Membaca Pikiran Dengan Ultrasound: Antarmuka Mesin-Otak Baru Caltech

Kredit: Caltech

Teknik yang Kurang Invasif untuk Menguraikan Intensi Otak

Apa yang terjadi di otak Anda saat Anda menggulir halaman ini? Dengan kata lain, area mana di otak Anda yang aktif, neuron mana yang berbicara dengan orang lain, dan sinyal apa yang mereka kirimkan ke otot Anda?

Memetakan aktivitas saraf ke perilaku yang sesuai adalah tujuan utama ahli saraf yang mengembangkan antarmuka mesin-otak (BMI): perangkat yang membaca dan menafsirkan aktivitas otak dan mengirimkan instruksi ke komputer atau mesin. Meskipun ini mungkin tampak konyol, BMI yang ada dapat, misalnya, menghubungkan orang yang lumpuh dengan lengan robot; perangkat menafsirkan aktivitas saraf dan niat orang tersebut serta menggerakkan lengan robotik yang sesuai.

Batasan utama perkembangan BMI adalah bahwa perangkat tersebut memerlukan operasi otak invasif untuk membaca aktivitas saraf. Tapi sekarang, kolaborasi di Caltech telah mengembangkan tipe baru BMI invasif minimal untuk membaca aktivitas otak yang sesuai dengan perencanaan gerakan. Menggunakan teknologi USG fungsional (fUS), ini dapat secara akurat memetakan aktivitas otak dari daerah yang tepat di kedalaman otak ke resolusi 100 mikrometer (ukuran satu neuron sekitar 10 mikrometer).

Teknologi fUS baru merupakan langkah besar dalam menciptakan BMI yang tidak terlalu invasif tetapi juga BMI yang berkemampuan tinggi.

Pembuluh Darah di Otak Primata Non-Manusia

Rincian pembuluh darah di otak primata non-manusia, dicitrakan dengan ultrasound fungsional. Kredit: S. Norman

“Bentuk invasif dari antarmuka mesin-otak sudah dapat memulihkan gerakan bagi mereka yang kehilangannya karena cedera atau penyakit neurologis,” kata Sumner Norman, rekan postdoctoral di Laboratorium Andersen dan salah satu penulis utama studi baru tersebut. “Sayangnya, hanya beberapa orang terpilih dengan kelumpuhan paling parah yang memenuhi syarat dan bersedia memasang elektroda di otak mereka. Ultrasonografi fungsional adalah metode baru yang sangat menarik untuk merekam aktivitas otak mendetail tanpa merusak jaringan otak. Kami telah mendorong batas neuroimaging ultrasonik. dan antusias dalam memprediksi pergerakan. Yang lebih menarik adalah fUS adalah teknik muda dengan potensi besar – ini hanyalah langkah pertama kami dalam menghadirkan BMI berperforma tinggi dan tidak terlalu invasif kepada lebih banyak orang “.

Studi baru ini merupakan kolaborasi antara laboratorium Richard Andersen, Profesor Ilmu Saraf James G. Boswell dan Ketua Kepemimpinan dan direktur Pusat Antarmuka Mesin Otak Tianqiao dan Chrissy Chen di Institut Tianqiao dan Chrissy Chen untuk Ilmu Saraf di Caltech; dan Mikhail Shapiro, profesor teknik kimia dan Peneliti di Heritage Medical Research Institute. Shapiro adalah anggota fakultas yang berafiliasi dengan Chen Institute.

Sebuah artikel yang mendeskripsikan karya tersebut muncul di koran Neuron pada 22 Maret 2021.

Secara umum, semua alat untuk mengukur aktivitas otak memiliki kekurangan. Elektroda yang ditanamkan (elektrofisiologi) dapat dengan sangat akurat mengukur aktivitas pada tingkat neuron individu, tetapi, tentu saja, membutuhkan implantasi elektroda ini di otak. Teknik non-invasif seperti pencitraan resonansi magnetik fungsional (fMRI) dapat menggambarkan seluruh otak tetapi membutuhkan mesin yang rumit dan mahal. Elektroensefalografi (EEG) tidak memerlukan pembedahan tetapi hanya dapat mengukur aktivitas pada resolusi spasial rendah.

