duimnael|Deelnemer aan 'n brein-rekenaar-koppelvlak navorsing word aan 'n rekenaar gekoppel. duimnael|Opstelling wat die ontwerp van 'n BrainGate-koppelvlak illustreer. 'n Brein-rekenaar-koppelvlak (BRK) (Engels: Brain–computer interface (BCI). soms 'n brein-masjien-koppelvlak (BMK) genoem, is 'n direkte kommunikasieskakel tussen die brein se elektriese aktiwiteit en 'n eksterne toestel, meestal 'n rekenaar of robotledemaat. BRKe is dikwels gerig op die navorsing, kartering, bystand, verbetering of herstel van menslike kognitiewe of sensories-motoriese funksies. Hulle word dikwels gekonseptualiseer as 'n mens-masjien-koppelvlak wat die tussenganger van bewegende liggaamsdele (bv. hande of voete) oorslaan. BRK-implementerings wissel van nie-indringend (EEG, MEG, MRI) en gedeeltelik indringend (elektrokortikografie en endovaskulêr) tot indringend (mikroelektrode-opstelling), gebaseer op hoe fisies naby elektrodes aan breinweefsel is.
Navorsing oor brein-rekenaar-koppelvlakke (BRKe) het in die 1970's deur Jacques Vidal aan die Universiteit van Kalifornië, Los Angeles (UCLA) begin onder 'n toelaag van die National Science Foundation, gevolg deur 'n kontrak van die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Vidal se 1973-artikel het die uitdrukking brein-rekenaar-koppelvlak in wetenskaplike literatuur bekendgestel.
As gevolg van die kortikale plastisiteit van die brein, kan seine van geïmplanteerde prosteses, na aanpassing, deur die brein hanteer word soos natuurlike sensor- of effektorkanale. Na jare van diere-eksperimente, is die eerste neuroprostetiese toestelle in die middel-1990's in mense ingeplant.
Geskiedenis Die geskiedenis van brein-rekenaar-koppelvlakke (BRKe) begin met Hans Berger se ontdekking van die brein se elektriese aktiwiteit en die ontwikkeling van elektroënsefalografie (EEG). In 1924 was Berger die eerste om menslike breinaktiwiteit met behulp van EEG op te neem. Berger kon ossillatoriese aktiwiteit, soos die alfa-golf (8-13 Hz), identifiseer deur EEG-spore te analiseer.
Berger se eerste opnametoestel was rudimentêr. Hy het silwer drade onder die kopvelle van sy pasiënte geplaas. Hierdie is later vervang deur silwer foelies wat met rubberbande aan die pasiënt se kop vasgemaak is. Berger het hierdie sensors aan 'n Lippmann kapillêre elektrometer gekoppel, met teleurstellende resultate. Meer gesofistikeerde meettoestelle, soos die Siemens dubbelspoel-opnamegalvanometer, wat spannings so klein as 10−4 volt vertoon het, het egter tot sukses gelei.
Berger het die interrelasie van wisselings in sy EEG-golfdiagramme met breinsiektes geanaliseer. EEG's het heeltemal nuwe moontlikhede vir breinnavorsing moontlik gemaak.
Alhoewel die term nog nie geskep was nie, was een van die vroegste voorbeelde van 'n werkende brein-masjien-koppelvlak die stuk Music for Solo Performer (1965) deur die Amerikaanse komponis Alvin Lucier. Die stuk maak gebruik van EEG en analoog seinverwerkingshardeware (filters, versterkers en 'n mengbord) om akoestiese perkussie-instrumente te stimuleer. Die uitvoering van die stuk vereis die produksie van alfa-golwe en sodoende die "speel" van die verskillende instrumente via luidsprekers wat naby of direk op die instrumente geplaas word.
Jacques Vidal het die term " BRK" (In Engels “BCI”) geskep en die eerste eweknie-geëvalueerde publikasies oor hierdie onderwerp gepubliseer. Hy word wyd erken as die uitvinder van BRK.Wolpaw, J.R. and Wolpaw, E.W. (2012). "Brain-Computer Interfaces: Something New Under the Sun". In: Brain-Computer Interfaces: Principles and Practice, Wolpaw, J.R. and Wolpaw (eds.), E.W. Oxford University Press. 'n Oorsig het daarop gewys dat Vidal se 1973-artikel die "BRK-uitdaging" van die beheer van eksterne voorwerpe met behulp van EEG-seine, en veral die gebruik van Kontingent Negatiewe Variasie (KNV) potensiaal as 'n uitdaging vir BRK-beheer, genoem het. Vidal se 1977-eksperiment was die eerste toepassing van BRK na sy 1973 BRK-uitdaging. Dit was 'n nie-indringende EEG (eintlik Visueel Opgewekte Potensiale (VOP) beheer van 'n wyseragtige grafiese voorwerp op 'n rekenaarskerm. Die demonstrasie was beweging in 'n doolhof.
