Sådan Fungerer Brainport

{h1}

Brainport er en enhed, der sender visuel indgang gennem de synshæmmede. Lær hvordan det virker.

En blind kvinde sidder i en stol, der holder et videokamera fokuseret på en videnskabsmand sidder foran hende. Hun har en enhed i munden, rører ved tungen, og der er ledninger, der løber fra den pågældende enhed til videokameraet. Kvinden har været blind siden fødslen og ved ikke rigtig, hvad en gummibold ser ud, men forskeren holder en. Og når han pludselig ruller den i sin retning, lægger hun en hånd ud for at stoppe den. Den blinde kvinde så bolden. Gennem hendes tunge.

Nå, ikke ligefrem gennem tungen, men enheden i munden sendte visuel indgang gennem tungen på samme måde som at se individer modtage visuel indgang gennem øjnene. I begge tilfælde sender den oprindelige sensoriske indgangsmekanisme - tungen eller øjnene - de visuelle data til hjernen, hvor dataene behandles og tolkes for at danne billeder. Hvad vi taler om her er elektrotaktil stimulering til sensorisk forstærkning eller substitution, et studieområde, der involverer at anvende kodet elektrisk strøm til at repræsentere sensorisk information - information, som en person ikke kan modtage via den traditionelle kanal - og anvende den aktuelle til huden, som sender oplysningerne til hjernen. Hjernen lærer derefter at fortolke den sensoriske information som om den blev sendt via den traditionelle kanal til sådanne data. I 1960'erne og 70'erne blev denne proces genstand for banebrydende forskning i sensorisk substitution hos Smith-Kettlewell Institute ledet af Paul Bach-y-Rita, MD, professor i ortopæd og rehabilitering og biomedicinsk teknologi ved University of Wisconsin, Madison. Nu er det grundlaget for Wicabs BrainPort-teknologi (Dr. Bach-y-Rita er også Chief Scientist og bestyrelsesformand for Wicab).

De fleste af os er bekendt med forstærkning eller substitution af en følelse for en anden. Briller er et typisk eksempel på sensorisk forstørrelse. Braille er et typisk eksempel på sensorisk substitution - i dette tilfælde bruger du en følelse, touch, til at indhente oplysninger normalt beregnet til en anden følelse, vision. Elektrotaktil stimulering er en højereteknologisk metode til at modtage noget lignende (men mere overraskende) resultater, og det er baseret på ideen om, at hjernen kan fortolke sensoriske oplysninger, selvom den ikke er tilvejebragt via den "naturlige" kanal. Dr. Bach-y-Rita sætter det på denne måde:


... vi ser ikke med øjnene; det optiske billede går ikke ud over nethinden, hvor det bliver til spatio-temporale nervemønstre af [impulser] langs optiske nervefibre. Hjernen genskaber derefter billederne fra analyse af impulsmønstre.

De flere kanaler, der bærer sensoriske oplysninger til hjernen, fra øjnene, ørerne og huden, er f.eks. Oprettet på samme måde som at udføre lignende aktiviteter. Alle sensoriske informationer, der sendes til hjernen, bæres af nervefibre i form af impulser, og impulserne ender i de forskellige sensoriske centre i hjernen til fortolkning. At erstatte en sensorisk indgangskanal til en anden, skal du korrekt encode nervesignalerne for den sensoriske begivenhed og sende dem til hjernen gennem den alternative kanal. Hjernen ser ud til at være fleksibel, når det gælder tolkning af sensorisk input. Du kan træne det for at læse input fra, siger den taktile kanal, som visuel eller balance information, og at handle på det i overensstemmelse hermed. I JS Online's "Enhed kan være en ny vej til hjernen", fortæller University of Wisconsin biomedicinsk ingeniør og BrainPort-teknologi co-opfinder Mitch Tyler, "Det er et fantastisk mysterium om, hvordan denne proces finder sted, men hjernen kan gøre det, hvis du give det de rigtige oplysninger. "

I det næste afsnit vil vi se nærmere på begreberne elektroaktil stimulering.

