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스텐로드 신경 기록을 위한 인간 실험

스텐로드 신경 기록을 위한 인간 실험


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스텐로드를 통한 신경 기록은 신경 과학에서 다음으로 큰 일이 될 것 같습니다. 장애, 뇌 장애를 치료하고 뇌에서 뇌로의 통신을 가능하게 하는 데 사용할 수 있습니다. 여러 대학에서 대규모로 인체 실험을 하고 있습니까?


2017년 인간 실험

2017년에는 Royal Melbourne 병원의 외과의가 신중하게 선택한 하반신 마비 또는 사지 마비 환자에게 스텐트를 이식할 예정입니다. 코딩을 향한 긴 여정은 Austin Hospital의 척수 서비스에서 시작됩니다.

첫 번째 환자는 외골격 다리에 적합한 약 6개월에서 1년 전에 외상성 척수 손상을 입은 젊은 사람들일 가능성이 큽니다. 그들은 결단력, 결단력, 생리학에 따라 선택될 것이라고 Opie 박사는 말합니다.

Dr Opie가 첫 번째 환자를 여정에 안내할 것입니다. 그는 그의 장치의 놀라운 측면 중 하나는 이식을 위해 두개골을 열 필요가 없다는 것입니다.

"전 세계의 다른 그룹은 두개골을 제거하고 뇌 표면에 전극을 부착하거나 공기총을 사용하여 조직에 발사하는 침습적 방법을 찾고 있습니다."라고 그는 말합니다.

“이 문제가 있습니다. 첫째, 전극이 뇌에 직접 이식될 때 출혈과 감염의 위험이 26%인 매우 침습적인 뇌 수술이 필요합니다.

"둘째, 신체는 흉터 조직의 전극을 덮고 기능을 중지시키는 일련의 면역 반응을 시작합니다."

Melbourne School of Engineering의 David Grayden 교수는 미래에 이 장치가 잠재적으로 생체 공학 눈 기술을 향상시켜 맹인의 시력을 회복시키는 데 사용될 수 있다고 말했습니다. 사진: 폴 버스턴

Melbourne School of Engineering 교수 David Grayden은 프로젝트를 감독하는 선임 엔지니어였습니다. 그는 DARPA 자금 확보에 중요한 역할을 했습니다.

Grayden 교수는 스텐로드가 전기 자극을 제공하고 신호를 수신할 수 있는 잠재력이 있으며 생체 공학적인 눈에 유용할 수 있다고 말합니다.

“미래에 이 전극은 뇌를 자극할 수 있습니다. 이것은 생체 공학적인 눈을 위한 보완적인 자극으로 사용될 수 있습니다.”라고 Grayden 교수는 말합니다.

그는 망막이 기능하지 않으면 뇌를 직접 자극하여 일부 시력을 회복할 수 있다고 말합니다. 그러나 도전 과제는 항상 시력을 담당하는 뇌 부분이 수술로 접근하기 어렵다는 것이었습니다.

그러나 뇌 자체에서 작동할 필요 없이 장치를 장착할 수 있는 해당 영역 근처를 흐르는 혈관이 있습니다. "뇌에서 오는 신호를 기록할 수 있다면 신호를 다시 입력할 수 있습니다."라고 그는 말합니다. “우리는 이제 막 그 분야로 연구를 확장하기 시작했습니다.”


작업에 최적화된 신경망은 인간의 청각 행동을 복제하고 뇌 반응을 예측하며 피질 처리 계층을 드러냅니다.

청각 신경 과학의 핵심 목표는 자연 소리에 대한 피질 반응을 예측하는 정량적 모델을 구축하는 것입니다. 청각 피질의 완전한 모델이 생태학적으로 관련된 작업을 해결해야 한다고 추론하여 음성 및 음악 인식을 위해 계층적 신경망을 최적화했습니다. 최고 성능의 네트워크에는 초기 공유 처리에 따라 별도의 음악 및 음성 경로가 포함되어 잠재적으로 인간의 피질 조직을 복제할 수 있습니다. 네트워크는 사람과 마찬가지로 작업을 모두 수행했으며 최적화되지 않았음에도 불구하고 사람과 유사한 오류를 보여 네트워크 및 사람의 성능에 대한 일반적인 제약을 시사했습니다. 네트워크는 청각 피질 전체에서 기존의 분광 시간 필터 모델보다 fMRI 복셀 응답을 훨씬 더 잘 예측했습니다. 또한 피질 표현 계층의 정량적 서명을 제공했습니다. 기본 및 비기본 응답은 각각 중간 및 후기 네트워크 계층에서 가장 잘 예측되었습니다. 결과는 작업 최적화가 감각 시스템 모델링을 위한 강력한 도구 세트를 제공함을 시사합니다.