In 1988 was die eerste demonstrasie van nie-indringende EEG-beheer van 'n fisiese voorwerp, 'n robot. Die eksperiment het EEG-beheer van veelvuldige begin-stop-herbegin-siklusse van beweging gedemonstreer, langs 'n arbitrêre trajek wat gedefinieer word deur 'n lyn wat op 'n vloer getrek is. Die lynvolggedrag was die standaard robotgedrag, wat outonome intelligensie en 'n outonome energiebron gebruik.S. Bozinovski, M. Sestakov, L. Bozinovska: Using EEG alpha rhythm to control a mobile robot, In G. Harris, C. Walker (eds.) Proc. IEEE Annual Conference of Medical and Biological Society, bl. 1515-1516, New Orleans, 1988S. Bozinovski: Mobile robot trajectory control: From fixed rails to direct bioelectric control, In O. Kaynak (ed.) Proc. IEEE Workshop on Intelligent Motion Control, bl. 63-67, Istanbul, 1990M. Lebedev: Augmentation of sensorimotor functions with neural prostheses. Opera Medica and Physiologica. Vol. 2 (3): 211-227, 2016M. Lebedev, M. Nicolelis: Brain-machine interfaces: from basic science to neuroprostheses and neurorehabilitation, Physiological Review 97:737-867, 2017
In 1990 is 'n verslag gelewer oor 'n geslote lus, tweerigting, aanpasbare BRK wat 'n rekenaar-gonser beheer deur 'n antisiperende breinpotensiaal, die Kontingent Negatiewe Variasie (KNV) potensiaal.L. Bozinovska, G. Stojanov, M. Sestakov, S. Bozinovski: CNV pattern recognition: a step toward a cognitive wave observation, In L. Torres, E. Masgrau, E. Lagunas (eds.) Signal Processing V: Theories and Applications, Proc. EUSIPCO-90: Fifth European Signal Processing Conference, Elsevier, bl. 1659-1662, Barcelona, 1990L. Bozinovska, S. Bozinovski, G. Stojanov, Electroexpectogram: experimental design and algorithms, In Proc IEEE International Biomedical Engineering Days, p. 55-60, Istanbul, 1992 Die eksperiment het beskryf hoe 'n verwagtingstoestand van die brein, gemanifesteer deur KNV, 'n terugvoerlus gebruik het om die S2-gonser in die S1-S2-KNV-paradigma te beheer. Die gevolglike kognitiewe golf wat die verwagtingsleer in die brein verteenwoordig, is die Elektroekspektogram (EXG) genoem. Die KNV-breinpotensiaal was deel van Vidal se 1973-uitdaging.
Studies in die 2010's het neurale stimulasie se potensiaal voorgestel om funksionele konnektiwiteit en gepaardgaande gedrag te herstel deur die modulering van molekulêre meganismes. Dit het die deur oopgemaak vir die konsep dat BKI-tegnologieë moontlik sodanige funksies kan herstel.
Vanaf 2013 het DARPA BRK-tegnologie befonds deur die BRAIN-inisiatief, wat die werk van spanne soos die Universiteit van Pittsburgh Mediese Sentrum, Paradromics, Brown, en Synchron. ondersteun het.
Neuroprostetika Neuroprostetika is 'n gebied van neurowetenskap wat gemoeid is met neurale prosteses, dit wil sê die gebruik van kunsmatige toestelle om die funksie van verswakte senuweestelsels en breinverwante probleme, of van sensoriese of ander organe (blaas, diafragma, ens.) te vervang. Teen Desember 2010 is kogleêre inplantings as neuroprostetiese toestelle in sowat 736 900 mense wêreldwyd ingeplant. Ander neuroprostetiese toestelle is daarop gemik om visie te herstel, insluitend retinale inplantings. Die eerste neuroprostetiese toestel was egter die pasaangeër. Die terme word soms uitruilbaar gebruik. Neuroprostetika en BRKe poog om dieselfde doelwitte te bereik, soos die herstel van sig, gehoor, beweging, vermoë om te kommunikeer en selfs kognitiewe funksie. Beide gebruik soortgelyke eksperimentele metodes en chirurgiese tegnieke.
