Hjerne-datamaskin-grensesnittteknologi beveger seg ut av laboratoriet og inn i livene våre

Å sette hjernen vår i kontakt med datamaskiner fremkaller visjoner om enten å koble til Matrix, eller løpe gjennom skogene til Pandora i Avatar. Det har vært spekulert i å koble sinn til maskin helt siden vi begynte å forstå nervesystemets forviklinger – og hvordan vi kan integrere det med datateknologi. Vi kan se dette i tidlige science-fiction-troper, ettersom hjerneløse hjerner kontrollerer en rekke maskiner for å utføre en enhets ondsinnede bud.  

Brain-Computer Interfaces (BCI-er) har eksistert ganske lenge. Jacques Vidal, professor emeritus ved UCLA, som studerte disse systemene på 1970-tallet, laget begrepet BCI. Den grunnleggende forutsetningen er at den menneskelige hjernen er en CPU som behandler sensorisk informasjon og sender ut elektriske signaler som kommandoer. Det var et kort logikksprang å anta at datamaskiner så kan programmeres til å tolke disse signalene, og sende ut sine egne signaler på samme språk. Ved å etablere dette fellesspråket, teoretisk sett, kan hjerne og maskin snakke med hverandre. 

Flytte den … med følelse 

Mange anvendelser av BCI-er er innen nevral rehabilitering. Forskere har lenge visst at spesifikke funksjoner er lokalisert i bestemte områder i hjernen, og med denne kunnskapen om «hjernekartet» kan vi stimulere disse områdene til å utføre sine respektive funksjoner. Ved å implantere elektroder i den motoriske cortex for eksempel, kan personer med manglende lemmer læres å bevege eller manipulere proteser ved å "tenke" på å bevege armen. På samme måte kan elektroder plasseres langs en skadet ryggmarg for å sende signaler for å bevege lammede lemmer. Denne teknologien brukes også til visuelle proteser, for å erstatte eller gjenopprette synet hos enkelte individer. 

For nevroproteser er målet ikke bare å etterligne tapt motorisk funksjon. For eksempel, når vi plukker opp et egg, forteller hjernen oss hvor fast grepet vårt skal være, så vi ikke knuser det. Sharlene Flesher er en del av et team fra University of Pittsburgh som integrerer denne funksjonen i protesedesignene deres. Ved også å målrette mot området av hjernen som "føler" eller sanser taktil stimulering (den somatosensoriske cortex), håper Fleshers team å gjenskape et utseende av en tilbakemeldingsmekanisme som gjør oss i stand til å modulere berøring og trykk - noe som er avgjørende for å utføre finere motoriske bevegelser av hånden. 

Fiesher sier, "å fullstendig gjenopprette funksjonen til en øvre lem er å bruke hendene våre til å samhandle med miljøet, og for å kunne føle hva disse hendene berører," og for å virkelig manipulere gjenstander, må du vet hvilke fingre som er i kontakt, hvor mye kraft hver finger utøver, og bruk deretter den informasjonen til å gjøre neste bevegelse." 

De faktiske spenningene som hjernen sender og mottar impulser med er svært lave - rundt 100 millivolt (mV). Å skaffe og forsterke disse signalene har vært et stort stikkpunkt i BCI-forskning. Den tradisjonelle ruten for direkte implantering av elektroder i hjernen eller ryggmargen medfører den uunngåelige risikoen ved kirurgiske prosedyrer, som blødning eller infeksjon. På den annen side gjør ikke-invasive "nevrale kurver" som de som brukes i elektroencefalogrammer (EEG-er) signalmottak og -overføring vanskelig på grunn av "støy". Den benete hodeskallen kan spre signalene, og det ytre miljøet kan forstyrre opptaket. Dessuten krever tilkobling til en datamaskin intrikate ledninger som begrenser mobiliteten, så de fleste BCI-oppsett akkurat nå er innenfor rammen av laboratorieinnstillinger. 

Flesher innrømmer at disse begrensningene også har begrenset kliniske anvendelser til en definert populasjon med tilgang til denne utviklingen. Hun mener at å involvere flere forskere fra ulike felt kan stimulere til utvikling og kanskje gi innovative løsninger på disse hindringene. 

"Arbeidet vi gjør burde gjøre andre glade for å utforske denne teknologien ... eksperter innen en rekke felt som jobber mot det samme målet er en mye raskere vei for å bringe de beste løsningene til pasienter." 

Faktisk utforsker forskere og designere BCI dypere, ikke bare for å overvinne disse begrensningene, men for å utvikle nye applikasjoner som har skapt større offentlig interesse. 

Ut av laboratoriet og inn i spillet 

Fra starten som studentoppstart ved University of Michigan, har Boston-baserte Neurable nå blitt en av de mest synlige aktørene i det voksende BCI-feltet ved å utforske en annen tilnærming til BCI-teknologi. I stedet for å bygge sin egen maskinvare, har Neurable utviklet proprietær programvare som bruker algoritmer til å analysere og behandle signaler fra hjernen.  

"Hos Neurable har vi forstått hvordan hjernebølger fungerer," forklarer administrerende direktør og grunnlegger Dr. Ramses Alcaide. "Vi kan nå hente disse signalene fra standard EEG-oppsett og kombinere dette med læringsalgoritmene våre for å kutte gjennom støyen for å finne de riktige signalene, med høy hastighet og nøyaktighet." 

En annen iboende fordel, ifølge Alcaide, er at deres programvareutviklingssett (SDK) er plattformagnostisk, noe som betyr at det kan brukes på hvilken som helst kompatibel programvare eller enhet. Denne separasjonen fra 'forskningslaboratoriet'-formen er en bevisst forretningsbeslutning fra selskapet for å åpne opp mulighetene for hvor og hvordan BCI-teknologi kan brukes. 

"Historisk sett har BCI-er vært inneholdt i laboratoriet, og det vi gjør er å lage et produkt som alle kan dra nytte av, ettersom SDK-ene våre kan brukes i enhver kapasitet, medisinsk eller ikke." 

Denne potensielle opphevingen gjør BCI-teknologien attraktiv i en rekke bruksområder. I farlige yrker som rettshåndhevelse eller brannslukking kan simulering av virkelige scenarier uten den nødvendige faren vise seg å være uvurderlig for opplæringsprosessen. 

Den potensielle kommersielle applikasjonen innen spill skaper også mye spenning. Spillentusiaster drømmer allerede om å bli fullstendig fordypet i en virtuell verden hvor det sensoriske miljøet er så nær virkeligheten som mulig. Uten en håndholdt kontroller kan spillere "tenke" på å utføre kommandoer i et virtuelt miljø. Kappløpet om å skape den mest oppslukende spillopplevelsen har fått mange selskaper til å undersøke de kommersielle mulighetene til BCI. Neurable ser fremtiden innen kommersiell BCI-teknologi og bruker ressurser på denne utviklingsveien. 

"Vi ønsker å se teknologien vår innebygd i så mange programvare- og maskinvareapplikasjoner som mulig," sier Alcaide. "Å tillate folk å samhandle med verden ved å bare bruke hjerneaktiviteten deres, dette er den sanne betydningen av mottoet vårt: en verden uten begrensninger."