Vibration

Elektricitet er ikke den eneste form for stimulering, der anvendes i højteknologiske sensoriske substitutionsapparater. Der er enheder, der bruger "vibrotactil" stimulering, blandt andet at sende information til hjernen gennem en alternativ sensorisk kanal. I en vibrotactil stimuleringsindretning påføres kodet sensoriske signaler på huden ved hjælp af en eller flere vibrationsstifter. Tactaid, en auditiv substitution enhed, anvender denne type teknologi.

Begreber for elektrotaktil stimulering

Begreberne på arbejdet bag elektroaktil stimulering til sensorisk substitution er komplekse, og implementeringsmekanikerne er ikke mindre. Tanken er at formidle ikke-taktil information via elektrisk stimulering af følsomheden. I praksis betyder dette typisk, at en række elektroder, der modtager input fra en ikke-taktil informationskilde (f.eks. Et kamera), anvender små, kontrollerede smerteløse strømme (nogle fag rapporterer det, at de føles noget som sodavandbobler) til huden på præcise placeringer ifølge et kodet mønster. Kodningen af ​​det elektriske mønster forsøger i det væsentlige at efterligne indgangen, som normalt ville blive modtaget af den ikke-funktionelle betydning. Så lysets mønstre optaget af et kamera til at danne et billede, der erstatter opfattelsen af ​​øjnene, omdannes til elektriske impulser, der repræsenterer disse mønstre af lys. Når de kodede impulser påføres huden, modtager huden faktisk billeddata. Ifølge Dr. Kurt Kaczmarek, BrainPort teknologi co-opfinder og Senior Scientist med University of Wisconsin Department of Orthopaedics and Rehabilitation Medicine, hvad der sker næste er, at "det elektriske felt, der således genereres i subkutant væv, spænder direkte de afferente nervefibre, der er ansvarlige for normal, mekaniske touch sensationer. " Disse nervefibre videresender deres billedkodede berøringssignaler til det taktil-sensoriske område af hjernebarken, den parietal lobe.

Dette indhold er ikke kompatibelt på denne enhed.

Mus-over delens etiketter af hjernen for at se, hvor disse dele er placeret.

Under normale omstændigheder modtager parietalloben kontaktinformation,

den tidlige lobe modtager auditiv information, den occipitale lobe modtager

vision information og cerebellum modtager balance oplysninger.

(Frontal lobe er ansvarlig for alle mulige højere hjernefunktioner,

og hjernestammen forbinder hjernen med rygmarven.)

Inden for dette system kan elektrodens arrayer bruges til at formidle information uden berøring gennem veje til hjernen, der normalt anvendes til berøringsrelaterede impulser. Det er et temmelig populært studieområde lige nu, og forskerne ser på endeløse måder at udnytte den tilsyneladende vilje til at tilpasse sig til cross-sensory input. Forskere studerer, hvordan man bruger electrotactile stimulering til at give sensorisk information til synshandicappede, de nedsatte hørelser, balancen og de, der har mistet følsomheden i visse hudområder på grund af nerveskader. Et særligt fascinerende aspekt af forskningen fokuserer på, hvordan man kvantificerer visse sensoriske oplysninger i form af elektriske parametre - med andre ord, hvordan man formidler "taktil rød" ved hjælp af elens egenskaber.

Dette er et felt af videnskabeligt studie, der har eksisteret i næsten et århundrede, men det har hentet damp i de sidste par årtier. Miniaturiseringen af ​​elektronik og stadig mere magtfulde computere har gjort denne type system til en omsættelig virkelighed i stedet for blot en virkelig imponerende laboratoriedemonstration. Indtast BrainPort, en enhed, der bruger electrotactile stimulering til at overføre non-tactile sensoriske oplysninger til hjernen. BrainPort bruger tunge som en erstatning sensorisk kanal. I næste afsnit kommer vi ind i BrainPort.