키워드: 청각 피질 합성곱 신경망 심층 학습 심층 신경망 인코딩 모델 fMRI 계층 구조 인간 청각 피질 자연음 단어 인식.


인간 두뇌에서 음악 듣기와 기억의 신경 상관 관계

이전의 신경 영상 연구에서는 음악을 듣거나 회상함으로써 활성화되는 다양한 뇌 영역을 확인했습니다. 그러나 이러한 뇌 영역이 청취 및 회상 중에 음악의 시간 경과 및 시간적 특징을 나타내는 방법에 대해서는 거의 알려져 있지 않습니다. 여기에서 우리는 경막하 전극을 이식한 두 성별의 간질 환자 10명으로부터 얻은 전기피질 촬영 기록을 사용하여 음악 감상 및 회상과 관련된 다양한 뇌 영역의 신경 활동을 분석했습니다. 피험자가 친숙한 기악을 듣거나 이미지를 통해 동일한 음악을 회상하는 동안 전자파 신호를 기록했습니다. 발병 단계(0-500ms) 동안 음악 감상은 측두엽과 변연위 이랑의 고감마 대역에서 피질 활동을 시작했으며 그 다음으로 전중심 이랑과 하전두 이랑이 뒤를 이었습니다. 이에 반해 음악회상 시 고감마밴드의 활성은 하전두이랑과 전중심이랑에서 먼저 나타났다가 측두엽으로 확산되어 역시간적 순서를 보였다. 지속 단계(500ms 이후) 동안, 변연 상부 이랑, 측두엽 및 전두엽의 델타 대역 및 고감마 대역 응답은 청취 또는 회상 중 음악의 강도 범위를 뚜렷한 시간 지연으로 동적으로 추적했습니다. 음악을 듣는 동안 전두엽에 의한 신경추적은 측두엽에 비해 뒤처진 반면, 음악회상 중에는 전두엽에 의한 신경추적이 측두엽에 선행하였다. 이러한 발견은 음악을 듣고 회상하는 동안 대뇌 피질의 상향식 및 하향식 프로세스를 보여주고 인간 두뇌의 음악 처리에 대한 중요한 통찰력을 제공합니다.의의서 뇌가 음악을 분석, 저장 및 검색하는 방법을 이해하는 것은 신경과학에서 가장 어려운 문제 중 하나로 남아 있습니다. 인간의 뇌에서 얻은 직접 신경 기록을 분석하여 음악 감상 및 회상과 관련된 뇌 영역이 분산되고 겹치는 것을 관찰했습니다. 음악 청취는 측두엽에서 시작하여 하전두회에서 끝나는 고감마 대역에서 피질 활동을 시작했습니다. 음악 회상 중 고감마 응답에서 역전된 시간 흐름이 관찰되었습니다. 전두엽과 측두엽의 신경 반응은 듣거나 회상하는 동안 제시되거나 상상된 음악의 강도 범위를 동적으로 추적했습니다. 이러한 발견은 음악을 듣고 회상하는 동안 대뇌 피질의 상향식 및 하향식 프로세스를 보여줍니다.

키워드: ECoG 청각 청각 기억 음악 회상.

저작권 © 2019 저자.

피규어

실험 패러다임 및 행동 결과…

실험 패러다임 및 행동 결과. NS , 개별 전극 적용 범위. 노란색 점은 다음을 나타냅니다.

신경 반응이 있는 뇌 영역…

음악 듣기의 시작 단계에서 신경 반응을 보이는 뇌 영역과 ...

