Felçli hastanın beynine ilk elektronik çip

Bilim kurgu filmlerini andıran gelişme 21.yy’a damgasını vuracak nitelikte. Ülkemizde de büyük bir merakla izlenen Matrix filminde insanlar beyinlerindeki bir arayüzle süper bilgisayara bağlandıktan sonra bilinçlerini bir yazılım programının dünyasına açıyorlardı.

Bu yöndeki ilk adımı şimdi Brown Üniversitesi’nde John Donoghue ile çalışan araştırmacılar attılar.

Bilim adamları iki yıl önce maymunların kafalarına çip yerleştirmişlerdi. Maymunlar böylece bilgisayara bağlı bir kolu düşünceleriyle hareket ettirebildiler.

Uygulama aynı yıl içinde 25 yaşındaki bir hasta üzerinde de denenmişti. Hasta düşünceleriyle bilgisayarın imlecini hareket ettirmiş, bir e-postayı açmış ve basit bir bilgisayar oyunu olan Pong’u oynayabilmişti.

İkinci hasta

Şu sıralar ikinci bir deneme 55 yaşındaki bir hasta üzerinde uygulanmakta.

Bilim adamları son çalışmayı, Nature dergisindeki (www.nature.com/nature, Sayı 442, no: 7099, s.109-222) raporlarında, ileri invaziv beyin-bilgisayar arayüzü (BCI, "Brain Computer Interface") ile ilgili bilimsel araştırmalara dayanan ilk klinik deney olarak tanımlıyorlar.

Sonuçlar gelecek için çok önemli gelişmeler vaat ediyor. Teknik, nöro (sinir) protezlerden, tekerlekli sandalyeye kadar birçok aracın düşüncelerle çalıştırılmasına izin verecek.

Araştırmaya finansal destek veren Amerikan savunma bakanlığının araştırma ajansı Darpa da gelişmeyi büyük bir ilgiyle takip ediyor.

Cyberkinetics firması tarafından geliştirilen BCI sisteminin ana parçası "BrainGate", üzerinde 100 elektrot bulunan bir çip. 4x4m boyutlarındaki çip hastanın motor korteksine yerleştirilmiş.

Büyük beyin kabuğundaki bu bölge sağlıklı insanlarda beden hareketlerinin çalıştırılmasından sorumludur.

Ancak boyun omuriliğinden aşağısı felç olanlarda motor korteksin sinyalleri el ve kol kaslarına ulaşamıyor. Bu bağlantı ayrıca inme veya kas distrofisi gibi hastalıklarda da ortaya çıkabilmekte.

3 yıldır felçti

Motor korteks öte yandan çipin elektrotlarından çok daha fazla nörona sahip, yerleştirme bu nedenle sadece rastlantısal olarak mümkün olmakta. Bu yüzden yazılım programı ile, kaydedici 96 elektrotun yanında bulunan etkin beyin hücrelerinin elektriksel sinyalleri, değerlendirilebilir çalıştırma bilgisine dönüştürülmek zorundaydı ki bu da BCI sisteminin en önemli işlevi olmalıydı.

Amerikalı bilim adamları şimdi bu işlemi, maymun deneyleriyle elde ettikleri bilgilere bile bakmaksızın yerine getirebildiler. Üç yıldır felç olan hasta altı deneme aşamasında, bilgisayar faresini ne şekilde çalıştıracağını hayal etmeyi öğrenirken, elektrotlar bu düşünceye bağlı olarak "ateşlenen" nöronları kaydetmişler.

Sisteme bağlı bilgisayar bunun üzerine özel bir algoritmayla, imlecin iki boyutlu hareketini "nöronsal imlece" dönüştüren bir filtre tasarlamış.

Hasta üç yıldan beri felç olmasına rağmen sürpriz bir şekilde nöronsal imleci kullanmayı çok çabuk öğrenmiş. Oysa kimi bilim adamları, sırt omuriliğinin yara almasından sonra motor korteks bölgesinin önemli ölçüde değiştiğini düşünüyorlardı.

İlk sonuçlar başarılı

Burada önemli olan, sırt omuriliği bozukluğuna sahip bir insanın, bir aleti düşünce gücüyle çalıştırırken meydana gelen beyin etkinliğinin, ellerini gerçekten kullanabilen maymunların beyin etkinliklerine benzemesi diye açıklıyor araştırmaya katılan bilim adamlarından biri olan Leigh Hochberg.

