Adaptacyjna neurotechnologia przywraca funkcje ciała i mózgu
Interfejsy mózg/neuron-maszyna przetwarzają aktywność mózgu w sygnały, umożliwiając użytkownikom sterowanie urządzeniami zewnętrznymi za pomocą myśli. Urządzenia te pomagają osobom sparaliżowanym po udarze lub w wyniku demencji odzyskać ruch, komunikować się lub odzyskać funkcje poznawcze. Niestety, konwencjonalne nieinwazyjne interfejsy tego rodzaju (niewykorzystujące implantów mózgowych) nie są wystarczająco wszechstronne ze względu na ograniczoną jakość sygnału. „Co więcej, zwykle są one w stanie jedynie odczytywać aktywność mózgu - nie są w stanie jej bezpośrednio zapisywać lub modulować, ponieważ taka stymulacja zakłóca rejestrację sygnału mózgowego. Ta możliwość ma kluczowe znaczenie dla przywrócenia lub uzupełnienia sensorycznego sprzężenia zwrotnego w celu uczenia się i precyzyjnej kontroli nad neuroprotezami”, wyjaśnia Surjo Soekadar, koordynator projektu NGBMI, który został sfinansowany ze środków Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (ERBN). Aby rozwiązać te problemy, zespół projektu NGBMI połączył interfejsy mózg/neuron-maszyna z systemami przezczaszkowej stymulacji magnetycznej i przezczaszkowej stymulacji elektrycznej.
Stymulacja oparta na aktywności mózgu
Fundamenty projektu NGBMI powstały dzięki Soekadarowi i jego współpracownikom, którzy po raz pierwszy wykazali, że oscylacje mózgu mogą być mierzone podczas przezczaszkowej stymulacji elektrycznej. Badania obejmowały opracowanie egzoszkieletu ręki sterowanego przy pomocy interfejsu mózg/neuron-maszyna dla osoby z porażeniem czterokończynowym w celu odzyskania mobilności potrzebnej do wykonywania codziennych czynności. Zespół projektu NGBMI z powodzeniem opracował mobilny system, który łączy interfejs z systemem przezczaszkolwej stymulacji elektrycznej, umożliwiając adaptacyjną stymulację w czasie rzeczywistym w oparciu o aktywność mózgu. System obejmuje nakrycie głowy z elektrodami oraz wzmacniacz sygnałów bezprzewodowych połączony z tabletem z oprogramowaniem do przetwarzania sygnału w czasie rzeczywistym, które steruje urządzeniami zewnętrznymi, takimi jak egzoszkielety lub roboty, jednocześnie dostosowując poziom stymulacji do bieżącej aktywności mózgu. Po testach z udziałem zdrowych pacjentów, system został wykorzystany do wsparcia pacjentów z zaburzeniami neuropsychiatrycznymi i neurologicznymi, takimi jak depresja, demencja i udar, koncentrując się w szczególności na zwalczaniu upośledzonych funkcji motorycznych lub poznawczych. „Udało nam się wykazać selektywne wzmacnianie lub tłumienie określonych oscylacji mózgu, skutecznie modulując powiązane zachowania, objawy lub funkcje, takie jak pamięć robocza”, mówi Soekadar z Uniwersytetu Medycznego Charité w Berlinie. Zespół między innymi selektywnie wzmocnił czołowo-ciemieniowe oscylacje alfa, poprawiając zdolność uczestników do zapamiętywania obrazów, co może stanowić istotną pomoc dla pacjentów cierpiących na zaburzenia neurodegeneracyjne, takie jak choroba Alzheimera. Ze względu na ograniczoną precyzję przestrzenną i głębokość penetracji systemów stymulacji elektrycznej i magnetycznej, badacze opracowali także nową metodę stymulacji nazywaną czasową interferencyjną stymulacją magnetyczną (TIMS). Dzięki grantowi na potwierdzenie słuszności koncepcji przyznanemu przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych oraz wsparciu programu SPARK BIH, badacze opracowali zgłoszenie patentowe dotyczące urządzenia. Patent jest obecnie licencjonowany przez spółki eemagine Medical Imaging Solutions i ANT Neuro – czołowe spółki neurotechnologiczne z siedzibą w UE o globalnym zasięgu.
Technologia zapewniająca skuteczniejsze leczenie
Wykorzystanie przez zespół NGBMI technologii do przywracania funkcji ciała i mózgu w celu wsparcia jednostek, jest zgodne ze strategią UE w zakresie zdrowia cyfrowego, technologii wspomagających i neurorehabilitacji. Potencjalne rozwiązania obejmują neuromodulację wykorzystywaną w celu leczenia depresji, poprawę funkcji poznawczych w demencji i neurorehabilitację pacjentów po udarze, co przełoży się na poprawę jakości życia i zmniejszenie kosztów opieki zdrowotnej. „Ze względu na moje doświadczenie w psychiatrii, moim celem było opracowanie nieinwazyjnego podejścia, które z czasem staje się zbędne dzięki treningowi ośrodkowego układu nerwowego”, dodaje Soekadar. „Musimy jednak pamiętać, że chociaż interwencje neurotechnologiczne mogą modulować objawy, same w sobie nie mogą rozwiązać pierwotnych przyczyn zaburzeń psychicznych”. Zespół przygotowuje się obecnie do przeprowadzenia badań klinicznych na dużą skalę, jednocześnie starając się o dopuszczenie technologii TIMS do użytkowania przez organy regulacyjne i komercjalizację egzoszkieletu mózgowo-nerwowego w celu rehabilitacji po udarze. Badacze planują także połączenie technologii TIMS z czujnikami kwantowymi w celu opracowania dwukierunkowego kwantowego interfejsu mózg-komputer. Ze względu na to, że czujniki kwantowe zapewniają bardziej precyzyjne śledzenie aktywności mózgu, może to umożliwić dokładniejsze dekodowanie neuronowe i ukierunkowaną neuromodulację, usprawniając neurorehabilitację oraz funkcje poznawcze i zapewniając pomoc pacjentom. Zespół zbada również optymalizację opartą na sztucznej inteligencji, aby zwiększyć długoterminową skuteczność zaawansowanych rozwiązań neuromodulacyjnych.
Słowa kluczowe
NGBMI, neurotechnologia, mózg, neuron, interfejs, demencja, technologia wspomagająca, kwantowe, zdrowie psychiczne, mobilność
