Brein-rekenaar-koppelvlak

duimnael|Opstelling wat die ontwerp van 'n BrainGate-koppelvlak illustreer.
'n Brein-rekenaar-koppelvlak (BRK) (Engels: Brain–computer interface (BCI). soms 'n brein-masjien-koppelvlak (BMK) genoem, is 'n direkte kommunikasieskakel tussen die brein se elektriese aktiwiteit en 'n eksterne toestel, meestal 'n rekenaar of robotledemaat. BRKe is dikwels gerig op die navorsing, kartering, bystand, verbetering of herstel van menslike kognitiewe of sensories-motoriese funksies. Hulle word dikwels gekonseptualiseer as 'n mens-masjien-koppelvlak wat die tussenganger van bewegende liggaamsdele (bv. hande of voete) oorslaan. BRK-implementerings wissel van nie-indringend (EEG, MEG, MRI) en gedeeltelik indringend (elektrokortikografie en endovaskulêr) tot indringend (mikroelektrode-opstelling), gebaseer op hoe fisies naby elektrodes aan breinweefsel is.

Navorsing oor brein-rekenaar-koppelvlakke (BRKe) het in die 1970's deur Jacques Vidal aan die Universiteit van Kalifornië, Los Angeles (UCLA) begin onder 'n toelaag van die National Science Foundation, gevolg deur 'n kontrak van die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Vidal se 1973-artikel het die uitdrukking brein-rekenaar-koppelvlak in wetenskaplike literatuur bekendgestel.

As gevolg van die kortikale plastisiteit van die brein, kan seine van geïmplanteerde prosteses, na aanpassing, deur die brein hanteer word soos natuurlike sensor- of effektorkanale. Na jare van diere-eksperimente, is die eerste neuroprostetiese toestelle in die middel-1990's in mense ingeplant.

Geskiedenis
Die geskiedenis van brein-rekenaar-koppelvlakke (BRKe) begin met Hans Berger se ontdekking van die brein se elektriese aktiwiteit en die ontwikkeling van elektroënsefalografie (EEG). In 1924 was Berger die eerste om menslike breinaktiwiteit met behulp van EEG op te neem. Berger kon ossillatoriese aktiwiteit, soos die alfa-golf (8-13 Hz), identifiseer deur EEG-spore te analiseer.

Berger se eerste opnametoestel was rudimentêr. Hy het silwer drade onder die kopvelle van sy pasiënte geplaas. Hierdie is later vervang deur silwer foelies wat met rubberbande aan die pasiënt se kop vasgemaak is. Berger het hierdie sensors aan 'n Lippmann kapillêre elektrometer gekoppel, met teleurstellende resultate. Meer gesofistikeerde meettoestelle, soos die Siemens dubbelspoel-opnamegalvanometer, wat spannings so klein as 10−4 volt vertoon het, het egter tot sukses gelei.

Berger het die interrelasie van wisselings in sy EEG-golfdiagramme met breinsiektes geanaliseer. EEG's het heeltemal nuwe moontlikhede vir breinnavorsing moontlik gemaak.

Alhoewel die term nog nie geskep was nie, was een van die vroegste voorbeelde van 'n werkende brein-masjien-koppelvlak die stuk Music for Solo Performer (1965) deur die Amerikaanse komponis Alvin Lucier. Die stuk maak gebruik van EEG en analoog seinverwerkingshardeware (filters, versterkers en 'n mengbord) om akoestiese perkussie-instrumente te stimuleer. Die uitvoering van die stuk vereis die produksie van alfa-golwe en sodoende die "speel" van die verskillende instrumente via luidsprekers wat naby of direk op die instrumente geplaas word.

Jacques Vidal het die term " BRK" (In Engels “BCI”) geskep en die eerste eweknie-geëvalueerde publikasies oor hierdie onderwerp gepubliseer. Hy word wyd erken as die uitvinder van BRK.Wolpaw, J.R. and Wolpaw, E.W. (2012). "Brain-Computer Interfaces: Something New Under the Sun". In: Brain-Computer Interfaces: Principles and Practice, Wolpaw, J.R. and Wolpaw (eds.), E.W. Oxford University Press. 'n Oorsig het daarop gewys dat Vidal se 1973-artikel die "BRK-uitdaging" van die beheer van eksterne voorwerpe met behulp van EEG-seine, en veral die gebruik van Kontingent Negatiewe Variasie (KNV) potensiaal as 'n uitdaging vir BRK-beheer, genoem het. Vidal se 1977-eksperiment was die eerste toepassing van BRK na sy 1973 BRK-uitdaging. Dit was 'n nie-indringende EEG (eintlik Visueel Opgewekte Potensiale (VOP) beheer van 'n wyseragtige grafiese voorwerp op 'n rekenaarskerm. Die demonstrasie was beweging in 'n doolhof.