신경 반응이 있는 뇌 영역…

지속적인 음악 청취 및 ... 동안 신경 반응을 보이는 뇌 영역

동안 피질 반응의 역학…

음악 감상 및 회상 시작 단계에서 피질 반응의 역학…

음악 강도의 동적 추적…

음악 감상의 지속 단계에서 음악 강도 프로파일의 동적 추적…

음악 강도의 동적 추적…

음악 회상이 지속되는 동안 음악 강도 프로필의 동적 추적…


THINGS-EEG: 1,854개 개념에 대한 인간의 뇌파 기록이 빠른 직렬 시각적 프레젠테이션 스트림으로 표시됨

객체 인식 및 의미론적 지식의 신경 기반은 많은 연구의 초점이었지만 객체 공간의 높은 차원을 고려할 때 뇌가 객체 지식을 구성하는 방법에 대한 포괄적인 이론을 개발하는 것은 어렵습니다. 뇌가 물체와 물체 범주를 인식, 분류 및 표현하는 방법을 이해하는 데 도움을 주기 위해 신경 영상 실험을 위한 대규모 이미지 데이터베이스 사용에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 기존 이미지 데이터베이스는 수동으로 선택한 개체 개념과 개념당 단일 이미지를 기반으로 하는 경우가 많습니다. 대조적으로, '빅 데이터' 자극 세트는 일반적으로 품질이 크게 다를 수 있고 콘텐츠에서 편향될 수 있는 이미지로 구성됩니다. 이 문제를 해결하기 위해 최근 작업에서는 1,854개의 객체 개념과 26,107개의 관련 이미지로 구성된 대규모 자극 세트인 THINGS를 개발했습니다. 현재 논문에서는 THINGS 자극 세트의 모든 개념과 22,248개의 이미지에 대한 50명의 대상자의 인간 뇌파 반응을 포함하는 데이터 세트인 THINGS-EEG를 제시합니다. THINGS-EEG 데이터 세트는 객체 및 개념의 체계적인 컬렉션에 대한 신경 영상 기록을 제공하므로 인간 두뇌의 시각적 객체 처리를 이해하기 위한 광범위한 연구를 지원할 수 있습니다.


Darpa가 자금을 지원하는 임플란트는 혈관을 통해 뇌로 이동합니다.

혈관을 통해 뇌에 이식되는 이 신경 기록 장치는 뇌에서 의수를 제어하기가 더 쉬워진다.

이 작은 장치는 Darpa가 자금을 지원하는 연구에 의해 개발되었으며 동물 실험을 거쳐 2017년에 인간 실험을 시작할 예정입니다. 이 장치를 만든 생명공학자들에 의해 'stentrode'이라고 불리는 이 장치는 비침습적 방법을 제공할 것입니다. 뇌-기계 인터페이스의 사용을 확장합니다.

멜버른 대학의 연구원들은 에 발표된 논문에서 자연생명공학, 이 장치를 사용하여 190일 동안 양의 뇌 활동을 기록했습니다. Thomas Oxley가 이끄는 연구원들은 "여기서 우리는 수동 스텐트 전극 기록 어레이(스텐로드)를 사용하여 정맥 내에서 뇌 활동을 만성적으로 기록하는 가능성을 보여줍니다."라고 말했습니다.

뇌에 전극을 이식하려면 현재 침습적 뇌 수술이 필요하지만 Darpa가 자금을 지원하는 새로운 연구는 위험한 절차의 필요성을 제거할 수 있습니다. 스텐로드는 카테터를 통해 목의 혈관에 삽입된 후 뇌로 이동합니다.

그런 다음 연구원들은 실시간 영상을 사용하여 스텐로드가 확장되어 혈관벽에 부착되어 뉴런의 활동을 읽는 뇌의 위치로 장치를 안내했습니다.

Darpa가 자금을 지원한 연구는 뇌-기계 인터페이스의 사용 편의성을 높이기 위한 기관의 최신 시도입니다.

2013년에 기관은 착용자의 신경 시스템과 직접 통신하는 인공 팔다리를 만들었습니다. 이 이전 작업을 바탕으로 기관은 2015년 9월에 뇌에 직접 연결된 의수를 공개했습니다. 의수는 28세의 마비된 자원 봉사자에게 10년 만에 처음으로 신체 감각을 "느끼는" 것을 허용했습니다.

2014년 12월 미국 유수의 대학 전문가들로 구성된 연구 그룹인 BrainGate는 거의 완전히 마비된 여성이 의수를 제어하여 유리잔을 들고 마시는 것과 같은 기본 작업을 완료할 수 있는 시스템을 만들었습니다.


소리를 사용하여 이동하기

시각 장애인이 손가락을 튕기거나 혀로 딸깍거리는 소리를 내거나 발을 구르면 거리나 지하철역에서 시선을 끌 수 있지만 이러한 유형의 행동은 새로운 연구 분야를 활기차게 만들고 있습니다. 심리학.

일부 시각 장애가 있는 사람들은 반향 측위(박쥐와 일부 해양 포유류가 사용하는 것과 동일한 유형의 탐색 기술)를 사용하여 탐색하기 시작했습니다. 그들은 본질적으로 반사되는 메아리로 환경에 있는 물체에 대해 배우고 있습니다.