Ultrasonografi bekerja dengan memancarkan gelombang suara frekuensi tinggi dan mengukur bagaimana getaran suara tersebut bergema di seluruh zat, seperti berbagai jaringan tubuh manusia. Suara merambat dengan kecepatan yang berbeda melalui jenis jaringan ini dan tercermin pada batas-batas di antara mereka. Teknik ini biasanya digunakan untuk mengambil gambar janin di dalam rahim, dan untuk diagnostik pencitraan lainnya.

Ultrasonografi juga dapat “merasakan” gerakan internal organ. Misalnya, sel darah merah, seperti ambulans yang lewat, meningkat nada saat mendekati sumber gelombang ultrasonik, dan menurun saat mengalir. Mengukur fenomena ini memungkinkan para peneliti untuk merekam perubahan kecil dalam aliran darah otak hingga 100 mikrometer (dalam skala selebar rambut manusia).

“Ketika bagian otak menjadi lebih aktif, terjadi peningkatan aliran darah di area tersebut. Pertanyaan kunci dalam pekerjaan ini adalah: Jika kita memiliki teknik seperti USG fungsional yang memberi kita gambar resolusi tinggi. Dinamika dari aliran darah otak di ruang angkasa dan dari waktu ke waktu, adakah informasi yang cukup dari pencitraan itu untuk memecahkan kode sesuatu yang berguna tentang perilaku? ”kata Shapiro. “Jawabannya iya.” Teknik ini menghasilkan gambar detail dinamika sinyal saraf di wilayah target kami yang tidak dapat dilihat dengan teknik non-invasif lainnya seperti fMRI. Kami menghasilkan tingkat detail yang mendekati elektrofisiologi, tetapi dengan prosedur yang jauh lebih tidak invasif. ”

Kolaborasi dimulai ketika Shapiro mengundang Mickael Tanter, pelopor ultrasound fungsional dan direktur Physics for Medicine Paris (ESPCI Paris Sciences et Lettres University, Inserm, CNRS), untuk memberikan seminar di Caltech pada tahun 2015. Vasileios Christopoulos, mantan Laboratorium Andersen postdoctoral fellow (sekarang asisten profesor di UC Riverside), berpartisipasi dalam diskusi dan mengusulkan kolaborasi. Shapiro, Andersen dan Tanter kemudian menerima hibah NIH BRAIN Initiative untuk melanjutkan penelitian. Pekerjaan di Caltech dipimpin oleh Norman, mantan rekan postdoctoral di Shapiro Laboratory, David Maresca (sekarang asisten profesor di Delft University of Technology), dan Christopoulos. Bersama dengan Norman, Maresca, dan Christopoulos, mereka adalah rekan penulis studi baru ini.

Teknologi tersebut dikembangkan dengan bantuan primata non-manusia, yang diajari untuk melakukan tugas-tugas sederhana yang melibatkan menggerakkan mata atau lengan ke arah tertentu saat disajikan dengan indikasi tertentu. Saat primata menyelesaikan tugas, fUS mengukur aktivitas otak di korteks parietal posterior (PPC), wilayah otak yang terlibat dalam perencanaan gerakan. Laboratorium Andersen telah mempelajari PPC selama beberapa dekade dan sebelumnya telah membuat peta aktivitas otak di wilayah tersebut menggunakan elektrofisiologi. Untuk memvalidasi presisi dari fUS, para peneliti membandingkan aktivitas pencitraan otak dari fUS dengan data elektrofisiologi rinci yang diperoleh sebelumnya.

Kemudian, melalui dukungan C&C Chen Brain – Machine Interface Center di Caltech, tim bertujuan untuk melihat apakah perubahan yang bergantung pada aktivitas pada gambar fUS dapat digunakan untuk memecahkan kode maksud primata bukan manusia, bahkan sebelum dia memulai gerakan. Data pencitraan ultrasound dan tugas terkait kemudian diproses oleh algoritme pembelajaran mesin, yang mempelajari pola aktivitas otak mana yang berkorelasi dengan aktivitas mana. Setelah algoritme terbentuk, algoritme disajikan dengan data ultrasound yang dikumpulkan secara real time dari primata non-manusia.

Algoritme tersebut memprediksi, dalam beberapa detik, perilaku apa yang akan dibuat oleh primata bukan manusia (gerakan mata atau jangkauan), arah gerakan (kiri atau kanan), dan kapan mereka berencana untuk melakukan gerakan tersebut.