In 1988 was die eerste demonstrasie van nie-indringende EEG-beheer van 'n fisiese voorwerp, 'n robot. Die eksperiment het EEG-beheer van veelvuldige begin-stop-herbegin-siklusse van beweging gedemonstreer, langs 'n arbitrêre trajek wat gedefinieer word deur 'n lyn wat op 'n vloer getrek is. Die lynvolggedrag was die standaard robotgedrag, wat outonome intelligensie en 'n outonome energiebron gebruik.S. Bozinovski, M. Sestakov, L. Bozinovska: Using EEG alpha rhythm to control a mobile robot, In G. Harris, C. Walker (eds.) Proc. IEEE Annual Conference of Medical and Biological Society, bl. 1515-1516, New Orleans, 1988S. Bozinovski: Mobile robot trajectory control: From fixed rails to direct bioelectric control, In O. Kaynak (ed.) Proc. IEEE Workshop on Intelligent Motion Control, bl. 63-67, Istanbul, 1990M. Lebedev: Augmentation of sensorimotor functions with neural prostheses. Opera Medica and Physiologica. Vol. 2 (3): 211-227, 2016M. Lebedev, M. Nicolelis: Brain-machine interfaces: from basic science to neuroprostheses and neurorehabilitation, Physiological Review 97:737-867, 2017

In 1990 is 'n verslag gelewer oor 'n geslote lus, tweerigting, aanpasbare BRK wat 'n rekenaar-gonser beheer deur 'n antisiperende breinpotensiaal, die Kontingent Negatiewe Variasie (KNV) potensiaal.L. Bozinovska, G. Stojanov, M. Sestakov, S. Bozinovski: CNV pattern recognition: a step toward a cognitive wave observation, In L. Torres, E. Masgrau, E. Lagunas (eds.) Signal Processing V: Theories and Applications, Proc. EUSIPCO-90: Fifth European Signal Processing Conference, Elsevier, bl. 1659-1662, Barcelona, 1990L. Bozinovska, S. Bozinovski, G. Stojanov, Electroexpectogram: experimental design and algorithms, In Proc IEEE International Biomedical Engineering Days, p. 55-60, Istanbul, 1992 Die eksperiment het beskryf hoe 'n verwagtingstoestand van die brein, gemanifesteer deur KNV, 'n terugvoerlus gebruik het om die S2-gonser in die S1-S2-KNV-paradigma te beheer. Die gevolglike kognitiewe golf wat die verwagtingsleer in die brein verteenwoordig, is die Elektroekspektogram (EXG) genoem. Die KNV-breinpotensiaal was deel van Vidal se 1973-uitdaging.

Studies in die 2010's het neurale stimulasie se potensiaal voorgestel om funksionele konnektiwiteit en gepaardgaande gedrag te herstel deur die modulering van molekulêre meganismes. Dit het die deur oopgemaak vir die konsep dat BKI-tegnologieë moontlik sodanige funksies kan herstel.

Vanaf 2013 het DARPA BRK-tegnologie befonds deur die BRAIN-inisiatief, wat die werk van spanne soos die Universiteit van Pittsburgh Mediese Sentrum, Paradromics, Brown, en Synchron. ondersteun het.

Neuroprostetika
Neuroprostetika is 'n gebied van neurowetenskap wat gemoeid is met neurale prosteses, dit wil sê die gebruik van kunsmatige toestelle om die funksie van verswakte senuweestelsels en breinverwante probleme, of van sensoriese of ander organe (blaas, diafragma, ens.) te vervang. Teen Desember 2010 is kogleêre inplantings as neuroprostetiese toestelle in sowat 736 900 mense wêreldwyd ingeplant. Ander neuroprostetiese toestelle is daarop gemik om visie te herstel, insluitend retinale inplantings. Die eerste neuroprostetiese toestel was egter die pasaangeër.
Die terme word soms uitruilbaar gebruik. Neuroprostetika en BRKe poog om dieselfde doelwitte te bereik, soos die herstel van sig, gehoor, beweging, vermoë om te kommunikeer en selfs kognitiewe funksie. Beide gebruik soortgelyke eksperimentele metodes en chirurgiese tegnieke.

Diere-navorsing 
Verskeie laboratoriums het daarin geslaag om seine van aap- en rot-breinkorteks te lees om BRKe te gebruik om beweging te produseer. Ape het rekenaarwysers beweeg en robotarms beveel om eenvoudige take uit te voer deur bloot oor die taak te dink en die resultate te sien, sonder motoriese uitset.Miguel Nicolelis et al. (2001) Duke neurobiologist has developed system that allows monkeys to control robot arms via brain signals  In Mei 2008 is foto's wat 'n aap by die Universiteit van Pittsburgh Mediese Sentrum wys wat 'n robotarm deur te dink gebruik, in verskeie studies gepubliseer. Skape is ook gebruik om BRK-tegnologie te evalueer, insluitend Synchron se Stentrode.

In 2020 is Elon Musk se Neuralink suksesvol in 'n vark ingeplant.  In 2021 het Musk aangekondig dat die maatskappy 'n aap suksesvol in staat gestel het om videospeletjies te speel met behulp van Neuralink se toestel.

Vroeë werk 
In 1969 het operante kondisioneringstudies deur Fetz et al by die Regional Primate Research Center en Departement Fisiologie en Biofisika, Universiteit van Washington se Skool vir Geneeskunde, getoon dat ape kon leer om die defleksie van 'n bioterugvoerarm met neurale aktiwiteit te beheer.  Soortgelyke werk in die 1970's het vasgestel dat ape kon leer om die vuurtempo's van individuele en veelvuldige neurone in die primêre motoriese korteks te beheer as hulle dienooreenkomstig beloon is.

Algoritmes om bewegings van motoriese korteksneurone, wat beweging beheer, te rekonstrueer, dateer terug na die 1970's. In die 1980's het Georgopoulos aan die Johns Hopkins-universiteit 'n wiskundige verband gevind tussen die elektriese reaksies van enkele motoriese korteksneurone in rhesus-makaak-ape en die rigting waarin hulle hul arms beweeg het. Hy het ook gevind dat verspreide groepe neurone, in verskillende areas van die aap se brein, gesamentlik motoriese bevele beheer het. Hy kon die afvuur van neurone in slegs een area op 'n slag opneem, as gevolg van toerustingbeperkings.