Brainport

BrainPort balance enhed

BrainPort balance enhed

Forskere har studeret electrotactile præsentation af visuel information siden i begyndelsen af ​​1900'erne. Disse forskningsopsætninger brugte typisk et kamera til at indstille aktuelle niveauer for en matrix af elektroder, som rumligt svarer til kameraets lyssensorer. Den person, der rører ved matrixen, kunne visuelt opfatte form og rumlig orientering af objektet, som kameraet var fokuseret på. BrainPort bygger på denne teknologi og er uden tvivl mere strømlinet, kontrolleret og følsom end de systemer, der kom før den.

For en ting bruger BrainPort tunge i stedet for fingerspidser, mave eller ryg, der anvendes af andre systemer. Tungen er mere følsom end andre hudområder - nervefibrene er tættere på overfladen, der er flere af dem, og der er ingen stratum corneum (et ydre lag af døde hudceller) til at fungere som en isolator. Det kræver mindre spænding at stimulere nervefibre i tungen - 5 til 15 volt i forhold til 40 til 500 volt for områder som fingerspidserne eller underlivet. Spyt indeholder også elektrolytter, frie ioner, der fungerer som elektriske ledere, så det hjælper med at opretholde strømmen af ​​strømmen mellem elektroden og hudvævet. Og området af hjernebarken, der fortolker berøringsdata fra tungen, er større end de områder, der tjener andre kropsdele, så tungen er et naturligt valg til at formidle taktilbaserede data til hjernen.

Wicab søger for øjeblikket FDA godkendelse for a balance-korrektion BrainPort ansøgning. En person, hvis vestibulære system, den overordnede balancemekanisme, der begynder i de indre ører, er beskadiget, har ringe eller ingen følelse af balance - i alvorlige tilfælde må han muligvis tage fat i væggen for at gøre den nede i en gang eller være ude af stand til gå overhovedet. Nogle indre øreforstyrrelser omfatter bilaterale vestibulære lidelser (BVD), akustisk neurom og Meniere's sygdom, og balancefornemmelsen kan også påvirkes af almindelige tilstande som migræne og slagtilfælde. BrainPort balance enhed kan hjælpe folk med balance problemer at omskole deres hjerner til at fortolke balance information kommer fra deres tunge i stedet for deres indre øre.

Sådan fungerer BrainPort: sådan

BrainPort balance komponenter forenklet

en accelerometer er en enhed, der blandt andet måler hældning i forhold til tyngdekraften. Accelerometeret på undersiden af ​​10-til-10-elektrodarrangementet transmitterer data om hovedposition til CPU'en via kommunikationskredsløbet. Når hovedet vælter rigtigt, modtager CPU'en "rigtige" data og sender et signal, der fortæller elektrodarrayet, for at give strøm til højre side af brugerens tunge. Når hovedet vender tilbage, bukker enheden mod venstre side af tungen. Når hovedet er i niveau, sender BrainPort en puls til midten af ​​tungen. Efter flere sessioner med enheden begynder fagets hjerne at hente signalerne som en indikation af hovedpositionen - balancere information, der normalt kommer fra det indre øre - i stedet for bare taktil information.

Wicab gennemførte et klinisk forsøg med balancenheden i 2005 med 28 personer, der lider af bilaterale vestibulære lidelser (BVD). Efter træning på BrainPort genvandt alle emnerne deres balance for en periode, nogle gange op til seks timer efter hver 20-minutters BrainPort-session. De kunne styre deres kropsbevægelser og gå støt i forskellige miljøer med normal gang og med finmotorisk kontrol. De oplevede muskelafslapning, følelsesmæssig ro, forbedret syn og dybdeopfattelse og normaliserede søvnmønstre.

