Durham, NC (USA) - Forscher an der Duke University Medical Center haben gelehrt, Rhesus-Affen, die bewusst Kontrolle der Verbringung von einem Roboterarm in Echtzeit, mit nur Signale aus ihrer Gehirne und visuelles Feedback auf einem Bildschirm . Die Wissenschaftler sagen, dass die Tiere offenbar für den Betrieb des Roboterarms, als ob es ihre eigenen Gliedmaßen.
Die Wissenschaftler und Ingenieure, sagte deren Verwirklichung ist ein wichtiger Schritt in Richtung Technologie, könnte es erlauben, gelähmt Menschen zu kontrollieren "neuroprosthetic" Gliedmaßen, und auch Free-Roaming "neurorobots" mit Gehirn Signale.
Wichtig ist, sagte der Neurobiologen, die Technologie entwickelten sie für die Auswertung Gehirn Signale von Tieren verhalten könnte auch deutlich verbessern Rehabilitation von Menschen mit Gehirn und Rückenmark Schäden durch Schlaganfall, Krankheit oder Trauma.
Durch das Verständnis der biologischen Faktoren, die die Anpassungsfähigkeit des Gehirns, sagten sie, Kliniker entwickeln könnte verbessert Drogen und Methoden der Rehabilitation für Menschen mit solcher Schäden.
Der Vorschuß wurde berichtet in einem Artikel online veröffentlicht Oktober 13, 2003, in der Public Library of Science (PLoS), von Neurobiologen der Leitung von Miguel Nicolelis, MD, wer ist Professor für Neurobiologie und Co-Direktor des Duke Center for Neuroengineering.
Lead-Autor des Papiers wurde Jose Carmena, Ph.D., in der Nicolelis Labor. Neben Nicolelis, die anderen Senior Co-Autor ist Craig Henriquez, Ph.D., Associate Professor für Biomedizinische Technik in der Pratt School of Engineering, der auch die anderen Center Co-Direktor.
Die Forschung wurde finanziert von der Defense Advanced Research Projects Agency und die James S. McDonnell Foundation.
Nicolelis zitiert zahlreiche Forscher an anderen Institutionen, deren Arbeit wurde von zentraler Bedeutung für den Bereich der Gehirn-Maschine-Schnittstellen und im Verständnis des Gehirns - und deren Erkenntnisse dazu beigetragen, dazu führen, dass die neueste Errungenschaft.
Dazu gehören John Chapin, Ph.D., State University of New York Health Science Center, Brooklyn; Eberhard Fetz, Ph.D., University of Washington, Seattle; Jon Kaas, Ph.D., Vanderbilt Universität; Idan Segev, Ph.D., Hebrew University, Jerusalem, und Karen Moxon, Ph.D., Drexel University.
In früheren Forschung, Nicolelis und seine Kollegen gezeigt, ein Gehirn-Signal-Erfassung und Auswertung System aktiviert, dass sie zu entschlüsseln Gehirn Signale von Eule Affen, um die Bewegung eines Roboterarms.
Die neueste Arbeit von der Duke Forscher ist das erste zu zeigen, dass Affen lernen können, dass lediglich visuelle Feedback und Gehirn Signale, ohne Rückgriff auf jede Bewegung, für die Ansteuerung eines mechanischen Roboterarm - einschließlich erreichen und das Greifen Bewegungen.
In ihren Experimenten haben die Forscher erste implantiert ein Palette von Mikroelektroden - jede kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares - in der Frontal-und parietal Lappen der Gehirne von zwei weiblichen Rhesus-Affen Makak. Sie implantierten Elektroden 96 in ein Tier und 320 in den anderen.
Die Forscher berichtet, ihre Technologie der Implantation Arrays von Hunderten von Elektroden und die Aufnahme von ihnen über lange Zeiträume in einem September 16, 2003, Artikel in den Proceedings der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
Die Forscher wählten und parietalen frontalen Bereichen des Gehirns, weil sie bekannt ist, dass sie an der Erstellung mehrere Ausgabe-Befehle zur Steuerung komplexer Bewegung.
Die schwache Signale von den Elektroden-Arrays wurden entdeckt und analysiert werden durch das EDV-System der Forscher entwickelt hatte zu erkennen Muster von Signalen, dass insbesondere vertreten durch die Bewegungen eines Tieres Arm.
In der ersten Behavioral Experimente, die Forscher erfasst und analysiert die Signale aus der Affen "Gehirn als die Tiere wurden gelehrt, ein Joystick, um beide Position ein Cursor über ein Ziel auf einem Bildschirm zu erfassen und den Joystick mit einer bestimmten Kraft.
Nach der Tiere "Erstausbildung, aber die Forscher aus den Cursor mehr als eine einfache Anzeige - jetzt mit in seine Bewegung die Dynamik, wie Trägheit und Dynamik, mit einem Roboterarm Funktionieren in einem anderen Raum.
Während die Tiere die Leistung zunächst abgelehnt, wenn der Roboterarm wurde in den Feedback-Schleife, sie schnell gelernt, damit für diese Dynamik und wurde geübt in der Manipulation, die Roboter-Cursor, fanden die Wissenschaftler.
Die Wissenschaftler nächsten entfernt den Joystick, nach denen die Affen weiter zu bewegen ihre Arme in Mittel-Luft zu manipulieren und "Greifer" den Cursor, damit die Kontrolle der Roboterarm.
