رمزگشایی حرکت و گفتار از مغز یک فرد چهار پلژی

تحقیقات جدید ناحیه‌ای از مغز را شناسایی می‌کند که در آن می‌توان هم چنگ زدن‌های تصوری دست و هم کلمات گفتاری را رمزگشایی کرد، که نشان‌دهنده یک منطقه کاندید امیدوارکننده برای ایمپلنت‌های مغزی برای کاربردهای پروتز عصبی است.

هر ساله زندگی صدها هزار نفر به دلیل از دست دادن توانایی حرکت یا صحبت کردن در نتیجه آسیب ستون فقرات، سکته مغزی یا بیماری های عصبی به شدت مختل می شود. در Caltech، دانشمندان علوم اعصاب در آزمایشگاه ریچارد اندرسن، جیمز جی. بوسول، پروفسور علوم اعصاب، و صندلی رهبری و مدیر مرکز رابط مغز و ماشین Tianqiao و Chrissy Chen، در حال مطالعه هستند که چگونه مغز حرکات و گفتار را رمزگذاری می کند تا به طور بالقوه این عملکردها را به افرادی که آنها را از دست داده اند بازیابی کنید.

رابط‌های مغز و ماشین (BMI) دستگاه‌هایی هستند که سیگنال‌های مغز را ضبط می‌کنند و آن‌ها را برای صدور فرمان‌هایی تفسیر می‌کنند که دستگاه‌های کمکی خارجی، مانند رایانه‌ها یا اعضای روباتیک را کار می‌کنند. بنابراین، یک فرد می تواند چنین ماشینی را فقط با افکار خود کنترل کند. به عنوان مثال، در سال 2015، تیم اندرسن و همکارانش با یک شرکت‌کننده تتراپلژیک برای کاشت الکترودهای ضبط در بخشی از مغز که قصد حرکت را ایجاد می‌کند، کار کردند. BMI شرکت‌کننده را قادر می‌سازد تا فقط با فکر کردن در مورد آن اعمال، یک اندام روباتیک را برای دراز کردن و گرفتن فنجان هدایت کند.

اکنون، تحقیقات جدید از آزمایشگاه اندرسن، ناحیه ای از مغز به نام شکنج فوق حاشیه ای (SMG) را شناسایی کرده است که هم حرکات و هم گفتار را کد می کند – که نشان دهنده یک منطقه نامزد امیدوارکننده برای کاشت BMI کارآمدتر است که می تواند چندین نوع را کنترل کند. پروتز در هر دو حوزه درک و گفتار.

این تحقیق در مقاله ای که در مجله ظاهر می شود شرح داده شده است نورون در 31 مارس. سارا واندلت، که دانشجوی کارشناسی ارشد در برنامه محاسبات و سیستم های عصبی در Caltech است، اولین نویسنده این مطالعه است.

مکان دقیق در مغز که الکترودها در آن کاشته می شوند بر عملکرد BMI و آنچه دستگاه می تواند از سیگنال های مغزی تفسیر کند تأثیر می گذارد. در مطالعه قبلی در سال 2015 که قبلاً ذکر شد، آزمایشگاه کشف کرد که BMIها می‌توانند اهداف حرکتی را در حین برنامه‌ریزی حرکتی رمزگشایی کنند، بنابراین قبل از شروع آن عمل، اگر سیگنال‌هایی را از ناحیه سطح بالای مغز که بر مقاصد حاکم است بخوانند: قشر جداری خلفی (PPC). بنابراین، کاشت الکترود در این ناحیه می‌تواند منجر به کنترل رپرتوار بسیار بزرگ‌تری از حرکات نسبت به نواحی حرکتی تخصصی‌تر مغز شود.

به دلیل توانایی رمزگشایی قصد و تبدیل آن به حرکت، یک ایمپلنت در PPC فقط به این نیاز دارد که بیمار در مورد تمایل به گرفتن یک شی فکر کند نه اینکه هر کدام از حرکات دقیق دخیل در گرفتن را متصور شود – باز کردن دست، باز کردن هر یک از آنها. انگشت، قرار دادن دست در اطراف یک شی، بستن هر انگشت، و غیره.

واندلت می‌گوید: «وقتی دستتان را برای گرفتن یک فنجان آب دراز می‌کنید، آگاهانه به حرکات دقیق مربوط به چنگ زدن فکر نمی‌کنید، بلکه فقط به عملکرد دلخواه خود فکر می‌کنید و قسمت‌های حرکتی تخصصی‌تر شما بقیه را انجام می‌دهند.» همانطور که در این مطالعه کشف کردیم، هدف ما یافتن مناطقی از مغز است که می‌توان آن‌ها را به راحتی توسط BMI رمزگشایی کرد تا حرکات کامل یا حتی گفتار تولید کند.

SMG یک منطقه در PPC است. مطالعات قبلی با پستانداران غیرانسانی و تصویربرداری تشدید مغناطیسی عملکردی (fMRI) که با انسان انجام شده بود نشان داد که SMG برای گرفتن حرکات فعال می‌شود. در این تحقیق جدید، تیم آرایه‌ای از میکروالکترودها را در SMG یک شرکت‌کننده تتراپلژیک کاشته و سپس فعالیت مغز را در حالی که فرد تصور می‌کرد در حال گرفتن حرکات است، اندازه‌گیری کرد. ایمپلنت آرایه الکترود، که دارای 96 الکترود ضبط بر روی یک تراشه 4.4 در 4.2 میلی متر مربع، کوچکتر از ناخن انگشت شست است، فعالیت 40 تا 50 نورون را در طول هر جلسه ضبط اندازه گیری می کند. این مطالعه برای اولین بار نشان داد که جمعیت‌های نورون‌های منفرد در SMG انسانی انواع مختلفی از درک تصوری را رمزگذاری می‌کنند.

سپس، تیم تحقیقات قبلی را دنبال کرد که نشان می‌داد SMG در فرآیندهای زبانی دخالت دارد تا ببیند آیا گفتار می‌تواند از سیگنال‌های عصبی ثبت‌شده از ایمپلنت رمزگشایی شود یا خیر. محققان از شرکت‌کننده خواستند کلمات خاصی را بیان کند و به طور همزمان فعالیت SMG را اندازه‌گیری کردند. این آزمایش‌ها نشان داد که کلمات گفتاری، چه از انواع چنگ زدن (به عنوان مثال، موقعیت دست به نام سه‌پایه نوشتن یا نیشگون گرفتن کف دست) یا رنگ‌های گفتاری (مانند “سبز” یا “زرد”) را می‌توان از فعالیت عصبی رمزگشایی کرد. این نشان می‌دهد که SMG منطقه مناسبی برای کاشت BMI است، زیرا BMI می‌تواند به پروتزی متصل شود که فرد را قادر به حرکت و صحبت کردن می‌کند.

اندرسن می‌گوید: «یافتن ناحیه‌ای که هم درک تصوری و هم کلمات گفتاری را رمزگذاری می‌کند، مفهوم BMI شناختی را گسترش می‌دهد، که در آن سیگنال‌های نواحی شناختی سطح بالای مغز می‌توانند طیف بسیار زیادی از سیگنال‌های مفید مغز را ارائه دهند. “در این مطالعه، فعالیت های مربوط به گفتار برای کلمات گفتاری بود، و قدم بعدی ما این است که ببینیم آیا گفتار تصور شده، آن گفتگوی درونی که با خودمان داریم، می تواند از SMG نیز رمزگشایی شود.”

این مقاله با عنوان «رمزگشایی سیگنال‌های درک و گفتار از مدار درک قشر مغز در یک انسان چهار پلژیک» ​​است و در نورون.