Verskeie groepe kon komplekse breinmotoriese korteksseine vasvang deur van neurale ensembles (groepe neurone) op te neem en dit te gebruik om eksterne toestelle te beheer.

Navorsing
Kennedy en Yang Dan
Phillip Kennedy (stigter van Neural Signals (1987)) en kollegas het die eerste intrakortikale brein-rekenaar-koppelvlak gebou deur neurotrofiese-keëlelektrodes in ape in te plant.  

In 1999 het Yang Dan et al. aan die Universiteit van Kalifornië, Berkeley, neuronale afvuurings gedekodeer om beelde van katte te reproduseer. Die span het 'n reeks elektrodes gebruik wat in die talamus ingebed is (wat die brein se sensoriese insette integreer). Navorsers het 177 breinselle in die talamus laterale genikulêre kernarea geteiken, wat seine van die retina dekodeer. Neuron-afvuurings is opgeneem deur agt kortfilms te kyk. Deur wiskundige filters te gebruik, het die navorsers die seine gedekodeer om herkenbare tonele en bewegende voorwerpe te rekonstrueer.

Nicolelis
Professor Miguel Nicolelis van die Duke-universiteit bepleit die gebruik van veelvuldige elektrodes wat oor 'n groter area van die brein versprei is om neuronale seine te verkry.

Na aanvanklike studies in rotte gedurende die 1990's, het Nicolelis en kollegas 'n BRK-stelsel ontwikkel wat breinaktiwiteit in uil-ape gedekodeer het en die toestelle gebruik het om aapbewegings in robotarms te reproduseer. Ape se gevorderde reik- en grypvermoëns en handmanipulasievaardighede het hulle goeie proefdiere gemaak.

Teen 2000 het die groep daarin geslaag om 'n BRK te bou wat uil-aapbewegings gereproduseer het terwyl die aap 'n speelstok bedien of na kos reik. Die BRK het intyds gewerk en kon 'n aparte robot op afstand beheer. Maar die ape het geen terugvoer ontvang nie (ooplus-BRK).
duimnael|Diagram van die BRK-stelsel ontwikkel deur Miguel Nicolelis en kollegas vir gebruik op rhesus-ape.
Latere eksperimente op rhesus-ape het terugvoer ingesluit en aap-reik- en grypbewegings in 'n robotarm gereproduseer. Hul diep gesplete en gegroefde breine het hulle beter modelle vir menslike neurofisiologie gemaak as uil-ape. Die ape is opgelei om voorwerpe op 'n rekenaarskerm te bereik en te gryp deur 'n speelstok te manipuleer terwyl ooreenstemmende bewegings deur 'n robotarm versteek is. Die ape is later die robot gewys en geleer om dit te beheer deur sy bewegings te bekyk. Die BRK het snelheidsvoorspellings gebruik om reikbewegings te beheer en het gelyktydig grypkrag voorspel.

In 2011 het O'Doherty en kollegas 'n BRK met sensoriese terugvoer met rhesus-ape getoon. Die aap het die posisie van 'n avatar-arm beheer terwyl hy sensoriese terugvoer ontvang het deur direkte intrakortikale stimulasie (IKS) in die armvoorstellingsarea van die sensoriese korteks.

Donoghue, Schwartz, en Andersen
Ander laboratoriums wat BRKe en algoritmes ontwikkel het wat neuronseine dekodeer, sluit in John Donoghue by die Carney Instituut vir Breinwetenskap aan die Brown-universiteit, Andrew Schwartz aan die Universiteit van Pittsburgh, en Richard Andersen by Caltech. Hierdie navorsers het werkende BRKe vervaardig deur opgeneemde seine van veel minder neurone as Nicolelis te gebruik (15-30 neurone teenoor 50-200 neurone).

Die Carney Instituut het berig dat hulle rhesus-ape opgelei het om 'n BRK te gebruik om visuele teikens op 'n rekenaarskerm (geslote-lus BRKI) met of sonder 'n speelstok op te spoor. Die groep het 'n BRK vir driedimensionele opsporing in virtuele realiteit geskep en BRK-beheer in 'n robotarm gereproduseer. Dieselfde groep het gedemonstreer dat 'n aap homself stukkies vrugte en malvalekkers kan voed deur 'n robotarm te gebruik wat deur die dier se breinseine beheer word.Pitt team to build on brain-controlled arm , Pittsburgh Tribune Review, 5 September 2006.

Andersen se groep het opnames van voorbewegingsaktiwiteit van die posterior pariëtale korteks gebruik, insluitend seine wat geskep is toe eksperimentele diere verwag het om 'n beloning te ontvang.

Ander navorsing
Benewens die voorspelling van kinematiese en kinetiese parameters van ledemaatbewegings, is BRKe wat elektromiografiese of elektriese aktiwiteit van die spiere van primate voorspel, aan die gang. Sulke BRKes kan mobiliteit in verlamde ledemate herstel deur spiere elektries te stimuleer.

Nicolelis en kollegas het gedemonstreer dat groot neurale ensembles armposisie kan voorspel. Hierdie werk het BRKe in staat gestel om armbewegingsintensies te lees en dit in aktuatorbewegings te vertaal. Carmena en kollegas het 'n BRK geprogrammeer wat 'n aap in staat gestel het om reik- en grypbewegings deur 'n robotarm te beheer. Lebedev en kollegas het aangevoer dat *e herorganiseer om 'n nuwe voorstelling van die robotiese aanhangsel te skep, benewens die voorstelling van die dier se eie ledemate.

