چگونه تکنولوژی آقایی از تحقیقات رابط مغز و کامپیوتر حمایت می کند

اصول MRI در تحقیقات رابط مغز-کامپیوتر

تصویربرداری مغناطیسی (MRI) تصاویر غیر تهاجمی و با وضوح بالا از ساختار و عملکرد مغز را فراهم می کند.برای تحقیقات مغز-کامپیوتر (BCI) این توانایی پایه است. BCIs رمزگشایی سیگنال های عصبی برای کنترل دستگاه های خارجی و نقشه برداری دقیق از فعالیت مغز ضروری است. MRI ارائه می دهد که نقشه برداری با دقت میلی متر، اجازه می دهد محققان به مشخص کردن مناطق cortical در حرکات شناختی، یا حرکات شناختی.

چگونه MRI در تصویربرداری عصبی کار می کند

MRI از خواص مغناطیسی اتم های هیدروژن در مولکول های آب بهره می برد، زمانی که در یک میدان مغناطیسی قوی قرار می گیرد و در معرض پالس های فرکانس رادیویی قرار می گیرد، این اتم ها سیگنال هایی را منتشر می کنند که به تصاویر دقیق بازسازی می شوند. برای تحقیقات BCI، دو روش اولیه MRI استفاده می شوند: MRI ساختاری و ساختار آناتومیک عملکردی جزئیات استاتیک را فراهم می کند، در حالی که MRI عملکردی (fMRI) تغییرات پویا در فعالیت های عصبی مرتبط با اکسیژن را جذب می کند.

ساختار در مقابل MRI عملکردی: ابزارهای مکمل

آر آر آر آر آر آر آر آر آر مغز را آشکار می کند – ماده خاکستری، ماده سفید و مرزهای مایع نخاعی، این برای طراحی BCIs حیاتی است که فیبری خاص یا gyri. عملکردی MRI را هدف قرار می دهد، در مقابل، سیگنال BOLD (مخش وابسته به اکسیژن) را ردیابی می کند که در مناطق فعال مغز با هم افزایش می یابد، آنها یک تصویر کامل را ارائه می دهند: که از معماری پایه ای پشتیبانی می کند.

نقش MRI در توسعه BCI

سیستم های BCI به دانش دقیق که مناطق مغز سیگنال ها را رمزگشایی می کنند، متکی هستند. MRI به طور مستقیم این فرآیند را با نقشه برداری ارتباط عصبی از قصد و عمل، مطلع می کند.این بخش بررسی می کند که چگونه MRI ساختاری و عملکردی در طراحی و بهینه سازی BCI نقش دارد.

فعالیت مغز با fMRI

MRI عملکردی به محققان اجازه می دهد تا فعالیت مغز را مشاهده کنند در حالی که یک موضوع وظایف را انجام می دهد - مانند تصور حرکت یک دست یا صحبت کردن با شناسایی مناطقی که به طور مداوم فعال می شوند، توسعه دهندگان BCI می توانند قرار دادن الکترود مطلوب یا پروتکل های آموزشی را انتخاب کنند.برای مثال، مطالعات fMRI قشر حرکتی و منطقه حرکتی مکمل را برای پیش بینی حرکت قبل از میلاد تنظیم می کند.

ساختار MRI برای BCI های شخصی

هر مغز دارای آناتومی منحصر به فرد است. آر آر آر آر آر آر آر آر است که نقشه راه فردی مورد نیاز برای هماهنگ کردن سخت افزار BCI - مانند الکترود یا پیش بینی - با نشانه های cortical کاربر نشان می دهد که این شخصی سازی کیفیت سیگنال و راحتی کاربر را بهبود می بخشد، همچنین مدل های محاسباتی را پیش بینی می کند که چگونه BCI در یک فرد معین انجام می دهد. تحقیقات نشان داده است که ترکیب داده است که با استفاده از الگوریتم های ساختاری BCI در برخی از دقت تصویر متحرک در برخی از تنظیمات تصویر متحرک تا 15٪ از وظایف طبقه بندی تصویر متحرک را افزایش دهد.

پیشرفت های کلیدی که توسط MRI فعال شده اند

پیشرفت اخیر در فناوری MRI، تحقیقات BCI را در سه حوزه اصلی تسریع کرده است: هدف قرار دادن دقت، بازخورد زمان واقعی و ادغام با یادگیری ماشین.

بهبود هدف گیری عصبی

MRI ساختاری با وضوح بالا - به ویژه در 7 تسلا و بالاتر - می تواند ستون های cortical و هسته های زیرکانتیک را برای برنامه های BCI مهم کند.این محققان را قادر می سازد تا لایه های دقیق قشر حرکتی را که پروژه را به مدارهای نخاعی می رساند، یا دقیق voxels در xisiform gyrus های استفاده شده برای پروتزهای بصری هدف قرار دهند.

Real-Time fMRI برای بازخورد BCI

در زمان واقعی fMRI (rtfMRI) اجازه می دهد تا شرکت کنندگان فعالیت مغز خود را همانطور که اتفاق می افتد، ببینند.این مورد استفاده قرار گرفته است به مردم خود تنظیم مقررات مناطق مانند آمیگدال یا قشر عضلانی قدامی، ایجاد یک BCI بسته شده است که حالت های عاطفی یا شناختی را تنظیم می کند.

