W kierunku systemów interfejsu mózg-komputer nowej generacji

W kierunku systemów interfejsu mózg-komputer nowej generacji

Interfejsy mózg-komputer (BCI) to nowe urządzenia wspomagające, które pewnego dnia mogą pomóc osobom z urazami mózgu lub kręgosłupa poruszać się lub komunikować. Systemy BCI opierają się na wszczepianych czujnikach, które rejestrują sygnały elektryczne w mózgu i wykorzystują te sygnały do ​​sterowania urządzeniami zewnętrznymi, takimi jak komputery czy robotyka protetyczna. Większość obecnych systemów BCI wykorzystuje jeden lub dwa czujniki do pobierania próbek do kilkuset neuronów, ale neuronaukowców interesują systemy, które są w stanie zbierać dane ze znacznie większych grup komórek mózgowych. Teraz zespół naukowców wykonał kluczowy krok w kierunku nowej koncepcji przyszłego systemu BCI — takiego, który wykorzystuje skoordynowaną sieć niezależnych, bezprzewodowych czujników neuronowych w mikroskali, każdy o wielkości ziarnka soli, do rejestrowania i stymulowania aktywność mózgu. Czujniki, nazwane „neurograinami”, niezależnie rejestrują impulsy elektryczne wytwarzane przez odpalanie neuronów i przesyłają sygnały bezprzewodowo do centralnego koncentratora, który koordynuje i przetwarza sygnały. W badaniu opublikowanym 12 sierpnia w Nature Electronics zespół badawczy zademonstrował użycie prawie 50 takich autonomicznych neuroziarn do rejestrowania aktywności neuronalnej u gryzonia. Naukowcy twierdzą, że wyniki są krokiem w kierunku systemu, który pewnego dnia może umożliwić rejestrowanie sygnałów mózgowych z niespotykaną dotąd szczegółowością, prowadząc do nowych informacji na temat działania mózgu i nowych terapii dla osób z urazami mózgu lub kręgosłupa. „Jednym z największych wyzwań w dziedzinie interfejsów mózg-komputer jest inżynieria sposobów sondowania jak największej liczby punktów w mózgu” – powiedział Arto Nurmikko, profesor w Brown’s School of Engineering i starszy autor badania. „Do tej pory większość BCI była urządzeniami monolitycznymi – trochę jak małe łóżka igieł. Pomysłem naszego zespołu było rozbicie tego monolitu na maleńkie czujniki, które można by rozprowadzić w korze mózgowej. zademonstruj tutaj.” Zespół, w skład którego wchodzą eksperci z Brown, Baylor University, University of California w San Diego i Qualcomm, prace nad rozwojem systemu rozpoczął około cztery lata temu. Wyzwanie było dwojakie, powiedział Nurmikko, który jest związany z Brown’s Carney Institute for Brain Science. Pierwsza część wymagała zmniejszenia złożonej elektroniki zaangażowanej w wykrywanie, wzmacnianie i przesyłanie sygnałów neuronowych do maleńkich krzemowych chipów neurograin. Zespół najpierw zaprojektował i zasymulował elektronikę na komputerze, a następnie przeszedł kilka iteracji produkcyjnych w celu opracowania układów operacyjnych. Drugim wyzwaniem było opracowanie zewnętrznego węzła komunikacyjnego, który odbiera sygnały z tych maleńkich chipów. Urządzenie to cienka łatka wielkości odcisku kciuka, która przyczepia się do skóry głowy poza czaszką. Działa jak miniaturowa wieża telefonii komórkowej, wykorzystując protokół sieciowy do koordynowania sygnałów z neurograin, z których każdy ma swój własny adres sieciowy. Plaster dostarcza również energię bezprzewodowo do neurograin, które są zaprojektowane do działania przy użyciu minimalnej ilości energii elektrycznej. „Ta praca była prawdziwym multidyscyplinarnym wyzwaniem” – powiedział Jihun Lee, badacz z tytułem doktora w Brown i główny autor badania. „Musieliśmy połączyć wiedzę ekspercką w zakresie elektromagnetyki, komunikacji radiowej, projektowania obwodów, produkcji i neuronauki, aby zaprojektować i obsługiwać system neurograin”. Celem tego nowego badania było wykazanie, że system może rejestrować sygnały neuronowe z żywego mózgu – w tym przypadku mózgu gryzonia. Zespół umieścił 48 neuroziarn w korze mózgowej zwierzęcia, zewnętrznej warstwie mózgu, iz powodzeniem zarejestrował charakterystyczne sygnały neuronalne związane ze spontaniczną aktywnością mózgu. Zespół przetestował również zdolność urządzeń do stymulacji mózgu oraz rejestrowania z niego danych. Stymulacja odbywa się za pomocą maleńkich impulsów elektrycznych, które mogą aktywować aktywność nerwową. Naukowcy mają nadzieję, że stymulacja jest napędzana przez ten sam koncentrator, który koordynuje rejestrację neuronową i może pewnego dnia przywrócić funkcje mózgu utracone z powodu choroby lub urazu. Rozmiar mózgu zwierzęcia ograniczył zespół do 48 neuroziarn na potrzeby tego badania, ale dane sugerują, że obecna konfiguracja systemu może obsłużyć do 770. Ostatecznie zespół przewiduje skalowanie do wielu tysięcy neuroziarn, co zapewniłoby obecnie nieosiągalny obraz aktywności mózgu. „Było to trudne przedsięwzięcie, ponieważ system wymaga jednoczesnego bezprzewodowego przesyłania energii i pracy w sieci z szybkością megabitów na sekundę, a to musi być osiągnięte w bardzo wąskich obszarach krzemowych i ograniczeniach zasilania” – powiedział Vincent Leung, współpracownik. profesor na Wydziale Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej w Baylor. „Nasz zespół pchnął kopertę dla rozproszonych implantów neuronowych”. Jest znacznie więcej do zrobienia, aby ten kompletny system stał się rzeczywistością, ale naukowcy stwierdzili, że badanie to stanowi kluczowy krok w tym kierunku. „Mamy nadzieję, że ostatecznie uda nam się opracować system, który zapewni nowe naukowe wglądy w mózg i nowe terapie, które mogą pomóc ludziom dotkniętym wyniszczającymi urazami” – powiedział Nurmikko. Innymi współautorami badań byli Ah-Hyoung Lee (Brown), Jiannan Huang (UCSD), Peter Asbeck (UCSD), Patrick P. Mercier (UCSD), Stephen Shellhammer (Qualcomm), Lawrence Larson (Brown) i Farah Laiwalla (Brązowy). Badania były wspierane przez Agencję Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony (N66001-17-C-4013).

science