-Autor Krishna Shenoy, Professor für Elektrotechnik. "Wir nähern uns der Geschwindigkeit, mit der Sie Text auf Ihrem Handy eingeben können."

"Die Aufführung ist wirklich aufregend", sagt der ehemalige Postdoktorand Chethan Pandarinath, der jetzt eine gemeinsame Anstellung an der Emory University und am Georgia Institute of Technology als Assistenzprofessor für Biomedizintechnik hat. "Wir erreichen Kommunikationsraten, die viele Menschen mit Arm- und Handlähmung als nützlich empfinden würden. Das ist ein kritischer Schritt, um Geräte herzustellen, die für den realen Einsatz geeignet sind. "

Shenoys Labor leistete Pionierarbeit bei der Entwicklung der Algorithmen, die zur Dekodierung komplexer Nervensignale elektrischer Signale dienen, die von Nervenzellen im motorischen Kortex, dem Steuerzentrum des Gehirns, ausgelöst werden, und sie in Echtzeit in Handlungen umwandeln, die normalerweise von Rückenmark und Muskeln ausgeführt werden.

"Diese hochleistungsfähigen BCI-Algorithmen, die in klinischen Studien am Menschen eingesetzt werden, zeigen, dass diese Technologie die Kommunikation von Menschen mit Lähmungen wiederherstellen kann", sagt der Postdoktorand Paul Nuyujukian.

"Ich habe den Müll im Regen rausgeholt"

Millionen von Menschen mit Lähmung leben in den Vereinigten Staaten. Manchmal kommt es zu einer allmählichen Lähmung, wie sie bei ALS auftritt. Manchmal kommt es plötzlich an, wie in Degrays Fall.

Jetzt 64, Degray wurde Tetraplegiker am Oktober 10, 2007, als er fiel und erlitt eine lebensverändernde Rückenmarksverletzung. "Ich habe den Müll im Regen rausgebracht", sagte er. Er hielt den Müll in der einen und das Recycling in der anderen Hand und rutschte auf dem Gras aus und landete auf seinem Kinn. Der Aufprall hat sein Gehirn verschont, aber seine Wirbelsäule schwer verletzt und die gesamte Kommunikation zwischen seinem Gehirn und seiner Muskulatur vom Kopf nach unten unterbrochen. "Ich habe nichts unter den Schlüsselbeinen", sagt er.

Im August erhielt Degray zwei Implantatimplantate bei Henderson im August 2016. In mehreren anschließenden Forschungssitzungen wurden er und die anderen zwei Studienteilnehmer, die sich ähnlichen Operationen unterziehen mussten, ermutigt, Muster gewünschter Arm-, Hand- und Fingerbewegungen zu versuchen oder zu visualisieren. Die resultierenden neuronalen Signale aus dem motorischen Kortex wurden von den eingebetteten Aufzeichnungsgeräten elektronisch extrahiert, an einen Computer übertragen und von Shenoy's Algorithmen in Befehle übersetzt, die einen Cursor auf eine Bildschirmtastatur zu teilnehmerspezifizierten Zeichen führen.

Der schnelle braune Fuchs…

Die Forscher maßen die Geschwindigkeit, mit der die Patienten Sätze und Sätze korrekt kopieren konnten, zum Beispiel: "Der schnelle braune Fuchs sprang über den faulen Hund." Durchschnittswerte waren 7.8-Wörter pro Minute für Degray und 6.3 und 2.7 Wörter pro Minute, jeweils für die anderen zwei Teilnehmer.

Das in der Studie verwendete Untersuchungssystem, eine intrakortikale Gehirn-Computer-Schnittstelle, das BrainGate Neural Interface System, repräsentiert die neueste Generation von BCIs. Frühere Generationen nahmen Signale zuerst über elektrische Leitungen auf, die auf der Kopfhaut platziert wurden, und wurden dann chirurgisch an der Gehirnoberfläche unter dem Schädel positioniert.

Ein intrakortikales BCI verwendet einen winzigen Siliziumchip, der etwas mehr als 1/6 Zoll groß ist und von dem 100-Elektroden abstehen, die das Gehirn bis zu einem Viertel durchdringen und die elektrische Aktivität einzelner Nervenzellen im motorischen Kortex erfassen.

Henderson verglich die resultierende verbesserte Auflösung der neuronalen Wahrnehmung, verglichen mit der der älteren Generation von BCIs, mit der Verteilung von Applausmesswerten an einzelne Mitglieder eines Studiopublikums, anstatt sie nur an der Decke zu stationieren, "so können Sie sagen, wie schwer und wie schnell jede Person im Publikum klatscht. "

24 / 7 Funksystem

Der Tag wird kommen - fünf Jahre später als 10, schätzt Shenoy - wenn ein selbstkalibrierendes, vollständig implantiertes kabelloses System ohne Pflegepersonalhilfe verwendet werden kann, hat es keine kosmetischen Auswirkungen. und kann rund um die Uhr verwendet werden.

"Ich sehe keine unüberwindbaren Herausforderungen", sagt er. "Wir kennen die Schritte, die wir unternehmen müssen, um dorthin zu gelangen."

Degray, der weiterhin aktiv an der Forschung teilnimmt, wusste schon vor seinem Unfall zu tippen, war aber kein Experte darin. Er beschrieb seine neu entdeckten Fähigkeiten in der Sprache eines Videospielfans.

"Das ist wie eines der coolsten Videospiele, mit denen ich je gespielt habe", sagt er. "Und ich muss nicht mal ein Viertel drin haben."

Die Stanford-Forschungsassistentin Christine Blabe ist ebenfalls Co-Autorin der Studie, ebenso wie die BrainGate-Forscher vom Massachusetts General Hospital und der Case Western University.

Die Finanzierung erfolgte durch die National Institutes of Health, das Stanford Office of Postdoctoral Affairs, die Craig H. Neilsen Foundation, das Stanford Medical Scientist Training Program, Stanford BioX-NeuroVentures, das Stanford Institute for Neuro-Innovation and Translational Neuroscience und das Stanford Neuroscience Institute , Larry und Pamela Garlick, Samuel und Betsy Reeves, das Howard Hughes Medical Institute, das US-Veteranenministerium, das MGH-Dean-Institut für integrierte Forschung zu Vorhofflimmern und Schlaganfall sowie das Massachusetts General Hospital.

Stanfords Office of Technology Licensing hält geistiges Eigentum an den interkortikalen BCI-bezogenen technischen Fortschritten, die in Shenoys Labor gemacht wurden.

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Quelle: Bruce Goldman für Stanford University

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