Hoe Brainport Werkt

{h1}

Brainport is een apparaat dat visuele invoer via de tong van slechtzienden verzendt. Leer hoe het werkt.

Een blinde vrouw zit in een stoel met een videocamera gericht op een wetenschapper die voor haar zit. Ze heeft een apparaat in haar mond, raakt haar tong aan en er lopen draden van dat apparaat naar de videocamera. De vrouw is blind sinds de geboorte en weet niet echt hoe een rubberen bal eruit ziet, maar de wetenschapper houdt er een vast. En wanneer hij het plotseling in haar richting gooit, steekt ze een hand uit om het te stoppen. De blinde vrouw zag de bal. Door haar tong.

Nou, niet precies via haar tong, maar het apparaat in haar mond stuurde visuele input via haar tong op vrijwel dezelfde manier als het zien van individuen visuele invoer via de ogen. In beide gevallen stuurt het eerste sensorische invoermechanisme - de tong of de ogen - de visuele gegevens naar de hersenen, waar die gegevens worden verwerkt en geïnterpreteerd om afbeeldingen te vormen. Waar we het hier over hebben, is electrotactiele stimulatie voor sensorische vergroting of substitutie, een studiegebied waarin gecodeerde elektrische stroom wordt gebruikt om sensorische informatie weer te geven - informatie die een persoon niet via het traditionele kanaal kan ontvangen - en die stroom op de huid toe te passen, die de informatie naar de hersenen stuurt. Het brein leert vervolgens die sensorische informatie te interpreteren alsof deze via het traditionele kanaal voor dergelijke gegevens wordt verzonden. In de jaren zestig en zeventig was dit proces het onderwerp van baanbrekend onderzoek naar sensorische substitutie in het Smith-Kettlewell Institute geleid door Paul Bach-y-Rita, MD, hoogleraar orthopedie en revalidatie en biomedische technologie aan de universiteit van Wisconsin Madison. Nu is het de basis voor Wicab's BrainPort-technologie (Dr. Bach-y-Rita is ook hoofdwetenschapper en voorzitter van de raad van bestuur van Wicab).

De meesten van ons zijn bekend met de vergroting of vervanging van het ene zintuig door het andere. Brillen zijn een typisch voorbeeld van sensorische vergroting. Braille is een typisch voorbeeld van sensorische substitutie - in dit geval gebruik je één zintuig, touch, om informatie op te nemen die normaal bedoeld is voor een andere zintuiglijke waarneming. Elektrotactiele stimulatie is een hightech methode om enigszins vergelijkbare (hoewel verrassender) resultaten te ontvangen, en het is gebaseerd op het idee dat het brein sensorische informatie kan interpreteren, zelfs als het niet via het "natuurlijke" kanaal wordt aangeboden. Dr. Bach-y-Rita zegt het zo:


... we zien niet met de ogen; het optische beeld gaat niet verder dan het netvlies waar het wordt omgezet in spatio-temporale zenuwpatronen van [impulsen] langs de optische zenuwvezels. De hersenen recreëren vervolgens de beelden van de analyse van de impulspatronen.

De meerdere kanalen die sensorische informatie naar de hersenen brengen, bijvoorbeeld vanuit de ogen, oren en huid, zijn op dezelfde manier opgezet om soortgelijke activiteiten uit te voeren. Alle sensorische informatie die naar de hersenen wordt gestuurd, wordt gedragen door zenuwvezels in de vorm van patronen van impulsenen de impulsen belanden voor interpretatie in de verschillende sensorische centra van de hersenen. Om een ​​sensorisch invoerkanaal te vervangen door een ander, moet je het correct doen coderen de zenuwsignalen voor de sensorische gebeurtenis en stuur ze via het alternatieve kanaal naar de hersenen. De hersenen lijken flexibel te zijn als het gaat om het interpreteren van sensorische input. Je kunt het trainen om input van bijvoorbeeld het tactiele kanaal te lezen als visuele of balansinformatie en dienovereenkomstig te handelen. In JS Online's "Apparaat kan een nieuw pad naar het brein zijn", zegt Mitchell, de biomedisch ingenieur van de universiteit van Wisconsin, "Het is een groot mysterie hoe dat proces plaatsvindt, maar de hersenen kunnen het doen als je geef het de juiste informatie. "

In de volgende sectie zullen we de concepten van elektrotactiele stimulatie nader bekijken.

vibratie

Elektriciteit is niet het enige type stimulatie dat wordt gebruikt in hightech sensorische substitutieapparaten. Er zijn apparaten die gebruiken "vibrotactile" stimulatie, onder andere om informatie naar de hersenen te sturen via een alternatief sensorisch kanaal. In een vibrotactiele stimulatie-inrichting worden gecodeerde sensorische signalen op de huid aangebracht door een of meer trilpennen. Tactaid, een apparaat voor auditieve substitutie, gebruikt dit type technologie.