In 2019 het navorsers van die Universiteit van San Francisco, Kalifornië, 'n brein-rekenaar-koppelvlak (BRK) studie begin wat die potensiaal gehad het om pasiënte met spraakgestremdheid as gevolg van neurologiese afwykings te help. Hul BRK het hoë-digtheid elektrokortikografie gebruik om neurale aktiwiteit van 'n pasiënt se brein vas te lê en diepleer gebruik om spraak te sintetiseer. In 2021 het daardie navorsers die potensiaal van 'n BRK gerapporteer om woorde en sinne te dekodeer in 'n anartriese pasiënt wat vir meer as 15 jaar nie kon praat nie.Belluck, Pam (14 Julie 2021). "Tapping Into the Brain to Help a Paralyzed Man Speak". The New York Times.

Die grootste struikelblok vir BRK-tegnologie is die gebrek aan 'n sensormodaliteit wat veilige, akkurate en robuuste toegang tot breinseine bied. Die gebruik van 'n beter sensor brei die reeks kommunikasiefunksies uit wat met 'n BRK verskaf kan word.

Ontwikkeling en implementering van 'n BRK-stelsel is kompleks en tydrowend. In reaksie op hierdie probleem ontwikkel Gerwin Schalk sedert 2000 BCI2000, 'n algemene stelsel vir BRK-navorsing.

'n Nuwe 'draadlose' benadering gebruik ligbeheerde ioonkanale soos kanalrodopsien om die aktiwiteit van geneties gedefinieerde subgroepe neurone in vivo te beheer. In die konteks van 'n eenvoudige leertaak het die beligting van getransfekteerde selle in die somatosensoriese korteks besluitneming in muise beïnvloed.

BRKe het gelei tot 'n dieper begrip van neurale netwerke en die sentrale senuweestelsel. Navorsing het berig dat ten spyte van neurowetenskaplikes se neiging om te glo dat neurone die meeste effek het wanneer hulle saamwerk, enkele neurone gekondisioneer kan word deur die gebruik van BRKe om in 'n patroon te vuur wat primate toelaat om motoriese uitsette te beheer. BRKe het gelei tot die ontwikkeling van die enkelneuron-onvoldoendebeginsel wat bepaal dat selfs met 'n goed ingestelde vuurtempo, enkele neurone slegs beperkte inligting kan dra en daarom word die hoogste vlak van akkuraatheid bereik deur ensemble-vure op te neem. Ander beginsels wat met BRKe ontdek is, sluit in die neuronale multitaakbeginsel, die neuronale massabeginsel, die neurale degenerasiebeginsel en die plastisiteitsbeginsel.

BRKe word ook voorgestel vir toepassing op  gebruikers sonder gestremdhede. Passiewe BRKe maak voorsiening vir die assessering en interpretasie van veranderinge in die gebruikerstoestand tydens mens-rekenaar-interaksie (MRI). In 'n sekondêre, implisiete beheerlus pas die stelsel aan by sy gebruiker, wat die bruikbaarheid daarvan verbeter.

BRK-stelsels kan moontlik gebruik word om seine van die periferie te kodeer. Hierdie sensoriese BRK-toestelle maak intydse, gedragsrelevante besluite moontlik gebaseer op geslote-lus neurale stimulasie.

Menslike navorsing
Indringende BRKe
Indringende BRK vereis chirurgie om elektrodes onder die kopvel in te plant om toegang tot breinseine te verkry. Die hoofvoordeel is om akkuraatheid te verhoog. Nadele sluit in newe-effekte van die operasie, insluitend littekenweefsel wat breinseine kan belemmer, of die liggaam wat moontlik die ingeplante elektrodes verwerp.

Visie
Indringende BRK-navorsing het gemik op die herstel van beskadigde sig en die verskaffing van nuwe funksionaliteit vir mense met verlamming. Ingrypende BRKe word direk in die grysstof van die brein ingeplant tydens neurochirurgie. Omdat hulle in die grysstof lê, produseer ingeplante toestelle die hoogste kwaliteit seine van BRK-toestelle, maar is geneig tot littekenweefselopbou, wat veroorsaak dat die sein verswak of verdwyn soos die liggaam op die vreemde voorwerp reageer.

In visiewetenskap is direkte breinimplantate gebruik om nie-aangebore (verworwe) blindheid te behandel. Een van die eerste wetenskaplikes wat 'n werkende breinkoppelvlak vervaardig het om sig te herstel, was privaatnavorser William Dobelle. Dobelle se eerste prototipe is in 1978 in "Jerry", 'n man wat in volwassenheid blind geword het, ingeplant. 'n Enkel-skikking BRK met 68 elektrodes is op Jerry se visuele korteks ingeplant en het daarin geslaag om fosfene te produseer, die sensasie om lig te sien. Die stelsel het kameras ingesluit wat op 'n bril gemonteer is om seine na die inplantaat te stuur. Aanvanklik het die inplantaat Jerry toegelaat om skakerings van grys in 'n beperkte gesigsveld teen 'n lae raamtempo te sien. Dit het ook vereis dat hy aan 'n hoofraamrekenaar gekoppel moes word, maar krimpende elektronika en vinniger rekenaars het sy kunsmatige oog meer draagbaar gemaak en stel hom nou in staat om eenvoudige take sonder hulp uit te voer."Vision quest". Wired. (September 2002).

