Thalamus: system czasu rzeczywistego do zsynchronizowanego, zamkniętego pomiaru multimodalnych danych behawioralnych i elektrofizjologicznych

Dlaczego ważne jest jednoczesne śledzenie mózgu i ciała

Współczesna chirurgia mózgu i interfejsy mózg–komputer opierają się na obserwacji tego, co robi mózg i ciało, jednocześnie i z dużą precyzją. Tymczasem na zatłoczonej sali operacyjnej różne urządzenia monitorujące mózg, mięśnie, serce i ruch działają często oddzielnie, bez wspólnego zegara. Niniejszy artykuł przedstawia Thalamus — otwartoźródłowy system programowy, który w czasie rzeczywistym zbiera wszystkie te sygnały w jednym miejscu, pomagając lekarzom i badaczom lepiej rozumieć, jak aktywność mózgu łączy się z zachowaniem i jak bezpiecznie testować nowe terapie.

Jedno centrum dla wielu sygnałów

Thalamus zaprojektowano jako centralne centrum, które potrafi odbierać sygnały z wielu rodzajów czujników spotykanych w szpitalach, takich jak elektrody mózgowe, rękawice do rejestracji ruchu, kamery czy monitory serca. Zamiast traktować każde urządzenie jak odrębną wyspę, Thalamus nadaje znaczniki czasowe każdemu strumieniowi w chwili jego nadejścia, tak aby fale mózgowe, ruchy rąk i inne odczyty można było wyrównać z dokładnością do ułamków milisekundy. Taki zsynchronizowany obraz jest szczególnie cenny podczas krótkich i precyzyjnych zabiegów neurochirurgicznych, gdzie nie ma miejsca ani czasu na dodatkowy sprzęt.

Jak zbudowano system

Aby nadążyć za intensywnym przepływem danych, Thalamus wykorzystuje dwuwarstwową architekturę. Przyjazna dla użytkownika warstwa w Pythonie obsługuje panel sterowania i ekran eksperymentu widoczny dla badacza i pacjenta. Szybsza warstwa w C++ zajmuje się wymagającą pracą pobierania danych z urządzeń, przesyłania ich przez łańcuch kroków przetwarzania i zapisywania. Kroki te są zorganizowane w modułowe „węzły”, z których każdy może pozyskiwać, przekształcać lub przechowywać dane. Badacze mogą mieszać i dopasowywać węzły, aby podłączać nowe sensory, obliczać proste miary, takie jak moc sygnału, czy uruchamiać inne urządzenia — wszystko przy zachowaniu stabilności i szybkości działania systemu.

Informacja zwrotna w czasie rzeczywistym i bezpieczeństwo

Kluczowym celem Thalamus jest zamknięcie pętli między wykrywaniem a działaniem. Oprogramowanie może obserwować nadchodzące sygnały, wykonywać obliczenia w czasie rzeczywistym, a następnie wysyłać terminową informację zwrotną, na przykład sterując wirtualną dłonią lub uruchamiając sprzęt do stymulacji mózgu. Autorzy zmierzyli czas trwania tych pętli za pomocą serii testów laboratoryjnych. Pokazują, że Thalamus może wykryć zmianę i zareagować w znacznie poniżej jednej milisekundy wewnątrz oprogramowania, a w przybliżeniu w granicach jednej milisekundy po uwzględnieniu typowych kart akwizycji danych. Staranna konstrukcja z wykorzystaniem nowoczesnych narzędzi komunikacyjnych pomaga systemowi wykrywać błędy, unikać utraty danych i odzyskać niemal wszystkie informacje nawet w przypadku nagłego zatrzymania procesu komputerowego.

Weryfikacja dokładności w laboratorium i na sali operacyjnej

Zespół sprawdził, czy Thalamus utrzymuje wyrównanie różnych strumieni danych, budując proste obwody testowe i łącząc je z rękawicami do rejestracji ruchu oraz kamerami. Gdy przycisk był zwalniany, wzrost napięcia, zarejestrowany ruch palca i zmiana światła z diody LED zgadzały się w granicach kilku tysięcznych sekundy. Przeciążali także system, zwiększając liczbę klatek wideo i obliczając szczegółowe podsumowania sygnałów mózgowych, i stwierdzili, że synchronizacja pozostawała ścisła nawet przy rosnącym obciążeniu. Na koniec wprowadzili Thalamus na salę operacyjną u pacjentów przechodzących zabieg głębokiej stymulacji mózgu. Tam oprogramowanie rejestrowało drobne ruchy rąk wraz z sygnałami z elektrod umieszczonych w głębokim regionie mózgu związanym z ruchem, ujawniając oczekiwany spadek pewnej rytmicznej aktywności mózgowej podczas poruszania rękami.

Co to oznacza dla opieki nad pacjentem i badań

Z perspektywy laika Thalamus działa jak bardzo precyzyjny dyrygent, utrzymując wiele „instrumentów” medycznych w synchronizacji, tak aby złożone interakcje mózgu i ciała były widoczne jasno, zamiast być rekonstruowane po fakcie. Dzięki temu, że korzysta z istniejącego wyposażenia szpitalnego, jest otwartoźródłowy i został przetestowany zarówno na stanowisku badawczym, jak i podczas rzeczywistych operacji, Thalamus obniża barierę wejścia do prowadzenia bogatych, opartych na danych eksperymentów w warunkach klinicznych. Z czasem takie zsynchronizowane obrazy sygnałów mózgowych i zachowań mogą wspierać bardziej spersonalizowane interfejsy mózg–komputer oraz terapie, ułatwiając dopasowanie leczenia do indywidualnego pacjenta bez zwiększania ryzyka czy obciążenia na sali operacyjnej.

Cytowanie: Haggerty, J., Qureshi, Q., Gabriel, E.D. et al. Thalamus: a real-time system for synchronized, closed-loop multimodal behavioral and electrophysiological data capture. Commun Eng 5, 93 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00646-z

Słowa kluczowe: multimodalne nauki o mózgu, interfejs mózg-komputer, rejestracja danych neurochirurgicznych, rejestracja neuronalna w czasie rzeczywistym, zamknięta pętla neuromodulacji