Concepten van Electrotactile Stimulatie

De concepten achter de elektrotactiele stimulatie voor sensorische substitutie zijn complex en de mechanismen van implementatie zijn niet minder. Het idee is om niet-tactiele informatie te communiceren via elektrische stimulatie van het tastgevoel. In de praktijk betekent dit meestal dat een array van elektroden die input ontvangen van een niet-tactiele informatiebron (bijvoorbeeld een camera) kleine, gecontroleerde, pijnloze stromen (sommige onderwerpen melden dat ze zoiets als soda-bubbels voelen) op de huid aanbrengt met nauwkeurige locaties volgens een gecodeerd patroon. De codering van het elektrische patroon probeert in wezen de invoer na te bootsen die normaal zou worden ontvangen door de niet-functionerende betekenis. Dus lichtpatronen die door een camera worden opgepikt om een ​​beeld te vormen, ter vervanging van de waarneming van de ogen, worden omgezet in elektrische pulsen die die lichtpatronen voorstellen. Wanneer de gecodeerde pulsen op de huid worden toegepast, ontvangt de skin feitelijk afbeeldingsgegevens. Volgens Dr. Kurt Kaczmarek, mede-uitvinder van BrainPort-technologie en Senior Scientist bij de afdeling Orthopedie en Rehabilitatie Geneeskunde van de Universiteit van Wisconsin, is wat er gebeurt, dat "het elektrische veld dat aldus wordt gegenereerd in subcutaan weefsel direct de afferente zenuwvezels prikkelt die verantwoordelijk zijn voor de normale, mechanische aanrakingssensaties. " Die zenuwvezels sturen hun beeldgecodeerde aanrakingssignalen door naar het tastzintuiglijke gebied van de hersenschors, de pariëtale kwab.

Deze inhoud is niet compatibel op dit apparaat.

Beweeg over de onderdeellabels van de hersenen om te zien waar die onderdelen zich bevinden.

Onder normale omstandigheden ontvangt de pariëtale kwab aanrakinginformatie,

de temporale kwab ontvangt auditieve informatie, de occipitale kwab ontvangt

visusinformatie en de kleine hersenen ontvangen balansinformatie.

(De frontale kwab is verantwoordelijk voor alle soorten hogere hersenfuncties,

en de hersenstam verbindt de hersenen met het ruggenmerg.)

Binnen dit systeem kunnen reeksen elektroden worden gebruikt om non-touch informatie te communiceren via paden naar de hersenen die normaal worden gebruikt voor aanrakingsgerelateerde impulsen. Het is momenteel een vrij populair studiegebied en onderzoekers kijken naar eindeloze manieren om de schijnbare bereidheid van de hersenen om zich aan kruisgevoelige input aan te passen, te benutten. Wetenschappers bestuderen hoe ze elektrotactiele stimulatie kunnen gebruiken om sensorische informatie te bieden aan slechtzienden, slechthorenden, mensen met een verminderd evenwicht en mensen die het tastvermogen in bepaalde delen van de huid hebben verloren door zenuwbeschadiging. Een bijzonder fascinerend aspect van het onderzoek richt zich op het kwantificeren van bepaalde sensorische informatie in termen van elektrische parameters - met andere woorden, hoe "tactiel rood" over te brengen met behulp van de kenmerken van elektriciteit.

Dit is een gebied van wetenschappelijk onderzoek dat al bijna een eeuw bestaat, maar het is de laatste decennia flink toegenomen. De miniaturisering van elektronica en steeds krachtigere computers hebben van dit type systeem een ​​verkoopbare realiteit gemaakt in plaats van slechts een echt indrukwekkende laboratoriumdemonstratie. Ga BrainPort in, een apparaat dat elektrotactiele stimulatie gebruikt om niet-tastbare sensorische informatie naar de hersenen te verzenden. BrainPort gebruikt de tong als een substituut sensorisch kanaal. In het volgende gedeelte komen we binnen in BrainPort.