반향정위는 그 자체로 매혹적인 주제일 뿐만 아니라 여러 학문적 관점에서 신경가소성을 연구하는 데 적합한 패러다임을 제공합니다. 시각 장애인뿐만 아니라 시각 장애인도 비교적 쉽게 배울 수 있는 기술로 뇌가 새로운 감각 정보를 어떻게 처리하는지 조사하는 데 사용할 수 있습니다.

일반 능력

한때 인간의 반향정위는 "안면 시력" 또는 "장애물 감각"이라고 불렸습니다. 사실 "반향정위"라는 용어는 1944년에야 동물학자 Donald Griffin에 의해 만들어졌습니다. 처음에 시각 없이 장애물을 감지하는 능력은 소수의 시각 장애인의 특별한 기술로 간주되었습니다. 과학자들은 그것이 어떻게 작동하는지, 즉 시각 없이 장애물을 감지하는 능력이 피부의 압력파에 의해 매개되는지 아니면 소리에 의해 매개되는지에 대해 명확하지 않았습니다. 그러나 1940년대에 수행된 일련의 실험에 따르면 소리와 청각이 원동력이라는 것이 밝혀졌습니다. 다른 웹 리소스와 함께 이러한 초기 실험 중 일부에 대한 비디오는 여기에서 볼 수 있습니다.

후속 연구에 따르면 시각 장애인과 시각 장애인 모두 정상적인 청력이 있는 한 시력 없이 장애물을 피할 수 있는 기술을 개발할 수 있습니다. 요컨대 이들 연구는 '장애물 감각'이 일부 시각 장애인만이 가지고 있는 신비한 기술이 아니라 인간의 보편적인 능력임을 보여주었다.

장애물 감지 너머

초기에 반향정위 연구는 주로 장애물 탐지에 중점을 두었습니다. 그러나 후속 연구는 장애물 감지 작업을 사용하는 것에서 거리, 방향, 모양, 재료, 동작 또는 크기를 반향 위치 파악하는 사람들의 능력을 측정하는 것으로 진행되었습니다. 대부분의 연구는 제한된 수의 대안에서 무언가를 식별하는 참가자의 능력을 측정하는 "범주형 작업"을 사용했습니다. 1960년대에 Winthrop Kellogg는 인간의 반향정위 연구에 정신물리학적 방법을 도입하여 사람들의 반향정위 능력에 대한 보다 세밀한 측정을 가능하게 했습니다. 연구자들은 위치(방향 및 거리)와 크기에 대한 사람들의 반향정위를 측정하기 위해 정신물리학적 방법을 사용했습니다.

Bo Schenkman(스웨덴 스톡홀름 왕립 공과대학)과 Daniel Rowan(영국 사우샘프턴 대학교)이 이끄는 과학자들도 인간의 반향 측위와 관련이 있을 수 있는 음향 특징을 조사하는 데 진전을 이뤘습니다. 그러나 이 연구는 사람들이 만드는 입 클릭보다는 더 긴 백색 잡음 신호의 에코에 초점을 맞추었습니다. 대부분의 연구는 "지각자"로서의 사람을 반향정위하는 데 초점을 맞추었지만 반향정위는 능동적인 과정이라는 점을 명심하는 것이 중요합니다. 예를 들어 일상 생활에서 사람들은 반향 위치를 찾는 동안 몸과 머리를 움직입니다. 연구에 따르면 박쥐는 유사하게 반향정위 동안 환경을 샘플링하기 위해 "음향 빔을 조종"하는 것으로 나타났습니다. 우리 그룹과 신경생물학자인 Ludwig Wallmeier(독일 Ludwig Maximilian University)와 동료들의 최근 조사에서는 움직임이 필수 요소가 될 수 있다고 강조했습니다. 인간의 성공적인 반향정위.

소나 방출

초기 연구에서 사람들이 에코를 생성하기 위해 만드는 소리(즉, 음파 탐지기 방출)는 체계적으로 제어되지 않았으므로 말하는, 윙윙거리는 소리, 입 딸깍하는 소리, 발자국 소리, 지팡이 두드리는 소리 및 기타 소음이 포함되었습니다. 그러나 2009년에 발표된 연구에서 Juan Antonio Martínez Rojas(스페인 Alcalá 대학교)가 이끄는 연구원들은 다양한 소리의 물리적 특성을 분석하고 마우스 클릭이 매우 재현 가능하기 때문에 인간의 반향 위치 확인에 특히 유용할 수 있다고 결론지었습니다(즉, 소리는 반복적인 방출에 걸쳐 상당히 안정적입니다.) 또한 입과 귀 사이의 공간 관계는 고정되어 있습니다(귀와 주변 소리, 발자국, 지팡이 두드리기 등의 귀와 비교). 이러한 요인 때문에 사람들은 가청음의 변화를 방출되는 소리 자체의 변화라기보다는 환경의 변화로 해석할 수 있습니다. 인간 반향 정위에 대한 최근 조사의 대부분은 입 클릭 기반 반향 정위를 조사했습니다. 클릭은 피크 주파수가 약 6~8kHz인 3~15밀리초 길이의 과도 현상(즉, 짧고 높은 진폭의 사운드)인 경향이 있습니다.