In 2002 het Jens Naumann, wie ook in volwassenheid blind geword het, die eerste in 'n reeks van 16 betalende pasiënte geword wat Dobelle se tweede generasie inplantaat ontvang het, een van die vroegste kommersiële gebruike van BRKe. Die tweede generasie toestel het 'n meer gesofistikeerde inplantaat gebruik wat beter kartering van fosfene in koherente visie moontlik gemaak het. Fosfene word oor die gesigsveld versprei in wat navorsers "die sterrenag-effek" noem. Onmiddellik na sy inplantaat kon Jens sy onvolmaak herstelde visie gebruik om stadig 'n motor om die parkeerarea van die navorsingsinstituut te bestuur. Dobelle is in 2004 oorlede voordat sy prosesse en ontwikkelings gedokumenteer is, wat niemand gelaat het om sy werk voort te sit nie. Daarna het Naumann en die ander pasiënte in die program probleme met hul visie begin ondervind en uiteindelik weer hul "sig" verloor.

Beweging
BRKe wat op motoriese neuroprostetika fokus, is daarop gemik om beweging in individue met verlamming te herstel of toestelle te verskaf om hulle te help, soos koppelvlakke met rekenaars of robotarms.

Kennedy en Bakay was die eerstes wat 'n menslike breininplantaat geïnstalleer het wat seine van hoë genoeg gehalte geproduseer het om beweging te simuleer. Hul pasiënt, Johnny Ray (1944–2002), het 'ingesluit-sindroom' ontwikkel na 'n breinstamberoerte in 1997. Ray se inplantaat is in 1998 geïnstalleer en hy het lank genoeg geleef om met die inplantaat te begin werk, en uiteindelik geleer om 'n rekenaarwyser te beheer; hy is in 2002 oorlede aan 'n breinaneurisme.

Die tetrapleegiese Matt Nagle het in 2005 die eerste persoon geword wat 'n kunsmatige hand met behulp van 'n BRK beheer het as deel van die eerste nege maande lange menslike proefneming van Cyberkinetics se BrainGate-skyfie-inplantaat. Die 96-elektrode-inplantaat, wat in Nagle se regter presentrale girus (area van die motoriese korteks vir armbeweging) ingeplant is, het Nagle toegelaat om 'n robotarm te beheer deur te dink aan die beweging van sy hand sowel as 'n rekenaarwyser, ligte en TV. 'n Jaar later het Jonathan Wolpaw die Altran Foundation for Innovation-prys ontvang vir die ontwikkeling van 'n breinrekenaar-koppelvlak met elektrodes wat op die oppervlak van die skedel geleë is, in plaas van direk in die brein.

Navorsingspanne onder leiding van die BrainGate-groep en 'n ander by die Universiteit van Pittsburgh Mediese Sentrum, beide in samewerking met die Verenigde State se Departement van Veterane Sake (VA), het beheer van prostetiese ledemate met baie grade van vryheid gedemonstreer deur direkte verbindings met skikkings van neurone in die motoriese korteks van tetraplegiese pasiënte te gebruik.

Kommunikasie
In Mei 2021 het 'n span van die Stanford-universiteit 'n suksesvolle bewys-van-konsep-toets gerapporteer wat 'n kwadrapleegiese deelnemer in staat gestel het om Engelse sinne teen ongeveer 86 karakters per minuut en 18 woorde per minuut te produseer. Die deelnemer het hom verbeel dat hy sy hand beweeg om letters te skryf, en die stelsel het handskrifherkenning uitgevoer op elektriese seine wat in die motoriese korteks opgespoor is, deur gebruik te maak van verskuilde Markov-modelle en herhalende neurale netwerke. Sedert navorsers van die Universiteit van Kalifornië, San Francisco 'n brein-rekenaar-koppelvlak (BRK)-studie begin het, is talle vorderingverslae bekend gemaak. In 2021 het hulle berig dat 'n verlamde en met disartrie man vyftien woorde per minuut kon kommunikeer met behulp van 'n ingeplante toestel wat senuweeselle ondersoek het wat die spiere van die stemkanaal beheer. Daarbenewens is in 2022 aangekondig dat hul inplantaat ook gebruik kan word om woorde en hele sinne te spel sonder om hardop te praat. Die eerste tweetalige spraakneuroprostese is na bewering deur dieselfde span aan die Universiteit van San Francisco in 2024 ontwikkel.

In 'n oorsigartikel het outeurs gewonder of menslike inligtingoordragtempo's dié van taal met BRKe kan oortref. Taalnavorsing het berig dat inligtingoordragtempo's relatief konstant is oor baie tale. Dit kan die brein se inligtingverwerkingslimiet weerspieël. Alternatiewelik kan hierdie limiet intrinsiek wees aan taal self, as 'n modaliteit vir inligtingoordrag.

In 2023 het twee studies BRKe met herhalende neurale netwerke gebruik om spraak teen 'n rekordtempo van 62 woorde per minuut en 78 woorde per minuut te dekodeer.

Tegniese uitdagings
Daar bestaan 'n aantal tegniese uitdagings vir die opname van breinaktiwiteit met indringende BRKe. Vooruitgang in aanvullende metaal-oksied-halfgeleier (AMO)-tegnologie bevorder en maak geïntegreerde, indringende BRK-ontwerpe met kleiner grootte, laer kragvereistes en hoër seinverkrygingsvermoëns moontlik. Indringende BRKe behels elektrodes wat breinweefsel binnedring in 'n poging om aksiepotensiaalseine van individuele, of klein groepies, neurone naby die elektrode op te neem. Die koppelvlak tussen 'n opname-elektrode en die elektrolitiese oplossing rondom neurone is gemodelleer met behulp van die Hodgkin-Huxley-model.