BrainPort®

BrainPort-balansapparaat

BrainPort-balansapparaat

Wetenschappers hebben al sinds het begin van de twintigste eeuw electrotactiele presentatie van visuele informatie bestudeerd. Deze onderzoeksopstellingen gebruikten meestal een camera om de huidige niveaus in te stellen voor een matrix van elektroden die ruimtelijk overeenkwam met de lichtsensors van de camera. De persoon die de matrix aanraakt, kon de vorm en ruimtelijke oriëntatie van het object waar de camera op was gericht visueel waarnemen. BrainPort bouwt voort op deze technologie en is aantoonbaar meer gestroomlijnd, gecontroleerd en gevoelig dan de systemen die ervoor kwamen.

Om te beginnen gebruikt BrainPort de tong in plaats van de vingertoppen, buik of rug gebruikt door andere systemen. De tong is gevoeliger dan andere huidgebieden - de zenuwvezels liggen dichter bij het oppervlak, er zijn er meer en er is geen stratum corneum (een buitenlaag van dode huidcellen) om als isolator te fungeren. Het vereist minder spanning om zenuwvezels in de tong te stimuleren - 5 tot 15 volt in vergelijking met 40 tot 500 volt voor gebieden zoals de vingertoppen of de buik. Speeksel bevat ook elektrolyten, vrije ionen die werken als elektrische geleiders, dus het helpt de stroom van stroom tussen de elektrode en het huidweefsel te handhaven. En het gebied van de hersenschors dat de aanraakgegevens van de tong interpreteert, is groter dan de gebieden die andere lichaamsdelen bedienen, dus de tong is een natuurlijke keuze voor het overbrengen van op tactiele gegevens naar de hersenen.

Wicab is momenteel op zoek naar FDA-goedkeuring voor een balans-correctie BrainPort-applicatie. Een persoon wiens vestibulaire systeem, het algehele evenwichtsmechanisme dat binnen in de oren begint, beschadigd is, heeft weinig of geen balans - in ernstige gevallen kan het zijn dat hij de muur moet vastgrijpen om een ​​gang in te halen of niet in staat is om lopen helemaal. Sommige aandoeningen van het binnenoor omvatten bilaterale vestibulaire stoornissen (BVD), akoestisch neuroma en de ziekte van Menière, en het evenwichtsgevoel kan ook worden beïnvloed door algemene aandoeningen zoals migraine en beroertes. Het BrainPort-balansapparaat kan mensen met evenwichtsproblemen helpen om hun hersenen opnieuw te trainen in het interpreteren van balansinformatie afkomstig van hun tong in plaats van hun binnenoor.

Hoe BrainPort werkt: voor

BrainPort-balanscomponenten vereenvoudigd

Een accelerometer is een apparaat dat, onder andere, tilt meet met betrekking tot de zwaartekracht. De accelerometer aan de onderkant van de 10-in-10 elektrode-array verzendt via de communicatiecircuits gegevens over de positie van de kop naar de CPU. Wanneer de kop naar rechts kantelt, ontvangt de CPU de "juiste" gegevens en verzendt een signaal dat de elektrodenarray aangeeft dat stroom moet worden geleverd aan de rechterkant van de tong van de drager. Wanneer het hoofd naar links kantelt, zoemt het apparaat de linkerkant van de tong. Wanneer het hoofd waterpas is, stuurt BrainPort een puls naar het midden van de tong. Na meerdere sessies met het apparaat, begint het brein van het onderwerp de signalen op te nemen als indicatie van de hoofdpositie - balansinformatie die normaal uit het binnenoor komt - in plaats van alleen tastbare informatie.

Wicab voerde in 2005 een klinische proef uit met het balansapparaat met 28 patiënten die leden aan bilaterale vestibulaire stoornissen (BVD). Na het trainen op BrainPort, herwonnen alle proefpersonen hun evenwichtsgevoel gedurende een bepaalde periode, soms tot zes uur na elke 20 minuten durende BrainPort-sessie. Ze konden hun lichaamsbewegingen controleren en lopen gestaag in verschillende omgevingen met een normale gang en met fijn-motorische controle. Ze ervaren spierontspanning, emotionele rust, verbeterd zicht en dieptewaarneming en genormaliseerde slaappatronen.

