Tablets en andere mobiele computerapparatuur maken deel uit van het dagelijks leven, maar het gebruik ervan kan moeilijk zijn voor mensen met verlamming. Nieuw onderzoek van het BrainGate-consortium laat zien dat een brain-computer interface (BCI) mensen met verlamming in staat kan stellen om direct een kant-en-klaar tablet-apparaat te bedienen door alleen maar na te denken over het maken van cursorbewegingen en klikken.

In een studie gepubliceerd op 21 november in PLOS EEN , drie deelnemers aan klinische onderzoeken met tetraplegie, elk van hen gebruikte de BrainGate BCI voor onderzoek die neurale activiteit rechtstreeks registreert van een kleine sensor die in de motorische cortex is geplaatst, konden navigeren door veelgebruikte tabletprogramma's, inclusief e-mail, chatten, apps voor het streamen van muziek en het delen van video's. De deelnemers berichtten met familie, vrienden, leden van het onderzoeksteam en hun mededeelnemers. Ze surften op internet, het weer gecheckt en online gewinkeld. Een deelnemer, een muzikant, speelde een fragment van Beethoven's "Ode to Joy" op een digitale piano-interface.

"Voor jaren, de BrainGate-samenwerking heeft gewerkt aan de ontwikkeling van de neurowetenschap en neuro-engineering knowhow om mensen die motorische vermogens hebben verloren in staat te stellen externe apparaten te bedienen door alleen maar na te denken over de beweging van hun eigen arm of hand, " zei dr. Jaimie Henderson, een senior auteur van het artikel en een neurochirurg van de Stanford University. "In dit onderzoek, we hebben die knowhow aangewend om het vermogen van mensen te herstellen om exact dezelfde alledaagse technologieën te controleren die ze gebruikten vóór het begin van hun ziekte. Het was geweldig om te zien hoe de deelnemers zich uitten of gewoon een nummer vonden dat ze wilden horen."

De BrainGate BCI voor onderzoek omvat een implantaat ter grootte van een baby-aspirine dat de signalen detecteert die verband houden met beoogde bewegingen die in de motorische cortex van de hersenen worden geproduceerd. Die signalen worden vervolgens gedecodeerd en doorgestuurd naar externe apparaten. BrainGate-onderzoekers en andere groepen die vergelijkbare technologieën gebruiken, hebben aangetoond dat het apparaat mensen in staat kan stellen robotarmen te bewegen of de controle over hun eigen ledematen terug te krijgen, ondanks het verlies van motorische vermogens door ziekte of letsel. Deze studie van de samenwerking omvat wetenschappers, ingenieurs en artsen van het Carney Institute for Brain Science van de Brown University, het Providence Veterans Affairs Medical Center (PVAMC), Massachusetts General Hospital (MGH) en Stanford University.

Twee van de deelnemers aan deze laatste studie hadden zwakte of bewegingsverlies van hun armen en benen als gevolg van amyotrofische laterale sclerose (ALS), een progressieve ziekte die de zenuwen in de hersenen en de wervelkolom aantast die de beweging controleren. De derde deelnemer was verlamd door een dwarslaesie. Allen namen deel aan een klinische proef die was gericht op het beoordelen van de veiligheid en haalbaarheid van het onderzoekssysteem BrainGate.

Voor deze studie is neurale signalen van de BrainGate BCI werden doorgestuurd naar een Bluetooth-interface die geconfigureerd was om te werken als een draadloze muis. De virtuele muis werd vervolgens gekoppeld aan een ongewijzigde Google Nexus 9-tablet. De deelnemers werden vervolgens gevraagd om een ​​reeks taken uit te voeren die waren ontworpen om te zien hoe goed ze konden navigeren binnen een verscheidenheid aan veelgebruikte apps, en ga van app naar app. De deelnemers bladerden door muziekselecties op een streamingdienst, gezocht naar video's op YouTube, scrolde door een nieuwsaggregator en stelde e-mails en chats samen.

De studie toonde aan dat deelnemers tot 22 point-and-click-selecties per minuut konden maken terwijl ze verschillende apps gebruikten. In tekst-apps, de deelnemers konden tot 30 effectieve tekens per minuut typen met behulp van standaard e-mail- en tekstinterfaces.

De deelnemers gaven aan dat ze de interface intuïtief en leuk vonden om te gebruiken, merkte de studie op. Een zei, "Het voelde natuurlijker dan de keren dat ik me herinner dat ik een muis gebruikte." Een ander meldde dat ik "meer controle hierover had dan wat ik normaal gebruik".

De onderzoekers waren verheugd om te zien hoe snel de deelnemers de tablet-interface gebruikten om hun hobby's en interesses te verkennen.

"Het was geweldig om te zien hoe onze deelnemers zich een weg baanden door de taken die we hen vroegen uit te voeren, maar het meest bevredigende en leuke deel van het onderzoek was wanneer ze gewoon deden wat ze wilden doen:de apps gebruiken die ze leuk vonden om te winkelen, video's kijken of gewoon chatten met vrienden, " zei hoofdauteur Dr. Paul Nuyujukian, een bio-ingenieur aan Stanford. "Een van de deelnemers vertelde ons aan het begin van de proef dat een van de dingen die ze heel graag wilde doen, was weer muziek spelen. Dus om haar te zien spelen op een digitaal keyboard was fantastisch."

Het feit dat de tablet-apparaten volledig ongewijzigd waren en alle vooraf geladen toegankelijkheidssoftware hadden uitgeschakeld, was een belangrijk onderdeel van het onderzoek, aldus de onderzoekers.

"De ondersteunende technologieën die vandaag beschikbaar zijn, hoewel ze belangrijk en nuttig zijn, zijn allemaal inherent beperkt in termen van ofwel de snelheid van gebruik die ze mogelijk maken, of de flexibiliteit van de interface, " zei Krishna Shenoy, een senior auteur van het artikel en een elektrotechnisch ingenieur en neurowetenschapper aan de Stanford University en het Howard Hughes Medical Institute. "Dat komt grotendeels door de beperkte ingangssignalen die beschikbaar zijn. Met de rijkdom van de input van de BCI, we konden gewoon twee tablets kopen op Amazon, zet Bluetooth aan en de deelnemers kunnen ze direct uit de doos gebruiken met ons onderzoeks-BrainGate-systeem."

De onderzoekers zeggen dat de studie ook het potentieel heeft om belangrijke nieuwe communicatielijnen te openen tussen patiënten met ernstige neurologische gebreken en hun zorgverleners.

"Dit heeft een groot potentieel voor het herstellen van betrouwbare, rapid and rich communication for somebody with locked-in syndrome who is unable to speak, " said Jose Albites Sanabria, who performed this research as a graduate student in biomedical engineering at Brown University. "That not only could provide increased interaction with their family and friends, but can provide a conduit for more thoroughly describing ongoing health issues with caregivers."

As a neuroscientist and practicing critical care neurologist, senior author Dr. Leigh Hochberg of Brown University, Massachusetts General Hospital and the Providence VA Medical Center sees tremendous potential for the restorative capabilities of BCIs exemplified in this study.

"When I see somebody in the neuro-intensive care unit who has had an acute stroke and has lost the ability to move or communicate, I'd like to be able to say, 'I'm very sorry this has happened, but we can restore your ability to use the technologies you were using before this happened, and you'll be able to use them again tomorrow, '" Hochberg said. "And we are getting closer to being able to tell someone who has been diagnosed with ALS, 'even while we continue to seek out a cure, you will never lose the ability to communicate.' This work is a step toward those goals."