"Die meisten erstaunlichen Ergebnis, obwohl, war, dass nach nur wenigen Tagen von der Wiedergabe mit dem Roboter auf diese Art, der Affe plötzlich klar, dass sie nicht brauchen, um ihren Arm auf allen", sagte Nicolelis.
"Ihr Arm Muskeln ging völlig ruhig, sie halten den Arm auf ihrer Seite und sie kontrollierte den Roboterarm mit nur ihr Gehirn und visuelles Feedback. Unsere Analysen des Gehirns Signale zeigten, dass das Tier gelernt, die durch die Roboter-Arm in ihr Gehirn, als ob es ihre eigenen Arm. "
Wichtig ist, sagte Nicolelis, die Experimente sowohl zu erreichen und das Greifen Bewegungen, aber aus den gleichen Sätze von Elektroden.
"Wir wussten, dass die Neuronen, aus denen wir die Aufnahme könnte kodieren verschiedene Arten von Informationen", sagte Nicolelis. "Aber was war eine Überraschung ist, dass das Tier lernen kann zu Zeit die Aktivität der Neuronen zu Grunde Kontrolle verschiedene Arten von Parametern der Reihe.
Zum Beispiel, nach dem mit einer Gruppe von Neuronen, um den Roboter zu einem bestimmten Punkt, diese Zellen dann die Kraft, dass die Tiere brauchen, um ein Objekt. Keiner von uns hatte jemals ein, die Fähigkeit so. "
Auch wichtig ist, sagte Nicolelis, Auswertung der Signale von den Tieren "Gehirn, da sie gelernt hat ergeben, dass die Gehirn-Schaltung wurde aktiv Sanierung selbst, sich anzupassen.
"Es war außergewöhnlich, um zu sehen, dass wir eingeschaltet, wenn das Tier aus Joystick Kontrolle zu Brain Control, die physiologischen Eigenschaften von Zellen des Gehirns verändert sofort. Und wenn wir wechselte das Tier zurück zum Joystick steuern die schon am nächsten Tag, die Eigenschaften verändert werden.
"Diese Ergebnisse sagen uns, dass das Gehirn ist so erstaunlich anpassungsfähig, dass sie können ein externes Gerät in sein eigenes" neuronalen Raum "als eine natürliche Erweiterung des Körpers", sagte Nicolelis.
"Eigentlich sehen wir, diese jeden Tag, wenn wir eine beliebige Werkzeug, mit einem Bleistift auf ein Auto. Wie wir lernen, dass Werkzeug, wir die Eigenschaften von Werkzeug, dass in unserem Gehirn, das macht uns geübt im Umgang mit ihr. " Said Nicolelis, wie Ergebnisse der Plastizität des Gehirns in reifen Tieren und Menschen sind in scharfem Kontrast zu den traditionellen Auffassungen, dass nur in der Kindheit ist das Gehirn Kunststoff genug, um für eine solche Anpassung.
Nach Nicolelis, die Feststellung, dass ihre Gehirn-Maschine-Schnittstelle System arbeiten können bei Tieren haben unmittelbare Anwendung für die klinische Entwicklung von neuroprosthetic Geräte für Menschen gelähmt.
"Es ist sicherlich ein sehr viel von Wissenschaft und Technik zu tun, um diese Technologie zu entwickeln und zu erstellen Systeme, die genutzt werden kann sicher beim Menschen", sagte er. "Doch die bisherigen Ergebnisse führen uns zu der Annahme, dass diese Gehirn-Maschine-Schnittstellen halten enormen Versprechen für die Wiederherstellung der Funktion gelähmt Menschen."
Die Forscher sind bereits die Durchführung von vorbereitenden Studien der menschlichen Themen, in denen sie die Durchführung von Analysen Gehirn Signale, um festzustellen, ob diese Signale korrelieren mit denen in der Tier-Modelle.
Sie sind auch mit Techniken zur Erhöhung der Langlebigkeit der Elektroden über den zwei Jahren haben sie erreicht derzeit in Studien am Tier.
Henriquez und dem Research-Team's biomedizinische andere Ingenieure aus Duke's Pratt School of Engineering arbeiten auch zu miniaturisieren die Komponenten, zu schaffen Wireless-Schnittstellen zu entwickeln und verschiedene Greifer, Handgelenk und anderen mechanischen Komponenten eines neuroprosthetic Gerät.
Und in ihren tierexperimentellen Studien, die Wissenschaftler sind Verfahren, um eine zusätzliche Quelle von Feedback an das System - in Form eines kleinen vibrierenden Gerät auf das Tier der Seite, die sagen, das Tier zu einer anderen Eigenschaft des Roboters.
Neben den Versprechen der neuroprosthetic Geräte, sagte Nicolelis, die Technologie für die Aufzeichnung und Auswertung von Signalen große Elektroden-Arrays im Gehirn wird ein noch nie da gewesenen Einblick in die Hirnfunktion und Plastizität.
"Wir haben gelernt, in unseren Studien, dass dieser Ansatz bietet wichtige Einblicke in die, wie die groß angelegte Schaltung des Gehirns funktioniert", sagte er. "Da haben wir die vollständige Kontrolle des Systems, zum Beispiel, wir können die Eigenschaften der Roboterarm und beobachten Sie in Echtzeit, wie das Gehirn passt."
Relevante Links: http://dukemednews.org/news/article.php?id=69