Elektroniese beperkings op indringende BRKe was 'n aktiewe navorsingsgebied in onlangse dekades. Terwyl intrasellulêre opnames van neurone aksiepotensiaalspannings op die skaal van honderde millivolt openbaar, maak chroniese indringende BRKe staat op die opname van ekstrasellulêre spannings wat tipies drie ordes van grootte kleiner is en by honderde mikrovolt bestaan.  Die uitdaging om seine op die skaal van mikrovolt op te spoor, word verder vererger deur die feit dat die elektrode-weefsel-koppelvlak 'n hoë kapasitansie by klein spannings het. As gevolg van die aard van hierdie klein seine, benodig elke elektrode vir BRK-stelsels wat funksionaliteit op 'n geïntegreerde stroombaan inkorporeer, sy eie versterker en ADC, wat analoog ekstrasellulêre spannings in digitale seine omskakel. Omdat 'n tipiese neuron-aksiepotensiaal vir een millisekonde duur, moet BRKe wat pieke meet, monsternemingstempo's hê wat wissel van 300 Hz tot 5 kHz. Nog 'n bekommernis is dat indringende BRKe lae-krag moet wees om minder hitte na omliggende weefsel te versprei; op die mees basiese vlak is meer krag tradisioneel nodig om die sein-tot-ruisverhouding te optimaliseer. Optimale batteryontwerp is 'n aktiewe navorsingsgebied in BRKe.[ 
duimnael|Illustrasie van indringende en gedeeltelik indringende BRKe: elektrokortikografie (ECoG), endovaskulêre en intrakortikale mikroelektrode.
Uitdagings wat op die gebied van materiaalkunde bestaan, is sentraal tot die ontwerp van indringende BRKe. Variasies in seinkwaliteit oor tyd word algemeen waargeneem met implanteerbare mikroelektrodes. Optimale materiaal- en meganiese eienskappe vir langtermyn seinstabiliteit in indringende BRKe is 'n aktiewe navorsingsgebied. Daar is voorgestel dat die vorming van gliale littekens, sekondêr tot skade aan die elektrode-weefsel-koppelvlak, waarskynlik verantwoordelik is vir elektrodeversaking en verminderde opnameprestasie.  Navorsing het voorgestel dat bloed-breinversperringlekkasie, hetsy ten tyde van invoeging of oor tyd, verantwoordelik kan wees vir die inflammatoriese en gliale reaksie op chroniese mikroelektrodes wat in die brein ingeplant is. Gevolglik is buigsame en weefselagtige ontwerpe nagevors en ontwikkel om vreemde-liggaamreaksie te minimaliseer deur die Young se modulus van die elektrode nader aan dié van breinweefsel te pas.

Gedeeltelik indringende BRKe
Gedeeltelike indringende BRK-toestelle word binne die skedel ingeplant, maar rus buite die brein eerder as binne die grysstof. Hulle produseer hoërresolusie-seine as nie-indringende BRKe waar die beenweefsel van die skedel seine deflekteer en vervorm en het 'n laer risiko om littekenweefsel in die brein te vorm as volledig indringende BKG's. Prekliniese demonstrasie van intrakortikale BKG's vanaf die beroerte-perilesionale korteks is uitgevoer.

Endovaskulêr
'n Sistematiese oorsig wat in 2020 gepubliseer is, het verskeie kliniese en nie-kliniese studies in detail beskryf wat die uitvoerbaarheid van endovaskulêre BRKe ondersoek het.
In 2010 het navorsers verbonde aan die Universiteit van Melbourne begin met die ontwikkeling van 'n BRK wat via die vaskulêre stelsel ingevoeg kon word. Die Australiese neuroloog Thomas Oxley het die idee vir hierdie BRK, genaamd Stentrode, bedink en befondsing van DARPA ontvang. Prekliniese studies het die tegnologie in skape geëvalueer.

In 2010 het navorsers verbonde aan die Universiteit van Melbourne begin met die ontwikkeling van 'n BRK wat via die vaskulêre stelsel ingevoeg kon word. Die Australiese neuroloog Thomas Oxley het die idee vir hierdie BRK, genaamd Stentrode, bedink en befondsing van DARPA ontvang. Prekliniese studies het die tegnologie in skape geëvalueer.

Stentrode is 'n monolitiese stent-elektrode-opstelling wat ontwerp is om via 'n intraveneuse kateter onder beeldleiding na die superior sagittale sinus te beweeg, in die gebied wat langs die motoriese korteks lê. Hierdie nabyheid stel die Stentrode in staat om neurale aktiwiteit te meet. Die prosedure is die meeste soortgelyk aan hoe veneuse sinusstente geplaas word vir die behandeling van idiopatiese intrakraniale hipertensie. Stentrode kommunikeer neurale aktiwiteit na 'n batterylose telemetrie-eenheid wat in die borskas ingeplant is, wat draadloos kommunikeer met 'n eksterne telemetrie-eenheid wat krag en data-oordrag kan doen. Terwyl 'n endovaskulêre RBK voordeel trek uit die vermyding van 'n kraniotomie vir invoeging, bestaan risiko's soos stolling en veneuse trombose.

Menslike proewe met Stentrode was vanaf 2021 aan die gang. In November 2020 kon twee deelnemers met amiotrofiese laterale sklerose 'n bedryfstelsel draadloos beheer om SMS'e, e-posse, inkopies en bankdienste te doen deur direkte denke met Stentrode te gebruik. Dit was die eerste keer dat 'n brein-rekenaar-koppelvlak via die pasiënt se bloedvate ingeplant is, wat die behoefte aan breinchirurgie uitgeskakel het. In Januarie 2023 het navorsers geen ernstige newe-effekte gedurende die eerste jaar vir al vier pasiënte aangemeld nie, wat dit kon gebruik om rekenaars te gebruik.