에코 억제

인간의 청각 시스템은 일반적으로 두 개의 소리를 빠르게 연속으로 들었을 때 두 소리 중 첫 번째 소리에 의해 사람의 지각이 유도되는 반향 억제(echo suppression)라는 현상을 보여줍니다. 이 현상을 선행 효과라고도 합니다. Wallmeier와 동료들은 "정상적인" 공간 청력에 비해 반향 정위 동안 반향 억제가 감소한다고 제안했습니다. 기본 메커니즘은 현재 명확하지 않습니다.

반향정위의 신경생물학

현재까지 인간의 반향정위와 관련된 뇌 영역에 대한 증거는 PET 또는 fMRI와 같은 신경 영상 방법을 사용한 연구에서 비롯됩니다. 1999년, 신경과학자 Anne G. De Volder(벨기에 루뱅 가톨릭 대학교)와 동료들은 PET를 사용하여 반향 위치 기반 감각 대체 장치를 사용하는 동안 맹인과 시력이 있는 사람들의 뇌 활동을 측정했습니다. 초음파 스피커가 장착된 안경, 2개의 초음파 마이크, 2개의 이어폰 및 처리 장치가 포함된 이 장치는 초음파 에코를 획득하고 사용자의 이어폰으로 전송되는 가청 소리로 디코딩했습니다. 가청 소리의 피치는 거리를 전달하고 소리의 바이노럴 강도 균형은 방향을 전달합니다. 연구원들은 시각 장애인 그룹에서 장치의 소리 처리가 브로드만 영역(BA) 17/18(즉, 초기 "시각" 피질)의 뇌 활동 증가와 관련이 있음을 발견했습니다. 연구의 피험자들은 그 자체로 반향정위를 확인하지 않았지만, 반향정위에서 파생된 정보가 맹인의 초기 시각 피질 활동을 유발할 수 있음을 시사하는 첫 번째 증거였습니다.

이러한 발견에 고무되어 동료와 나는 2011년에 마우스 클릭을 사용하여 반향정위 훈련을 받은 2명의 맹인을 대상으로 반향정위 중 뇌 활동을 측정하는 최초의 연구를 수행했습니다. fMRI를 사용하여, 우리는 대조 소리와 비교하여 반향 정위 소리를 듣는 동안 두 참가자 모두 BA17에서 뇌 활동의 상당한 증가를 보였다는 것을 발견했습니다. 이 연구와 후속 연구에서 우리는 BA17의 에코 관련 활동이 다른 에코보다 반대측 공간(즉, 반대측 선호)에서 오는 에코에 대해 더 강하고 에코가 중심에서 방향으로 멀어짐에 따라 활동 패턴이 변한다는 것을 발견했습니다. 공간의 주변부(즉, 편심 변조). Wallmeier와 동료들의 최근 fMRI 연구는 맹인의 반향정위에서 BA17의 관련성을 확인했습니다. 동료들과 나는 또한 반향 운동(즉, 반향 정위를 통해 감지된 운동)이 뇌의 시각적 운동 영역 MT+와 일치할 수 있는 뇌 영역을 활성화하고 반향 정위 표면의 모양이 뇌의 측면 후두 복합체(LOC)를 활성화할 수 있음을 발견했습니다. 모양의 시각적 처리에 관여한다고 생각되는 영역. 우리는 또한 맹인과 시력이 있는 사람들이 보행을 위한 경로 방향의 반향 정위 동안 후두정 피질에서 활성화를 나타내며 이 활성화 위치가 운동 작용에 대한 시각 처리와 관련된 영역과 겹칠 수 있음을 발견했습니다.

요컨대, 자연 반향 정위의 신경 기질에 대한 연구는 현재까지 소수에 불과하지만 블라인드 반향 정위 전문가의 반향 정위 중에 전통적인 "시각적" 뇌 영역이 관련되어 있으며 이 활성화가 특정 기능으로 나타나는 것이 점점 더 분명해지고 있습니다.