ادغام با ماشین یادگیری

داده های MRI مجموعه های ویژگی های بالا را تولید می کنند.مدل های یادگیری ماشین - به ویژه شبکه های تکامل یافته عمیق - می توانند الگوهایی را یاد بگیرند که فعالیت های fMRI voxel را با خروجی های در نظر گرفته شده مرتبط می کند.به عنوان مثال، محققان در نورو اعصاب طبیعت (2023) [FLT 1] نشان دادند که یک مدل مبتنی بر تبدیل شده در کل مغز fMRI می تواند با دقت 40٪ از این روش ضبط شده، در حالی که نیاز به طور دقیق آن دارد.

چالش ها و محدودیت ها

علی رغم نقاط قوت آن، MRI دارای محدودیت هایی است که باید برای استقرار عملی BCI مورد توجه قرار گیرد.

محدودیت های مقدماتی

MRI عملکردی پاسخ BOLD را ضبط می کند که 4 تا 6 ثانیه پس از شلیک عصبی به اوج می رسد، این بسیار کندتر از پویایی EEG یا ضبط های داخل و داخل کورتیتیک است.برای برنامه های BCI که نیاز به کنترل سریع دارند - مانند حرکات نشانگر یا سنتز گفتار در زمان واقعی - این تاخیر یک تنگنا قابل توجه است.

دسترسی و هزینه

اسکنرهای MRI با میدان بالا گران هستند و نیاز به اتاق های محافظت شده، خنک کننده هلیوم مایع و اپراتورهای تخصصی دارند. اکثر تاسیسات تحقیقاتی BCI نمی توانند سیستم های MRI اختصاصی را فراهم کنند، سیستم های قابل حمل و نقل کم میدان در حال ظهور هستند، اما انتظار می رود که این محدودیت ترجمه تکنیک های هدایت شده MRI به تنظیمات بالینی یا خانگی را محدود کند.

مسیر های آینده

تکنولوژی MRI همچنان در حال تکامل است، فرصت های جدیدی را برای تحقیقات و برنامه های BCI باز می کند.

Ultra-High Field MRI (≥7 تسلا)

اسکنرهای عملیاتی در 7T یا 9.4T وضوح زیر میلی متری و حساسیت بیشتر به سیگنال های BOLD را ارائه می دهند، این به محققان BCI اجازه می دهد تا فعالیت را در مناطق کوچک و مشخص مانند هسته واسطه ی دریچه ی انسانی (VIM) برای کنترل لرزش، یا ستون های فردی در قشر بصری اولیه برای پروتزهای بصری، به طور کلی بالا، fMRI، کاهش سیگنال های زمانی و پیش زمینه های پیش بینی شده برای حافظه و پیش بینی های حافظه را کاهش دهند.

سیستم های تصویربرداری هیبریدی

ترکیب MRI با دیگر روش ها - مانند نوروگرافی انتشار مثبت (PET)، الکتروانسفالوگرافی (EEG)، یا طیفوسکوپی نزدیک مادون قرمز (fNIRS) - سرمایه گذاری در نقاط قوت هر. PET-MRI، به عنوان مثال، به طور همزمان می تواند متابولیسم و هلیومودینامیک را اندازه گیری کند، ارائه یک دید کامل تر از دولت های مغز به مطالعه مرتبط با Ammrm.

نسل بعدی BCIs

از آنجایی که داده های MRI جمع آوری می شود، باعث ایجاد اطلس های مغز در مقیاس بزرگ می شود که به عنوان پیش از قبل برای کالیبراسیون فردی BCI خدمت می کنند. مدل های یادگیری ماشین که از هزاران اسکن fMRI پیش آموزش دیده اند می توانند زمان آموزش برای یک کاربر جدید BCI را از ساعت ها به دقیقه کاهش دهند، علاوه سیستم های عصبی حلقه بسته که fMRI زمان واقعی را با سونوگرافی متمرکز ترانس سیانید یا سونوگرافی بررسی شده اند که برای درمان های روانی بعدی، و اختلالات سکته مغزی، و سکته مغزی بعدی، و سکته مغزی بعدی، اختلالات سکته مغزی، و سکته مغزی، فلج مغزی، و سکته مغزی، و اختلالات سکته مغزی بعدی، فلج مغزی، و اختلالات سکته مغزی، و سکته مغزی بعدی است.

نتیجه گیری

فناوری MRI تنها ابزاری برای تجسم مغز نیست – یک فعال فعال از تحقیقات رابط مغز و کامپیوتر است.از نقشه برداری فعالیت عصبی با fMRI برای هدایت رابط های شخصی با MRI ساختاری، آن را فراهم می کند دقت فضایی است که BCIs نیاز به حل زمان و هزینه باقی می ماند چالش ها، پیشرفت های مداوم در تصویربرداری فوق العاده بالا، سیستم های هیبریدی، و ادغام ماشین وعده می دهد تا بر این موانع عصبی غلبه کند، به عنوان یک نقش مرکزی در توسعه و توسعه نقش های غیر عملی، ادامه می دهد.

برای مطالعه بیشتر، مرکز ملی اطلاعات بیوتکنولوژی (NCBI) یک مرور کلی از اصول fMRI را فراهم می کند و معاملات در مهندسی زیست پزشکی به طور منظم تحقیق در سیستم های هدایت شده MRI BCI منتشر می کند.