Συσκευή υπερήχων «διαβάζει τις προθέσεις μας στον εγκέφαλο»

Ένα νέο σύστημα που «διαβάζει τη σκέψη» χωρίς να απαιτεί την εμφύτευση ηλεκτροδίων στον εγκέφαλο δοκιμάστηκε με επιτυχία σε πιθήκους, ένα επίτευγμα που ίσως μια μέρα επιτρέψει σε παράλυτους ασθενείς να ελέγχουν με τη σκέψη υπολογιστές ή ρομποτικούς βραχίονες.

Την τελευταία δεκαετία έχει παρουσιαστεί μια πληθώρα συστημάτων «διεπαφής εγκεφάλου-υπολογιστή» που διαβάζουν τη σκέψη, όλα όμως παρουσιάζουν σημαντικά μειονεκτήματα και ακόμα δεν χρησιμοποιούνται ευρέως στην κλινική πράξη.

Μια από τις προσεγγίσεις που εφαρμόζονται αξιοποιεί δεδομένα από ηλεκτροεγκεφαλογράφους, μια αναίμακτη τεχνική η οποία όμως προσφέρει μειωμένη ανάλυση και δεν μπορεί να καταγράψει την ενεργοποίηση μεμονωμένων νευρώνων.

Μια άλλη προσέγγιση αφορά τη χειρουργική εμφύτευση ηλεκτροδίων που παρακολουθούν τη δραστηριότητα ακόμα και μεμονωμένων νευρώνων. Το πρόβλημα σε αυτή την περίπτωση είναι ότι για την εμφύτευση των ηλεκτροδίων απαιτείται η αφαίρεση τμήματος του κρανίου και το κόψιμο της σκληρής μήνιγγας, του βασικού προστατευτικού περιβλήματος του εγκεφάλου.

Τη λύση υπόσχονται τώρα να δώσει το «λειτουργικό υπερηχογράφημα», μια παραλλαγή των υπερηχογράφων που χρησιμοποιούν οι γυναικολόγοι για να απεικονίσουν το αναπτυσσόμενο έμβρυο. Μια συσκευή που ονομάζεται μορφομετατροπέας εκπέμπει παλμούς εστιασμένων υπερήχων, οι οποίοι ανακλώνται και αποκαλύπτουν τα όρια ανάμεσα σε διαφορετικούς ιστούς.

Στη νέα μελέτη, διεθνής ομάδα ερευνητών χρησιμοποίησε έναν μορφομετατροπέα που εκπέμπει μια πλατιά δέσμη υπερήχων για να παρακολουθεί τη ροή του αίματος στον οπίσθιο βρεγματικό φλοιό, μια περιοχή του εγκεφάλου που εμπλέκεται στον προγραμματισμό κινήσεων. Όσο πιο έντονη η ροή του αίματος σε μια περιοχή, τόσο πιο έντονη η δραστηριότητα των νευρώνων σε αυτή την περιοχή.

Η μέθοδος δεν είναι εντελώς αναίμακτη, αφού απαιτεί την αφαίρεση ενός μικρού τμήματος του κρανίου. Δεν απαιτεί τομές στη σκληρή μήνιγγα ή εμφύτευση ηλεκτροδίων βαθιά στον εγκέφαλο.

Τομογραφία των εγκεφαλικών αγγείων των πειραματόζωων σε απεικόνιση του λειτουργικού υπερηχογράφου  (S. Norman / Caltech)

Η νέα τεχνική δοκιμάστηκε σε δύο μακάκους ρέζους, οι οποίοι είχαν εκπαιδευτεί να στρέφουν το βλέμμα ή τα άνω άκρα τους προς τα δεξιά ή προς τα αριστερά όταν έβλεπαν μια κουκίδα στην οθόνη.

Σε πρώτη φάση, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τη συσκευή υπερήχων για να διαβάσουν την εγκεφαλική δραστηριότητα που συνόδευε κάθε κίνηση των πειραματόζωων. Τα δεδομένα τροφοδοτήθηκαν σε έναν αλγόριθμο μηχανικής μάθησης που σταδιακά έμαθε την αντιστοίχιση ανάμεσα στα μοτίβα της εγκεφαλικής δραστηριότητας και τις φυσικές κινήσεις.

Στην επόμενη φάση, οι ερευνητές ζήτησαν από τον αλγόριθμο να μαντέψει ποια κίνηση θα εκτελούσε κάθε πειραματόζωο στη διάρκεια του τεστ.

Ο αλγόριθμος μπορούσε να προβλέψει την κατεύθυνση της κίνησης με αξιοπιστία 78% στις κινήσεις των ματιών και 89% στις κινήσεις των χεριών, αναφέρουν οι ερευνητές στην έγκριτη επιθεώρηση Neuron.

Μάλιστα η συσκευή υπερήχων διαπιστώθηκε ότι μπορεί να καταγράφει τη δραστηριότητα μιας περιοχής του εγκεφάλου με διάμετρο μόλις 100 μικρόμετρα, περίπου 10 φορές το πλάτος ενός μεμονωμένου νευρώνα. Αυτό σημαίνει ότι η τεχνική προσφέρει υψηλότερη ανάλυση από τη λειτουργική μαγνητική τομογραφία, μια απεικονιστική εξέταση που παρακολουθεί την εγκεφαλική δραστηριότητα σε πραγματικό χρόνο, λένε οι ερευνητές.

Ακόμα κι έτσι όμως ο υπερηχογράφος δεν πετυχαίνει την ανάλυση που προσφέρουν τα εμφυτευμένα ηλεκτρόδια, παραδέχεται η ερευνητική ομάδα.

Το γεγονός όμως ότι η τεχνική δεν απαιτεί τόσο εκτεταμένη χειρουργική επέμβαση δημιουργεί τώρα ελπίδες για τους παράλυτους ασθενείς, πολλοί από τους οποίους δεν ενθουσιάζονται με την ιδέα της εμφύτευσης καλωδίων στον εγκέφαλο.

Επόμενο βήμα των ερευνητών θα είναι να συνδέσουν το σύστημα με έναν ρομποτικό βραχίονα για να διαπιστώσουν αν μπορούν να μετατρέψουν τις σκέψεις των πιθήκων σε κινήσεις.