“Neurogranule” – Cercetătorii fac un pas către interfața creier-calculator de ultimă generație!

  • de

“Neurogranule”, viitorul în medicină!

   

 

  Un nou tip de interfață neuronală care coordonează activitatea a sute de senzori minusculi din creier ar putea într-o zi să aprofundeze înțelegerea creierului și să conducă la noi terapii medicale.

   Cipurile minuscule numite neurogranule sunt capabile să simtă activitatea electrică din creier și să transmită aceste date fără fir.    Credit: Jihun Lee

   Interfețele creier-computer (BCI) sunt dispozitive de asistență emergente care ar putea ajuta, într-o zi, persoanele cu leziuni cerebrale sau coloanei vertebrale să se miște sau să comunice. Sistemele BCI depind de senzori implantabili care înregistrează semnale electrice în creier și folosesc acele semnale pentru a conduce dispozitive externe, cum ar fi computere sau proteze robotizate.

   Cele mai multe sisteme BCI actuale folosesc unul sau doi senzori pentru a eșantiona până la câteva sute de neuroni, dar oamenii de știință sunt interesați de sistemele care sunt capabile să adune date de la grupuri mult mai mari de celule cerebrale.

   Acum, o echipă de cercetători a făcut un pas cheie către un nou concept pentru un viitor sistem BCI – unul care folosește o rețea coordonată de senzori neuronali independenți, fără fir, la scară mică, fiecare de dimensiunea unui grăunte de sare, pentru a înregistra și a stimula creierul. activitate. Senzorii, numiți „neurogranule”, înregistrează în mod independent impulsurile electrice produse de neuronii declanșați și trimit semnalele fără fir către un hub central, care coordonează și procesează semnalele.

   Într-un studiu publicat pe 12 august în Nature Electronics, echipa de cercetare a demonstrat utilizarea a aproape 50 de astfel de boabe neuronale autonome pentru a înregistra activitatea neuronală la o rozătoare.

   Rezultatele, spun cercetătorii, sunt un pas către un sistem care ar putea într-o zi să permită înregistrarea semnalelor cerebrale în detalii fără precedent, ceea ce duce la noi perspective asupra modului în care funcționează creierul și la noi terapii pentru persoanele cu leziuni cerebrale sau coloanei vertebrale.

  „Una dintre marile provocări în domeniul interfețelor creier-calculator este crearea modalităților de a sonda cât mai multe puncte din creier posibil”, a spus Arto Nurmikko, profesor la Brown’s School of Engineering și autor principal al studiului. „Până acum, majoritatea BCI-urilor au fost dispozitive monolitice – un pic ca niște mici paturi de ace. Ideea echipei noastre a fost să descompună acel monolit în senzori minusculi care ar putea fi distribuiți în cortexul cerebral. Asta am reușit să demonstrăm aici.”

   Echipa, care include experți de la Brown, Universitatea Baylor, Universitatea California din San Diego și Qualcomm, a început munca de dezvoltare a sistemului în urmă cu aproximativ patru ani. Provocarea a fost dublă, a spus Nurmikko, care este afiliat la Brown’s Carney Institute for Brain Science. Prima parte a necesitat micșorarea componentelor electronice complexe implicate în detectarea, amplificarea și transmiterea semnalelor neuronale în micile cipuri neurograin de siliciu. Echipa a proiectat și simulat mai întâi electronica pe un computer și a trecut prin mai multe iterații de fabricație pentru a dezvolta cipuri operaționale.

A doua provocare a fost dezvoltarea centrului de comunicații corp-extern care primește semnale de la acele cipuri mici. Dispozitivul este un plasture subțire, de dimensiunea unui deget mare, care se atașează de scalp în afara craniului. Funcționează ca un turn de telefon mobil în miniatură, folosind un protocol de rețea pentru a coordona semnalele de la neurogranule, fiecare dintre ele având propria sa adresă de rețea. Patch-ul furnizează, de asemenea, energie fără fir neurograins, care sunt proiectați să funcționeze folosind o cantitate minimă de electricitate.

„Această muncă a fost o adevărată provocare multidisciplinară”, a spus Jihun Lee, cercetător postdoctoral la Brown și autorul principal al studiului.„A trebuit să aducem laolaltă experiența în electromagnetică, comunicații cu frecvență radio, proiectare de circuite, fabricare și neuroștiință pentru a proiecta și opera sistemul neurograin.”

Scopul acestui nou studiu a fost să demonstreze că sistemul ar putea înregistra semnale neuronale de la un creier viu – în acest caz, creierul unei rozătoare. Echipa a plasat 48 de neurogranule pe cortexul cerebral al animalului, stratul exterior al creierului, și a înregistrat cu succes semnalele neuronale caracteristice asociate cu activitatea spontană a creierului.

Echipa a testat, de asemenea, capacitatea dispozitivelor de a stimula creierul și de a înregistra din acesta. Stimularea se face cu pulsuri electrice minuscule care pot activa activitatea neuronală. Stimularea este condusă de același hub care coordonează înregistrarea neuronală și ar putea într-o zi să restabilească funcția creierului pierdută din cauza bolii sau rănilor, speră cercetătorii.

Dimensiunea creierului animalului a limitat echipa la 48 de neurogranule pentru acest studiu, dar datele sugerează că configurația actuală a sistemului ar putea susține până la 770. În cele din urmă, echipa prevede extinderea la multe mii de neurogranule, ceea ce ar oferi o imagine de neatins în prezent a activității creierului.

„A fost un efort provocator, deoarece sistemul necesită transfer simultan de energie și conectare în rețea la o rată mega-biți pe secundă, iar acest lucru trebuie realizat în condiții de suprafață de siliciu extrem de strânse și constrângeri de putere”, a spus Vincent Leung, un asociat. profesor la Departamentul de Inginerie Electrică și Calculatoare de la Baylor. „Echipa noastră a împins limitele pentru implanturi neuronale distribuite.”

Există mult mai mult de lucru pentru a face ca sistemul complet să devină realitate, dar cercetătorii au spus că acest studiu reprezintă un pas cheie în această direcție.

„Speranța noastră este că putem dezvolta în cele din urmă un sistem care oferă noi perspective științifice asupra creierului și noi terapii care pot ajuta oamenii afectați de leziuni devastatoare”, a spus Nurmikko.

Sursa: https://www.brown.edu/news/2021-08-12/neurograins

Lasă un răspuns