Hasta, çeşitli alıştırma seanslarında 95 denemeden 73’ünde bilgisayardakı imleci istenilen yöne hareket ettirmeye başarmış. Hatta ekran üzerindeki "engelli gezintileri" bile başarıyla tamamlamış. Bilim adamları beynin birden bire reaksiyon gösterebilmesinin umut verici olduğunu söylüyorlar. Hastalardan, sağı veya solu düşünmeleri istendiğinde, nöronsal etkinlikler hemen değişmekte.

Donoghue’ın çalışmasını "önemli bir gelişme" şeklinde değerlendiren Stephan Scott (Queen’s University, Kanada), devre dışı kalan motor korteksin yıllar sonra birden bire çalıştığının kanıtlanması dışında, sistemin çok çabuk ayarlanabilmesi de çok önemli diye konuştu. Süreç, haftalar hatta aylar süren invaziv olmayan elektroensefalografi sistemine karşın sadece dakikalar sürmekte.

Daha fazlasını yapıyor

Elektro-kokleografinin de dahil olduğu invazif (girişimci-bedene müdahaleci) yöntemlerden (elektrotlar sadece beyin kabuğuna yerleştirilmekte) farklı olarak son derece ileri bir tekniğe dayanan sistemde cerrahi girişim gereksiz kalıyor. Etkin nöronlarda, hücre içleri ve çevrelerindeki gerilim farklı birkaç binde bir volt kadar.

Bunlar hastanın kafa derisine yerleştirilen elektrotlarla özellikle de kafatası çatısının hemen altında bulunan görsel kortekste ölçülebilmekte. Tıpta kullanılagelen elektroensefalografi (EEG) için 28 elektrot yeterli olurken, EEGÑBCI sisteminde 128 elektrot yerleştirilmekte.

Media Lab Europe’un Mind-Games grubundan Rob Burke bu elektrot sisteminden, deneklerin, sadece ekran üzerindeki bir noktaya odaklanmaları halinde hareket eden bir oyun imleci tasarladı.

Bununla birlikte BrainGate türü invaziv yöntemlere göre aktarılan bilgi oranı önemli ölçüde düşük. Elektrot başlığı saniyede 37 Bit yapabilirken, beyne yerleştirilen elektrotlar daha fazlasını yerine getirebiliyorlar.

Özel bilgisayar geliştirildi

Araştırmalarını yine Nature dergisinde yayımlayan Stanford Üniversitesi’nden bir grup bilim adamı, yazılım programını, dakikada 390 Bit (saniyede 6,5 Bit) aktarabilecek şekilde geliştirmiş. (Bir bilgisayar faresi saniyede 300 Bit’e ihtiyaç duymakta.).

Yani diğer sözlerle, felçli bir hasta elektrotlu çip sayesinde dakikada 15 harf yazabiliyor. Oysa invaziv olmayan yöntemle bu sayı birkaç taneyi geçmiyor, diyor Avusturyalı sinirbilimci Gert Pfurtscheller.

Pfurtscheller de motorik beyin sinyallerini kaydetmek için elektrot başlığından yararlanmakta. Sinyaller daha sonra bir elektro uyarımın kontrolü için çalıştırma sinyallerine dönüştürülmekte. Alt kolun iç kısmındaki bir elektro manşet, elini hareket ettiremeyen felçli hastada bir kavrama hareketiniçalıştırıyor.

Avusturyalı sinirbilimcinin ekibi bu sistemle bir hastaya masanın üzerinde duran bir bardağı tutup su içmesini sağlamışlar. Bununla birlikte bu sistemde sinyallerin bozulma olasılığı daha yüksek ayrıca alıştırma süresi de daha uzun.
Bu açıdan bakıldığında Donoghe ekibinin ileri invaziv tekniği daha başarılı. Tabii beyne çip aktarımı biraz riskli. Ama yaşam kalitesini geri kazandırdığı için seçme şansı olan hastalar büyük bir olasılıkla yine de BCI sistemini tercih edebilirler gibi geliyor bize. Hem başında bir elektrot bonesiyle yaşamayı kim ister ki?