I næste afsnit ser vi på BrainPort vision enhed.

BrainPort Vision Device

Prototype BrainPort vision komponenter forenklet

Prototype BrainPort vision komponenter forenklet

Testresultater for BrainPort vision enhed er ikke mindre opmuntrende, selvom Wicab endnu ikke har udført formelle kliniske forsøg med opsætningen. Ifølge University of Washington Department of Ophthalmology lider 100 millioner mennesker alene i USA af synshandicap. Dette kan være aldersrelateret, herunder grå stær, glaukom og makuladegeneration, fra sygdomme som trachom, diabetes eller hiv eller resultatet af øjentraume fra en ulykke. BrainPort kan give synshandicappede mennesker med begrænsede synsformer.

At producere taktil vision, BrainPort bruger et kamera til at optage visuelle data.Den optiske information - lys som normalt rammer nethinden - at kameraet henter op i digital form, og det bruger radiosignaler til at sende dem og nul til CPU'en til kodning. Hvert sæt pixels i kameraets lyssensor svarer til en elektrode i arrayet. CPU'en kører et program, der ændrer kameraets elektriske information til et rumligt kodet signal. Det kodede signal repræsenterer forskelle i pixeldata som forskelle i pulsegenskaber, såsom frekvens, amplitude og varighed. Multidimensionel billeddata har form af afvigelser i pulsstrøm eller spænding, pulsvarighed, intervaller mellem impulser og antallet af impulser i en burst, blandt andre parametre. Ifølge US patent nr. 6.430.450, licenseret til Wicab til BrainPort ansøgningen:


I det omfang en uddannet bruger samtidig kan skelne mellem flere af disse karakteristika af amplitude, bredde og frekvens, kan impulserne formidle flerdimensionel information på samme måde som øjet opfatter farve fra den uafhængige stimulering af forskellige farve receptorer.

Elektrodearrangementet modtager det resulterende signal via stimuleringskredsløbet og anvender det på tungen. Hjernen lærer til sidst at fortolke og bruge informationen fra tungen som om den kommer fra øjnene.

Efter træning i laboratorietester kunne blinde fagpersoner opfatte visuelle træk som truende dybde, perspektiv, størrelse og form. Fagene kunne stadig føle pulserne på deres tunge, men de kunne også opfatte billeder, der blev genereret af disse impulser i deres hjerne. Fagene opfattede objekterne som "derude" foran dem, adskilt fra deres egne kroppe. De kunne opfatte og identificere bogstaver i alfabetet. I et tilfælde, da blind bjergbestiger Erik Weihenmayer testede enheden, var han i stand til at lokalisere sin kone i en skov. Et af de mest almindelige spørgsmål på dette tidspunkt er, "Ser de virkelig?" Det hele afhænger af, hvordan du definerer vision. Hvis du ser betyder, kan du identificere bogstavet "T" et sted uden for dig selv, når du forstår, når "T" bliver større, mindre, ændrer retning eller bevæger sig længere væk fra din egen krop, så ser de virkelig. En undersøgelse, der udførte PET-hjerneskanninger af medfødte blinde mennesker, mens de brugte BrainPort-visningsenheden, viste, at efter flere sessioner med BrainPort lysede visionscentrene for fagets hjerner op, da visuel information blev sendt til hjernen gennem tungen. Hvis "seende" betyder, at der er aktivitet i hjernebarkens visioncenter, så ser de blinde fag virkelig op.

BrainPort-testresultaterne er noget forbløffende og fører mange til at undre sig over anvendelsesområdet for applikationer til teknologien. I næste afsnit ser vi hvilke BrainPort applikationer Wicab for øjeblikket fokuserer på i kliniske forsøg, hvilke andre applikationer det forudser for teknologien, og hvor tæt det er at markedsføre en forbrugervenlig version af enheden.