반향 및 실명

현재까지의 문헌에 따르면 시각 장애인은 의식적으로 반향 정위를 하지 않는 경우에도 음향 잔향에 더 민감합니다. 예를 들어, 이스라엘 텔아비브 대학의 의사소통 장애학과 교수인 차바 무치닉(Chava Muchnik)이 이끄는 연구원들은 시각 장애인이 시각 장애인보다 빠르게 연속적으로 발생하는 두 가지 소리를 해결하는 능력이 더 우수하다는 것을 발견했습니다. 즉, 시각 장애인은 짧은 침묵 간격으로 분리된 두 개의 소리를 들을 수 있지만, 시각 장애인은 병합된 단일 소리만 들을 수 있습니다. 이것은 시각 장애인의 향상된 에코 처리와 관련이 있을 수 있습니다. 연구에 따르면 시각 장애인은 일반적으로 반향 측위와 관련하여 시각 장애인을 능가합니다. 생리학 연구원 André Dufour(Université de Strasbourg, France)와 동료들은 시각 장애인과 시각 장애인 모두에게 소리 반사 표면이 오른쪽 또는 왼쪽에 있는지 판단하도록 요청했으며 시각 장애인 참가자가 시각 참가자보다 더 정확하다는 것을 발견했습니다. 그러나 시각 장애인들 사이에도 차이점이 있습니다. 예를 들어, 우리는 반향 정위 훈련을 받은 시각 장애인이 반향 정위 훈련을 받지 않은 시각 장애인과 시각 장애인 모두에 비해 물체의 모양, 크기 또는 거리를 더 잘 결정한다는 것을 보여주었습니다. 게다가, 심리학자 Santani Teng(Massachusetts Institute of Technology)이 이끄는 연구원들은 반향정위 능력과 실명의 발병 연령 사이에 양의 상관관계가 있음을 발견했습니다. 노년의 시력. 뇌 활성화 측면에서, 우리는 맹인이고 반향정위 훈련을 받은 사람들이 반향 처리를 위해 시각 피질 영역을 모집할 수 있음을 보여주었습니다.

행동 수준에서 연구자들은 반향정위가 시력을 "대체"할 수 있음을 보여주었습니다. 스코틀랜드 헤리엇 와트 대학의 심리학자 개빈 버킹엄과 캐나다 웨스턴 대학 뇌 정신 연구소의 동료들은 반향 정위가 시각 장애인의 물체 무게 판단에 오류를 유발할 수 있음을 보여주었습니다. 특히, 그들의 연구는 작년에 발표되었습니다. 심리학과 반향정위 훈련을 받은 맹인(반향정위 훈련을 받지 않은 맹인은 제외)은 반향정위를 사용하여 물체가 얼마나 큰지 파악한 다음 무게를 판단할 때 "크기-무게 착시"를 경험했음을 보여주었습니다.

놀랍게도, 시력을 가진 사람들은 정상적인 시력을 사용할 때와 같은 방식으로 환상을 경험했습니다. 또한 이탈리아 Istituto Italiano di Tecnologia에 있는 RBCS/Visuo-Haptic Perception Lab의 연구원과 심리학자인 Melvyn A. Goodale(캐나다 웨스턴 온타리오 대학교)은 두 사람의 상대적 위치를 판단하도록 요청받았을 때 다음을 보여주었습니다. 소리(공간 이분법 작업 사용), 반향정위 훈련을 받지 않은 시각 장애인은 시각 장애인에 비해 결핍을 보입니다. 대조적으로, 맹인 반향 탐지기는 시력을 가진 사람과 동등하게 수행합니다. 이 패턴은 반향정위가 맹인의 외부 청각 공간 보정을 위한 시력을 대체할 수 있음을 보여줍니다.

이러한 결과는 뇌 영상의 발견과 결합하여 반향정위가 시각과 유사한 방식으로 인간의 지각 시스템(특히 맹인 인간의 뇌)에 들어갈 수 있음을 시사합니다.

시야

인간의 반향정위(Echolocation)에 대한 연구가 추진력을 얻고 있습니다. Ludwig Maximilian University of Munich 신경생물학 교수 Lutz Wiegrebe의 연구실에서 수행된 일부 최근 연구는 가상 반향음향 공간에서 반향정위를 조사했습니다. 이러한 가상 환경에 있는 것은 가상 공간이 시각적인 것이 아니라 음향 음향적이라는 점을 제외하고는 3D 비디오 게임에 있는 것과 유사합니다. 가상 반향 음향 공간을 사용하면 연구원이 현실 세계에서 사용할 수 있는 것보다 더 큰 유연성으로 반향 위치를 조사할 수 있지만 현실감이 감소하거나 처리 시간 지연이 발생할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 가상 음향 공간은 특히 fMRI 동안 인간의 반향 정위 탐사를 위한 유망한 기술입니다.

