Beyin-bilgisayar arayüzleri (brain-computer interface – BCI), bir gün beyin veya omurga y∂r∂I∂nm∂sı olan kişilerin hareket etmelerine veya iletişim kurmalarına yardımcı olabilmek için ortaya çıkan yardımcı cihazlardır.
BCI sistemleri, beyindeki elektrik sinyallerini kaydeden ve bu sinyalleri bilgisayarlar veya robotik protezler gibi harici cihazları çalıştırmak için kullanan implante edilebilir sensörlere dayanır.
Mevcut BCI sistemlerinin çoğu, birkaç yüze kadar nöronu örneklemek için bir veya iki sensör kullanır, ancak sinirbilimciler, çok daha büyük beyin hücre gruplarından veri toplayabilen sistemlerle ilgilenirler. Yeni nörotaneler (neurograins), nöronları ateşleyerek yapılan elektriksel darbeleri bağımsız olarak kaydeder ve sinyalleri koordine eden kablosuz merkezi bir kanala gönderebilir.
BEYNİ KAYDETME VE UYARMA
Nature Electronics’te yapılan bir çalışmada, araştırmacılar, 50 beyin implantıyla, bir kemirgenin sinirsel aktivitesinin (otonom sinir hücresinin) kaydedilebilir olduğunu gösterdi. Bu durum, omurga veya beyin hasarı yaşayan kişiler için daha iyi terapötiklere (tedavi edici gelişmelere) yol açabilecek bir gelişme. (Otonom sinir sistemi kalp kası, düz kas ve dış salgı bezlerini kontrol eder.)
Sonuçlar, diyorlar ki, bir gün beyin sinyallerinin benzeri görülmemiş bir ayrıntıda kaydedilmesini sağlayabilecek ve beynin nasıl çalıştığına dair yeni anlayışlara ve beyin hasarı veya omurga y∂r∂I∂nm∂sı olan insanlar için yeni tedavilere yol açabilecek bir sisteme doğru bir adım.
Brown Üniversitesi Mühendislik Okulu’nda profesör olan kıdemli yazar Arto Nurmikko, “Beyin-bilgisayar arayüzleri alanındaki en büyük zorluklardan biri, beyindeki mümkün olduğunca çok noktayı araştırmak için mühendislik yöntemleridir” diyor.
“Şimdiye kadar, çoğu BCI cihazları yekpare cihazlardı. (yekpare: bir tek parçadan oluşan, bütün.) Ekibimizin fikri, yekpare olan cihazı, serebral kortekse dağıtılabilen küçük sensörlere ayırmaktı. Burada gösterebildiğimiz şey bu.”
Ekip, sistemi geliştirme çalışmalarına yaklaşık dört yıl önce başladı. Brown’s Carney Beyin Bilimi Enstitüsü’ne bağlı olan Nurmikko, zorluğun iki kısımdan oluştuğunu söyledi.
İlk kısım, nöral sinyallerin saptanması, büyütülmesi ve küçük silikon nörograin çiplerine iletilmesiyle ilgili karmaşık elektroniklerin küçültülmesini gerektiriyordu. Ekip ilk olarak elektroniği bir bilgisayarda tasarlayıp simüle etti ve operasyonel çipler geliştirmek için birkaç üretim yinelemesinden geçti.
İkinci zorluk, bu küçük çiplerden sinyalleri alan vücut-harici iletişim merkezini geliştirmekti. Kemirgenlerin kullanıldığı halihazırdaki çalışmada harici cihaz, kafatasının dışındaki kafa derisine bağlanan yaklaşık bir başparmak izi boyutundaki ince bir yama. Her biri kendi ağ adresine sahip olan sinir hücrelerinden gelen sinyalleri koordine etmek için bir ağ protokolü kullanan minyatür bir baz istasyonu gibi çalışır. Bu yama aynı zamanda, minimum miktarda elektrik kullanarak çalışacak şekilde tasarlanmış nörotanelere kablosuz olarak güç sağlar.
Brown’da doktora sonrası araştırmacı olan baş yazar Jihun Lee, “Bu çalışma gerçek bir multidisipliner zorluktu” diyor. “Nörotane sistemini tasarlamak ve çalıştırmak için elektromanyetik, radyo frekansı iletişimi, devre tasarımı, üretim ve sinirbilim alanındaki uzmanlığı bir araya getirmemiz gerekiyordu.”
Nörotanelerin Geleceği
Yeni çalışmanın amacı, sistemin canlı bir beyinden, yani bir kemirgen beyninden gelen sinir sinyallerini kaydedebildiğini göstermekti. Ekip, hayvanın beynin dış tabakası olan serebral korteksine 48 nörogren yerleştirdi ve spontan beyin aktivitesiyle ilişkili karakteristik sinir sinyallerini başarıyla kaydetti.
Ekip ayrıca, cihazların beyni uyarma ve ondan kayıt yapma yeteneğini de test etti. Stimülasyon, sinirsel aktiviteyi aktive edebilen küçük elektrik darbeleriyle yapılır. Araştırmacılar, stimülasyonun nöral kaydını koordine eden aynı merkez tarafından yönlendirildiğini ve bir gün hastalık veya y∂r∂I∂nm∂ nedeniyle kaybedilen beyin fonksiyonlarını geri getirebileceğini umuyor.
Hayvanın beyninin büyüklüğü, bu çalışma için ekibi 48 nörotane ile sınırladı, ancak veriler, sistemin mevcut konfigürasyonunun 770 taneye kadar destekleyebileceğini gösteriyor. Nihayetinde, ekip, binlerce sinir hücresine kadar ölçeklendirmeyi öngörüyor.
Bu eksiksiz sistemi gerçeğe dönüştürmek için yapılacak daha çok iş var, ancak araştırmacılar bu çalışmanın bu yönde önemli bir adımı temsil ettiğini söylüyor.
Nurmikko, “Umudumuz, nihayetinde beyne yeni bilimsel bakış açıları ve tahripkâr y∂r∂I∂nm∂l∂rd∂n etkilenen insanlara yardımcı olabilecek yeni tedaviler sağlayan bir sistem geliştirebilmemizdir ” diyor.
Ek ortak yazarlar, California Üniversitesi, San Diego’dan; Qualcomm; Baylor Üniversitesi; ve Brown Üniversitesi. Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı çalışmayı finanse etti.
Kaynak: Brown Üniversitesi