In de volgende sectie zullen we kijken naar het BrainPort vision-apparaat.

Het BrainPort Vision-apparaat

Prototype BrainPort-zichtcomponenten vereenvoudigd

Prototype BrainPort-zichtcomponenten vereenvoudigd

Testresultaten voor de BrainPort vision-apparaat zijn niet minder bemoedigend, hoewel Wicab nog geen formele klinische proeven met de opstelling heeft uitgevoerd. Volgens het Department of Ophthalmology van de University of Washington lijden alleen al in de Verenigde Staten 100 miljoen mensen aan visuele handicaps. Dit kan leeftijdgerelateerd zijn, zoals cataracten, glaucoom en maculaire degeneratie, van ziekten zoals trachoom, diabetes of HIV, of het resultaat van oogletsel door een ongeluk. BrainPort kan slechtziende mensen beperkte gezichtsvermogen bieden.

Produceren tactiele visie, BrainPort maakt gebruik van een camera om visuele gegevens vast te leggen.De optische informatie - licht dat normaal het netvlies zou raken - dat de camera oppikt, is in digitale vorm en gebruikt radiosignalen om de enen en nullen naar de CPU te sturen voor codering. Elke reeks pixels in de lichtsensor van de camera komt overeen met een elektrode in de array. De CPU voert een programma uit dat de elektrische informatie van de camera omzet in een ruimtelijk gecodeerd signaal. Het gecodeerde signaal vertegenwoordigt verschillen in pixeldata als verschillen in pulskarakteristieken zoals frequentie, amplitude en duur. Multidimensionale beeldinformatie neemt de vorm aan van variaties in pulsstroom of -spanning, pulsduur, intervallen tussen pulsen en het aantal pulsen in een burst, naast andere parameters. Volgens Amerikaans octrooi 6.430.450, gelicenseerd aan Wicab voor de toepassing BrainPort:


In de mate dat een getrainde gebruiker gelijktijdig meerdere van deze karakteristieken van amplitude, breedte en frequentie kan onderscheiden, kunnen de pulsen multidimensionale informatie overbrengen op vrijwel dezelfde manier dat het oog kleur waarneemt van de onafhankelijke stimulering van verschillende kleurreceptoren.

De elektrode-array ontvangt het resulterende signaal via de stimulatieschakelingen en past het op de tong toe. De hersenen leren uiteindelijk de informatie die uit de tong komt interpreteren en gebruiken alsof deze uit de ogen komt.

Na training in laboratoriumtests konden blinde proefpersonen visuele kenmerken waarnemen zoals dreigend, diepte, perspectief, grootte en vorm. De onderwerpen konden nog steeds de pulsen op hun tong voelen, maar ze konden ook beelden waarnemen die uit die pulsen werden gegenereerd door hun hersenen. De onderwerpen zagen de objecten als "daar buiten" voor hen, gescheiden van hun eigen lichaam. Ze konden letters van het alfabet waarnemen en herkennen. In één geval, toen blinde bergbeklimmer Erik Weihenmayer het apparaat aan het uittesten was, kon hij zijn vrouw in een bos lokaliseren. Een van de meest gestelde vragen op dit moment is: "Zien ze echt?" Dat hangt allemaal af van hoe je visie definieert. Als zien betekent dat je de letter "T" ergens buiten jezelf kunt identificeren, voel dan wanneer die "T" groter wordt, kleiner, van oriëntatie verandert of verder van je eigen lichaam weg beweegt, dan zijn ze echt aan het kijken. Een studie die PET-hersenscans van congenitaal blinde mensen tijdens het gebruik van het BrainPort-vision-apparaat uitvoerde, toonde aan dat na verscheidene sessies met BrainPort de centra van de hersenen van de proefpersonen verlicht waren toen visuele informatie via de tong naar de hersenen werd gestuurd. Als 'zien' betekent dat er activiteit is in het gezichtsveld van de hersenschors, dan zijn de blinde proefpersonen echt bezig.

De BrainPort-testresultaten zijn enigszins verbazingwekkend en leiden velen zich af over de reikwijdte van toepassingen voor de technologie. In de volgende sectie zullen we zien in welke klinische BrainPort-toepassingen Wicab zich momenteel concentreert, welke andere toepassingen het voorziet voor de technologie en hoe dicht het is om een ​​consumentvriendelijke versie van het apparaat commercieel te lanceren.