현재 우리는 계산 모델이나 인간의 반향정위가 어떻게 작동하는지에 대한 프로세스 모델이 부족합니다. 시각적 인식과 같은 다른 양식과 관련하여 모델의 개발은 과학적 이해의 상당한 발전을 가져왔습니다. 미래 연구의 중요한 과제는 인간 반향정위의 정량적 모델을 공식화하는 것입니다.

지난 15년 동안 다양한 분야의 과학자들은 시각-청각 또는 시각-촉각 감각 대체 장치를 사용하여 시각 장애인의 감각 능력과 뇌 재구성에 대한 상당한 통찰력을 얻었습니다. 하버드 의대 교수인 알바로 파스쿠알-리온(Alvaro Pascual-Leone)과 동료들은 실명에 대한 반응으로 뇌 활동과 구조의 변화가 "시각적" 영역이 다른 감각 양식의 공간 정보를 처리하는 고유한 능력을 반영할 수 있다고 제안했습니다. 행동 및 신경 수준에서 시각과 유사한 것으로 간주됩니다. 반향정위를 조사한 연구에서 얻은 결과를 인간 두뇌의 신경가소성 변화 전반에 걸쳐 유사점과 차이점을 매핑하기 위해 예를 들어 시각-청각 대체 장치를 사용한 연구에서 얻은 결과와 통합하는 것은 흥미로울 것입니다. –

참고문헌

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Stentrode Minimally Invasive Brain-Computer Interface Going on Trial

High fidelity brain-computer interfaces generally require the placement of an implant beneath the skull, a highly invasive and potentially dangerous procedure. A new device, developed at the University of Melbourne in Australia, combines the ease of delivery of a vascular stent with the capabilities of a neural array, and it is about to be tried in humans.

The Stentrode has already been successfully implanted into the superficial cortical vein of sheep, which is conveniently located next to the motor cortex. The researchers of the device were able to record the electrical activity of the motor cortex and it compared very nicely to the same brainwaves gathered using traditional epidural surface array electrodes.

The new study of the Stentrode, which is being further advanced by Synchron, a company spun off for this very task, will involve testing the safety of the device while using the company’s Thought-to-Text technology and the BrainOS software. BrainOS allows patients to control all kinds of assistive devices by simply thinking of them, and the combination of the technologies may give severely disabled people the ability to gain real independence.

“The initiation of this trial is a milestone for the technology industry and points towards a new form of treatment for people with paralysis. There is currently no means for recovery for patients beyond the natural healing process,” in a published statement said the study director and CEO of Synchron, Associate Professor Thomas Oxley , MD, PhD, and Neurointerventionalist, Department of Neurosurgery, Mount Sinai Hospital. “The coupling of the Stentrode with our BrainOS technology represents a potential solution to enable people to regain control of their world: but with digital means. For people who have lost the ability to communicate, this technology could be life changing.”

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Stimulating the brain – without major surgery

One of the treatments for managing Parkinson’s Disease is to use deep electrical brain stimulation to relieve debilitating symptoms like muscle stiffness and tremors.

But it’s a daunting procedure. Surgeons must cut into the skull to expose the brain and stimulate it directly. Unsurprisingly, this kind of open brain surgery carries with it a long list of risks, including brain trauma.

Deep electrical brain stimulation, requiring open brain surgery, is currently used to help treat symptoms of Parkinson’s Disease like tremors. Picture: Shutterstock

What if the brain could be stimulated without having to drill a hole in patients’ skulls?

A team of Melbourne based researchers have been working on a replacement for open brain surgery since 2012, inventing a stimulation device that can be implanted in blood vessels next to the brain’s motor cortex, in a minimally invasive procedure involving a small ‘keyhole’ incision in the neck.

Moving with the power of thought

The device, called a Stentrode™, measures just 4mm in diameter and is made from a strong but very flexible alloy called nitinol.

In 2016 the team, which includes researchers from the University of Melbourne, Florey Institute of Neuroscience and Mental Health, The Royal Melbourne Hospital and Synchron Australia, demonstrated that the Stentrode™ can record neural signals in the brain.