Elektrokortikografie
Elektroënsefalografie (EEG) meet brein-elektriese aktiwiteit van onder die skedel op 'n manier soortgelyk aan nie-indringende elektro-ensefalografie, deur gebruik te maak van elektrodes wat in 'n dun plastiekkussing ingebed is wat bo die korteks, onder die dura mater, geplaas word. EEG-tegnologieë is in 2004 vir die eerste keer op mense getoets deur Eric Leuthardt en Daniel Moran van die Washington Universiteit in St. Louis. In 'n latere proefneming het die navorsers 'n tienerseun in staat gestel om Space Invaders te speel. Hierdie navorsing dui daarop dat beheer vinnig is, minimale opleiding vereis, seintrouheid en vlak van invasiviteit balanseer.Hierdie elektrodes is nie in die pasiënt ingeplant met die doel om 'n BRK te ontwikkel nie. Die pasiënt het ernstige epilepsie gehad en die elektrodes is tydelik ingeplant om sy dokters te help om aanvalsfokusse te lokaliseer; die BRK-navorsers het eenvoudig hiervan voordeel getrek.

Seine kan subduraal of epiduraal wees, maar word nie van binne die breinparenkiem geneem nie. Pasiënte moet indringende monitering hê vir lokalisering en reseksie van 'n epileptogene fokus.

EEG bied hoër ruimtelike resolusie, beter sein-tot-gedruis-verhouding, wyer frekwensiebereik en minder opleidingsvereistes as kopvel-opgeneemde EEG, en terselfdertyd het dit laer tegniese probleme, laer kliniese risiko en kan dit beter langtermynstabiliteit hê as intrakortikale enkel-neuron-opname. Hierdie kenmerkprofiel en bewyse van die hoë vlak van beheer met minimale opleidingsvereistes toon potensiaal vir werklike toepassing vir mense met motoriese gestremdhede.

Edward Chang en Joseph Makin van UCSF het berig dat EEG -seine gebruik kan word om spraak van epilepsiepasiënte te dekodeer wat met hoëdigtheid- EEG-skikkings oor die peri-Sylvian-korteks ingeplant is. Hulle het woordfoutkoerse van 3% (’n merkbare verbetering van vorige pogings) gerapporteer deur gebruik te maak van ’n kodeerder-dekodeerder-neurale netwerk, wat EEG -data in een van vyftig sinne vertaal het wat uit 250 unieke woorde bestaan.

Funksionele nabye-infrarooi spektroskopie
In 2014 kon 'n BRK wat funksionele nabye-infrarooispektroskopie gebruik vir "vasgevangde" pasiënte met amiotrofiese laterale sklerose (ALS) die basiese vermoë om te kommunikeer herstel.

Elektro-ensefalografie (EEG)-gebaseerde brein-rekenaar-koppelvlakke
Nadat Vidal die BRK -uitdaging genoem het, het die aanvanklike verslae oor nie-indringende benaderings die beheer van 'n wyser in 2D met behulp van VEP Vidal 1977, beheer van 'n zoemer met behulp van KNV,Bozinovska et al. 1988, 1990  beheer van 'n fisiese voorwerp, 'n robot, met behulp van 'n breinritme (alfa),Bozinovski et al. 1988 beheer van 'n teks wat op 'n skerm geskryf is met behulp van P300 ingesluit.Farwell and Donchin, 1988

In die vroeë dae van BRKI-navorsing was nog 'n aansienlike hindernis vir die gebruik van EEG dat uitgebreide opleiding vereis is. Byvoorbeeld, in eksperimente wat in die middel-1990's begin het, het Niels Birbaumer aan die Universiteit van Tübingen in Duitsland verlamde mense opgelei om die stadige kortikale potensiale in hul EEG self te reguleer tot so 'n mate dat hierdie seine as 'n binêre sein gebruik kon word om 'n rekenaarwyser te beheer. (Birbaumer het vroeër epileptici opgelei om dreigende aanvalle te voorkom deur hierdie lae spanningsgolf te beheer.) Die eksperiment het tien pasiënte opgelei om 'n rekenaarwyser te beweeg. Die proses was stadig en het meer as 'n uur geneem vir pasiënte om 100 karakters met die wyser te skryf, terwyl opleiding dikwels maande geneem het. Die stadige kortikale potensiaalbenadering het weggeval ten gunste van benaderings wat min of geen opleiding vereis nie, vinniger en meer akkuraat is, en vir 'n groter deel van gebruikers werk.

Nog 'n navorsingsparameter is die tipe ossillatoriese aktiwiteit wat gemeet word. Gert Pfurtscheller het die BCI Lab in 1991 gestig en die eerste aanlyn BRK gebaseer op ossillatoriese kenmerke en klassifiseerders uitgevoer. Saam met Birbaumer en Jonathan Wolpaw aan die New York Staats-universiteit het hulle gefokus op die ontwikkeling van tegnologie wat gebruikers in staat sou stel om die breinseine te kies wat hulle die maklikste gevind het om 'n BRK te gebruik, insluitend mu- en beta-ritmes.

'n Verdere parameter is die metode van terugvoer wat gebruik word soos getoon in studies van P300-seine. Patrone van P300-golwe word onwillekeurig gegenereer (stimulus-terugvoer) wanneer mense iets sien wat hulle herken en kan BRKe toelaat om kategorieë van gedagtes sonder opleiding te dekodeer.