Diere-navorsing Verskeie laboratoriums het daarin geslaag om seine van aap- en rot-breinkorteks te lees om BRKe te gebruik om beweging te produseer. Ape het rekenaarwysers beweeg en robotarms beveel om eenvoudige take uit te voer deur bloot oor die taak te dink en die resultate te sien, sonder motoriese uitset.Miguel Nicolelis et al. (2001) Duke neurobiologist has developed system that allows monkeys to control robot arms via brain signals In Mei 2008 is foto's wat 'n aap by die Universiteit van Pittsburgh Mediese Sentrum wys wat 'n robotarm deur te dink gebruik, in verskeie studies gepubliseer. Skape is ook gebruik om BRK-tegnologie te evalueer, insluitend Synchron se Stentrode.
In 2020 is Elon Musk se Neuralink suksesvol in 'n vark ingeplant. In 2021 het Musk aangekondig dat die maatskappy 'n aap suksesvol in staat gestel het om videospeletjies te speel met behulp van Neuralink se toestel.
Vroeë werk In 1969 het operante kondisioneringstudies deur Fetz et al by die Regional Primate Research Center en Departement Fisiologie en Biofisika, Universiteit van Washington se Skool vir Geneeskunde, getoon dat ape kon leer om die defleksie van 'n bioterugvoerarm met neurale aktiwiteit te beheer. Soortgelyke werk in die 1970's het vasgestel dat ape kon leer om die vuurtempo's van individuele en veelvuldige neurone in die primêre motoriese korteks te beheer as hulle dienooreenkomstig beloon is.
Algoritmes om bewegings van motoriese korteksneurone, wat beweging beheer, te rekonstrueer, dateer terug na die 1970's. In die 1980's het Georgopoulos aan die Johns Hopkins-universiteit 'n wiskundige verband gevind tussen die elektriese reaksies van enkele motoriese korteksneurone in rhesus-makaak-ape en die rigting waarin hulle hul arms beweeg het. Hy het ook gevind dat verspreide groepe neurone, in verskillende areas van die aap se brein, gesamentlik motoriese bevele beheer het. Hy kon die afvuur van neurone in slegs een area op 'n slag opneem, as gevolg van toerustingbeperkings.
Verskeie groepe kon komplekse breinmotoriese korteksseine vasvang deur van neurale ensembles (groepe neurone) op te neem en dit te gebruik om eksterne toestelle te beheer.
Navorsing Kennedy en Yang Dan Phillip Kennedy (stigter van Neural Signals (1987)) en kollegas het die eerste intrakortikale brein-rekenaar-koppelvlak gebou deur neurotrofiese-keëlelektrodes in ape in te plant.
In 1999 het Yang Dan et al. aan die Universiteit van Kalifornië, Berkeley, neuronale afvuurings gedekodeer om beelde van katte te reproduseer. Die span het 'n reeks elektrodes gebruik wat in die talamus ingebed is (wat die brein se sensoriese insette integreer). Navorsers het 177 breinselle in die talamus laterale genikulêre kernarea geteiken, wat seine van die retina dekodeer. Neuron-afvuurings is opgeneem deur agt kortfilms te kyk. Deur wiskundige filters te gebruik, het die navorsers die seine gedekodeer om herkenbare tonele en bewegende voorwerpe te rekonstrueer.
Nicolelis Professor Miguel Nicolelis van die Duke-universiteit bepleit die gebruik van veelvuldige elektrodes wat oor 'n groter area van die brein versprei is om neuronale seine te verkry.
Na aanvanklike studies in rotte gedurende die 1990's, het Nicolelis en kollegas 'n BRK-stelsel ontwikkel wat breinaktiwiteit in uil-ape gedekodeer het en die toestelle gebruik het om aapbewegings in robotarms te reproduseer. Ape se gevorderde reik- en grypvermoëns en handmanipulasievaardighede het hulle goeie proefdiere gemaak.
Teen 2000 het die groep daarin geslaag om 'n BRK te bou wat uil-aapbewegings gereproduseer het terwyl die aap 'n speelstok bedien of na kos reik. Die BRK het intyds gewerk en kon 'n aparte robot op afstand beheer. Maar die ape het geen terugvoer ontvang nie (ooplus-BRK). duimnael|Diagram van die BRK-stelsel ontwikkel deur Miguel Nicolelis en kollegas vir gebruik op rhesus-ape.