Now, they have shown the same device can not only ‘listen’ to brain signals, but also ‘talk back’ – delivering currents directly to targeted areas of the brain, known as ‘focal brain stimulation’. The results are published in Nature Biomedical Engineering.

“We were able to not just passively record, but also deliver currents through the device to cause muscle movement,” says lead researcher Dr Nick Opie from the University of Melbourne’s Vascular Bionics Laboratory.

The proof-of-concept discovery is the first time this kind of brain stimulation has been achieved using a device permanently implanted inside a blood vessel, instead of through invasive direct brain stimulation.

Dr Opie believes the range of potential applications is huge.

“There are probably ways the technology could be used that we haven’t even thought of, yet, so we’re really keen to hear from clinicians on their ideas,” he says.

Next-Gen technologies: All in our minds

“Some of the obvious applications include offering an alternative to the deep brain stimulation that is currently used to treat Parkinson’s symptoms, and also as a replacement for some drugs in treating certain kinds of epilepsy.”

Deep brain stimulation is also used in some instances to treat serious mental illnesses like major depression, and the team are optimistic that Stentrode™ could offer these patients a less invasive alternative too.

Because it has now been shown to manage two-way communication, essentially acting as a feedback loop within the brain, the device also has potential applications for helping people with spinal cord injuries control prosthetic limbs with their brain.

“We can now target both the motor cortex (responsible for planning, control and execution of movements) and the sensory cortex (which receives feedback about actions) with one device,” says Dr Opie.

“This means we could, for example, help spinal cord patients use a prosthetic arm by commanding it to grab an item, and then providing feedback on that action so they don’t grab it too hard or too soft.”

The Stentrode™ is a tiny device made from a strong but very flexible alloy called nitinol. Picture: Sarah Fisher/University of Melbourne

The Stentrode™ is positioned using a minimally-invasive surgical technique. Surgeons use a microwire and a microcatheter to deploy it at the desired location, guided by ‘contrast angiography’ – a special x-ray technique that allows doctors to see inside blood vessels.

Once in place, it is operated wirelessly.

“We implanted the device over the motor cortex on the top of the brain, in a small vessel just under the skull,” says Dr Opie.

Sounds like science fiction

“The electrodes were positioned along the Stentrode, adjacent to different regions of the brain. By delivering current through these electrodes, we were able to stimulate different brain regions and observe different responses.”

The team observed focused muscle movements in response to the device being stimulated, like twitches in the neck, lip and eyes.

Their next step is to investigate the parameters for stimulation, to discover the lowest possible current the device requires and make it as safe as possible, before progressing to human trials.

“We have a lot of work to do in fine-tuning the parameters,” says Dr Opie. “And these will vary depending on how the device is being used.”

While the researchers are planning on conducting a clinical trial early next year to help paralysed people regain movement by enabling them to operate a wheelchair or even an exoskeleton with a Stentrode™ designed to record brain activity, the ultimate goal is to combine this with the ability to stimulate the brain.

“I am excited to see our technology enhance the quality of someone’s life” says Dr Opie.


A startup achieved the largest-ever electrical recording of cortical activity

In July, startup Paradromics said in a research paper that it achieved the largest-ever electrical recording of neural activity from the cerebral cortex, the thin protective layer that covers the brain. The Austin, Texas-based company has developed a brain chip with 65,000 electrode channels — tiny conductors that carry neural signals into and out of the brain (current brain chips have just hundreds).

The company also says its chip has the highest-ever data rate of any neural recording system. In an interview with Future Human, CEO Matt Angle, PhD, said the data rate “is about one DVD per second.” In sheep, the device allowed scientists to observe brain activity in response to sound stimuli. The paper has yet to be peer-reviewed.

Angle thinks his company’s device is a vast improvement over the Utah array, the brain chip that’s most commonly used in human clinical trials of brain implants. The Utah array has about 100 pin-like electrode channels or probes that nestle into the brain tissue. But the size of the probes can cause inflammation and tissue scarring around the implant over time, which affects its ability to record neural signals. As a result, these implants only last a few years at most.

The Utah array also connects to a heavy metal pedestal that sits atop the head and attaches to a computer via a thick wire. People who have gotten these implants can’t use a brain-computer interface setup at home, only in research labs. By contrast, Paradromics’ implant contains microwires that are much smaller than the pins of the Utah array, so Angle expects it to last longer and do less damage to brain tissue.

The company is developing a wireless device that could be used at home in daily life. Angle says he wants to first test the system in people with paralysis to provide them with a means of fast and reliable communication. The company estimates that around 165,000 people in the United States could benefit from such a system.