“Langkah pertama adalah menunjukkan bahwa ultrasound dapat menangkap sinyal otak sehubungan dengan pemikiran untuk merencanakan gerakan fisik,” kata Maresca, yang mengkhususkan diri dalam pencitraan ultrasound. “Ultrasonografi fungsional dapat merekam sinyal-sinyal ini dengan sensitivitas 10 kali lebih besar dan resolusi yang lebih baik daripada MRI fungsional. Penemuan ini merupakan inti dari keberhasilan antarmuka mesin-otak berdasarkan ultrasonografi fungsional.”

“Antarmuka mesin-otak saat ini beresolusi tinggi menggunakan susunan elektroda yang memerlukan operasi otak, yang mencakup pembukaan membran fibrosa yang keras dan kuat antara tengkorak dan otak, dan menanamkan elektroda langsung ke dalamnya.” Tetapi sinyal ultrasound dapat melewati otak. dan otak tanpa invasi. Hanya jendela ultrasound transparan kecil yang harus ditanamkan di tengkorak; operasi ini secara signifikan kurang invasif daripada yang diperlukan untuk menanamkan elektroda, “kata Andersen.

Meskipun penelitian ini telah dilakukan pada primata bukan manusia, kolaborasi sedang dilakukan dengan Dr. Charles Liu, seorang ahli bedah saraf di USC, untuk mempelajari teknologi dengan relawan manusia yang, karena trauma otak, mengalami pecahan tengkorak. Karena gelombang ultrasonik dapat lewat tanpa terpengaruh oleh “jendela akustik” ini, maka dimungkinkan untuk mempelajari bagaimana ultrasonografi fungsional dapat mengukur dan memecahkan kode aktivitas otak pada individu-individu ini.

Referensi: “Penguraian kode niat gerakan dengan satu bukti menggunakan neuroimaging ultrasonik fungsional” oleh Sumner L. Norman, David Maresca, Vassilios N. Christopoulos, Whitney S. Griggs, Charlie Demene, Mickael Tanter, Mikhail G. Shapiro dan Richard A. Andersen, 22 Maret 2021, Neuron.
DOI: 10.1016 / j.neuron.2021.03.003

Makalah ini berjudul “Uji unik decoding niat gerak menggunakan fungsional ultrasonik neuroimaging”. Rekan penulis tambahan adalah Whitney Griggs, seorang mahasiswa pascasarjana di Caltech dan Charlie Demene dari Paris Sciences et Lettres University dan INSERM Technology Research Accelerator di Biomedical Ultrasound di Paris, Prancis. Pendanaan disediakan oleh Della Martin Postdoctoral Fellowship, Cross-Discipline Postdoctoral Humanities Fellowship Program, UCLA-Caltech Medical Sciences Training Program, inisiatif OTAK dari National Institutes of Health, Center for Interface Brain-Machine Tianqiao dan Chrissy Chen, Boswell Foundation, dan Heritage Medical Research Institute.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Skrining sinar-X mengidentifikasi obat yang menjanjikan untuk pengobatan COVID-19

Sebuah tim peneliti, termasuk ilmuwan MPSD, telah mengidentifikasi beberapa kandidat untuk melawan obat tersebut SARS-CoV-2 coronavirus menggunakan sumber cahaya sinar-X PETRA III di German...

Teori konspirasi memengaruhi perilaku kita – bahkan jika kita tidak mempercayainya!

Paling tidak karena COVID-19 pandemi, teori konspirasi lebih relevan dari sebelumnya. Mereka diberitakan dan didiskusikan di hampir semua media dan komunikasi. Tapi...

“Doodle Ringan” Nyata dalam Waktu Nyata

Para peneliti di Tokyo Metropolitan University telah merancang dan menerapkan algoritme yang disederhanakan untuk mengubah garis yang digambar secara bebas menjadi hologram pada CPU...

Teleskop Webb NASA menyertakan tabir surya seukuran lapangan tenis untuk perjalanan jutaan kilometer

Kedua wajah tabir surya James Webb Space Telescope dinaikkan secara vertikal untuk mempersiapkan pelipatan lapisan tabir surya. Kredit: NASA / Chris Gunn Insinyur bekerja...

Mineralogi Hangat Global Mengelola Pusat Perlindungan Kehidupan Batin

Tim lapangan DeMMO dari kiri ke kanan: Lily Momper, Brittany Kruger, dan Caitlin Casar mengambil sampel air yang meledak dari toilet DeMMO. Pendanaan:...

Newsletter

Subscribe to stay updated.