Huidige en potentiële toepassingen

BrainPort Balance Device

BrainPort Balance Device

Hoewel het volledige spectrum van BrainPort-toepassingen nog moet worden gerealiseerd, heeft het apparaat het potentieel om een ​​scala aan sensorische beperkingen te verminderen en de symptomen van een verscheidenheid aan aandoeningen te verlichten. Slechts een paar van de huidige of te verwachten medische toepassingen zijn:

  • het verstrekken van elementen van zicht voor blinden en slechtzienden
  • het aanbieden van sensorische motorische training voor patiënten met een beroerte
  • het verstrekken van tastbare informatie voor een deel van het lichaam met zenuwbeschadiging
  • verlichten van evenwichtsproblemen, postuur-stabiliteitsproblemen en spierrigiditeit bij mensen met evenwichtsstoornissen en de ziekte van Parkinson
  • verbeteren van de integratie en interpretatie van sensorische informatie bij autistische mensen

Naast medische toepassingen is Wicab bezig met het verkennen van mogelijke militaire toepassingen met een subsidie ​​van het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Het bedrijf onderzoekt onderwatertoepassingen die de Navy SEALs kunnen voorzien van navigatie-informatie en oriëntatiesignalen in donker, troebel water (dit type opstelling zou uiteindelijk een grote commerciële markt kunnen vinden met recreatieve duikduikers). De BrainPort-elektroden zouden input van een sonarapparaat ontvangen om niet alleen directionele signalen te bieden, maar ook een visueel gevoel van obstakels en terrein. Militaire-navigatieapplicaties kunnen zich uitstrekken tot soldaten in het veld wanneer radiocommunicatie gevaarlijk of onmogelijk is of wanneer hun ogen, oren en handen nodig zijn om andere dingen te beheren - dingen die kunnen opblazen. BrainPort kan ook uitgebreide informatie verschaffen voor militaire piloten, zoals een pols op de tong om naderend vliegtuig aan te geven of om aan te geven dat ze onmiddellijk actie moeten ondernemen. Met training kan die pols op hun tong een snellere reactietijd opwekken dan een visuele keu van een lampje op het dashboard, omdat de visuele keu door de retina moet worden verwerkt voordat deze voor interpretatie naar de hersenen wordt doorgestuurd.

Andere potentiële BrainPort-toepassingen omvatten robotchirurgie. De chirurg zou elektrrotactiele handschoenen dragen om tactiele invoer te ontvangen van robotische sondes in iemands borstholte. Op deze manier kan de chirurg voelen wat hij doet terwijl hij de robotuitrusting controleert. Raceautocoureurs kunnen een versie van BrainPort gebruiken om hun hersenen te trainen voor snellere reactietijden, en gamers kunnen elektrotactiele feedbackhandschoenen of controllers gebruiken om voelen wat ze doen in een videogame. Een game BrainPort kan ook een tactiel-visieproces gebruiken om gamers extra informatie te laten zien die niet op het scherm wordt weergegeven.

BrainPort voert momenteel een tweede ronde van klinische onderzoeken uit, terwijl het zich een weg baant door het goedkeuringsproces van de FDA voor het balansapparaat.Het bedrijf schat een commerciële release eind 2006, met een globaal geschatte verkoopprijs van $ 10.000 per stuk.

Reeds meer gestroomlijnd dan welke eerdere setup dan ook met behulp van elektrotactiele stimulatie voor sensorische substitutie, ziet BrainPort zichzelf in de toekomst nog kleiner en minder opdringerig. In het geval van het balansapparaat, zou alle elektronica in het handheld gedeelte van het systeem in een discreet mondstuk kunnen passen. Een dentaal-houder-achtige eenheid zou een batterij huisvesten, de elektrode-array en alle micro-elektronica die nodig is voor signaalcodering en -transmissie. In het geval van het BrainPort-vision-apparaat kan de elektronica volledig zijn ingebed in een bril samen met een kleine camera en radiozender, en in het mondstuk kan een radio-ontvanger worden geplaatst om gecodeerde signalen van de bril te ontvangen. Het is niet echt een systeem op een chip, maar geef het 20 jaar - misschien zien we een camera zo groot als een rijstkorrel ingebed in het voorhoofd van mensen.

Zie de links op de volgende pagina voor meer informatie over BrainPort en gerelateerde onderwerpen.


Video Supplement: Brainport Development.




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com