Aktuelle og potentielle applikationer

BrainPort Balance Device

BrainPort Balance Device

Mens det fulde spektrum af BrainPort-applikationer endnu ikke har fundet sted, har enheden potentialet til at mindske en række sensoriske begrænsninger og lindre symptomerne på en række forskellige lidelser. Kun få af de nuværende eller forudsigelige medicinske applikationer omfatter:

  • Tilvejebringelse af synspunkter for synshandicappede
  • tilvejebringelse af sensorisk motorisk træning for strokepasienter
  • giver taktil information til en del af kroppen med nerveskader
  • lindrende balanceproblemer, holdningsstabilitetsproblemer og muskelstivhed hos mennesker med balanceforstyrrelser og Parkinsons sygdom
  • forbedring af integration og fortolkning af sensoriske oplysninger i autistiske mennesker

Udover medicinske applikationer har Wicab udforsket potentielle militære anvendelser med et tilskud fra Forsvarsforskningsprojektets agentur (DARPA). Virksomheden ser på undervandsapplikationer, der kan give Navy SEALs med navigationsinformation og orienteringssignaler i mørkt, skummet vand (denne type opsætning kunne i sidste ende finde et stort kommercielt marked med rekreative SCUBA dykkere). BrainPort-elektroderne ville modtage input fra en sonar-enhed for at give ikke kun retningsbeskrivelser, men også en visuel følelse af forhindringer og terræn. Militære navigationsapplikationer kan strække sig til soldater i området, når radiokommunikation er farlig eller umulig, eller når deres øjne, ører og hænder er nødvendige for at klare andre ting - ting der kan sprænge op. BrainPort kan også give udvidet information til militære piloter, såsom en puls på tungen for at angive nærmer fly eller for at angive, at de skal tage øjeblikkelig handling. Med træning kan denne puls på tungen fremkalde en hurtigere reaktionstid end en visuel cue fra et lys på instrumentbrættet, da den visuelle cue skal behandles af nethinden, inden den videreføres til hjernen til fortolkning.

Andre potentielle BrainPort applikationer omfatter robot operation. Kirurgen ville bære elektrotaktile handsker for at modtage taktil input fra robotprober inde i en persons brystkavitet. På denne måde kunne kirurgen føle hvad han laver som han kontrollerer robotudstyret. Race car drivers kan bruge en version af BrainPort til at træne deres hjerner til hurtigere reaktionstider, og spillere kan bruge electrotactile feedback handsker eller controllere til føle hvad de laver i et videospil En gaming BrainPort kunne også bruge en taktil-vision-proces for at lade gamere opfatte yderligere oplysninger, der ikke vises på skærmen.

BrainPort gennemfører for øjeblikket en anden runde kliniske forsøg, da det virker vej gennem FDA godkendelsesprocessen for balancenheden.Virksomheden estimerer en kommerciel frigivelse i slutningen af ​​2006, med en anslået salgspris på $ 10.000 pr. Enhed.

Allerede mere strømlinet end nogen tidligere opsætning ved hjælp af elektroaktil stimulering til sensorisk substitution, forestiller BrainPort sig endnu mindre og mindre påtrængende i fremtiden. I tilfælde af balancenheden kan hele elektronikken i den håndholdte del af systemet passe ind i et diskret mundstykke. En dental-beholderlignende enhed ville indeholde et batteri, elektrodarrayet og alle mikroelektronikene, der er nødvendige til signalkodning og -overførsel. I tilfælde af BrainPort visionapparatet kan elektronikken være helt integreret i et par briller sammen med et lille kamera og en radiosender, og mundstykket vil huse en radiomodtager for at modtage kodede signaler fra brillerne. Det er ikke ligefrem et system på en chip, men giver det 20 år - vi kan muligvis se et kamera på størrelse med et ris, der er indlejret i folks pande.

For mere information om BrainPort og relaterede emner, se linkene på næste side.


Video Supplement: The future is not what you dream, but what you make..




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com