'n Studie uit 2005 het EEG-emulasie van digitale beheerkringe gerapporteer met behulp van 'n Kontingent Negatiewe Variasie (KNV)-flip-flop.Adrijan Bozinovski "CNV flip-flop as a brain-computer interface paradigm" In J. Kern, S. Tonkovic, et al. (Eds) Proc 7th Conference of the Croatian Association of Medical Informatics, bl. 149-154, Rijeka, 2005 'n Studie uit 2009 het nie-indringende EEG-beheer van 'n robotarm met behulp van 'n KNV-flip-flop gerapporteer. 'n Studie uit 2011 het beheer van twee robotarms gerapporteer wat die Tower of Hanoi-taak met drie skywe oplos met behulp van 'n KNV -flip-flop. 'n Studie uit 2015 het EEG-emulasie van 'n Schmitt-sneller, flip-flop, demultiplekser en modem beskryf.

Vooruitgang deur Bin He en sy span aan die Universiteit van Minnesota dui op die potensiaal van EEG-gebaseerde brein-rekenaar-koppelvlakke om take na aan indringende brein-rekenaar-koppelvlakke te verrig. Deur gevorderde funksionele neurobeelding, insluitend BOLD funksionele MRI en EEG-bronbeelding, het hulle die ko-variasie en ko-lokalisering van elektrofisiologiese en hemodinamiese seine geïdentifiseer. Verfyn deur 'n neurobeeldingsbenadering en 'n opleidingsprotokol, het hulle 'n nie-indringende EEG-gebaseerde brein-rekenaar-koppelvlak ontwerp om die vlug van 'n virtuele helikopter in driedimensionele ruimte te beheer, gebaseer op motoriese verbeelding. In Junie 2013 het hulle 'n tegniek aangekondig om 'n afstandbeheerde helikopter deur 'n hindernisbaan te lei. Hulle het ook die EEG-inverse probleem opgelos en toe die gevolglike virtuele EEG vir BRK-take gebruik. Goed beheerde studies het die voordele van so 'n bronanalise-gebaseerde BRK voorgestel.

'n Studie uit 2014 het berig dat pasiënte met ernstige motoriese gestremdhede vinniger en meer betroubaar kon kommunikeer met nie-indringende EEG BRK as met spiergebaseerde kommunikasiekanale.

'n Studie uit 2019 het berig dat die toepassing van evolusionêre algoritmes die klassifikasie van EEG-geestestoestand met 'n nie-indringende Muse-toestel kan verbeter, wat die klassifikasie van data wat deur 'n verbruikersgraad-sensortoestel verkry word, moontlik maak.

In 'n sistematiese oorsig van gerandomiseerde beheerde proewe in 2021 wat BRK vir rehabilitasie van die boonste ledemate na 'n beroerte gebruik het, is berig dat EEG-gebaseerde BRK doeltreffend is in die verbetering van die motoriese funksie van die boonste ledemate in vergelyking met kontroleterapieë. Meer spesifiek, BRK -studies wat bandkragkenmerke, motoriese beeldvorming en funksionele elektriese stimulasie gebruik het, is berig as meer effektief as alternatiewe. Nog 'n sistematiese oorsig in 2021 het gefokus op robotgeassisteerde EEG-gebaseerde BRK vir handrehabilitasie na 'n beroerte. Verbetering in motoriese assesseringstellings is waargeneem in drie van elf studies.

Droë aktiewe elektrode-skikkings
In die vroeë 1990's het Babak Taheri, aan die Universiteit van Kalifornië, Davis, die eerste enkel- en meerkanaal droë aktiewe elektrode-skikkings gedemonstreer. Daar is gedemonstreer dat die geskikte elektrode goed presteer in vergelyking met silwer/silwerchloried-elektrodes. Die toestel het bestaan uit vier sensorplekke met geïntegreerde elektronika om geraas te verminder deur impedansie-aanpassing. Die voordele van sulke elektrodes is:
geen elektroliet gebruik nie,
geen velvoorbereiding nie,
aansienlik verminderde sensorgrootte,
versoenbaarheid met EEG-moniteringstelsels.
Die aktiewe elektrode-skikking is 'n geïntegreerde stelsel wat 'n skikking van kapasitiewe sensors met plaaslike geïntegreerde stroombane bevat, verpak met batterye om die stroombane aan te dryf. Hierdie vlak van integrasie was nodig om die resultaat te bereik.
Die elektrode is op 'n toetsbank en op menslike proefpersone in vier modaliteite getoets, naamlik:
spontane EEG,
sensoriese gebeurtenisverwante potensiale,
breinstampotensiale,
kognitiewe gebeurtenisverwante potensiale.

Prestasie het gunstig vergelyk met dié van standaard nat elektrodes in terme van velvoorbereiding, geen gelvereistes (droog) en 'n hoër sein-tot-ruisverhouding nie.Active Micromachined Scalp Electrode Array for Eeg Signal Recording, Alizadeh-Taheri B, PHD Thesis, 1994, 82

In 1999 het Hunter Peckham en ander aan die Case Western Reserve-universiteit 'n EEG-skedelkap met 64 elektrodes gebruik om beperkte handbewegings aan 'n kwadrupleeg terug te gee. Terwyl hy op eenvoudige maar teenoorgestelde konsepte soos op en af gekonsentreer het, is 'n basiese patroon in sy beta-ritme EEG-uitset geïdentifiseer en gebruik om 'n skakelaar te beheer: Bogemiddelde aktiwiteit is geïnterpreteer as aan, ondergemiddeld af. Die seine is ook gebruik om senuweebeheerders in sy hande aan te dryf, wat 'n mate van beweging herstel het.

Verwysings

Kategorie:Brein
Kategorie:Rekenaars