В большинстве современных систем BCI используется один или два датчика для отбора проб до нескольких сотен нейронов, но нейробиологов интересуют системы, которые могут собирать данные из гораздо более крупных групп клеток мозга.Теперь группа исследователей сделала ключевой шаг в направлении новой концепции будущей системы BCI — такой, которая использует скоординированную сеть независимых беспроводных нейронных датчиков микромасштаба, каждый размером с крупицу соли, для регистрации и стимулирования. мозговая активность. Датчики, получившие название «нейрогранулы», независимо записывают электрические импульсы, создаваемые возбужденными нейронами, и отправляют сигналы по беспроводной сети в центральный концентратор, который координирует и обрабатывает сигналы.В исследовании, опубликованном 12 августа в Nature Electronics, группа исследователей продемонстрировала использование почти 50 таких автономных нейрогранул для регистрации нейронной активности у грызунов.
По словам исследователей, полученные результаты являются шагом к созданию системы, которая однажды сможет обеспечить запись сигналов мозга с беспрецедентной детализацией, что приведет к новому пониманию того, как работает мозг, и новым методам лечения людей с травмами головного или спинного мозга.«Одна из серьезных проблем в области интерфейсов мозг-компьютер — разработка способов исследования как можно большего числа точек мозга», — сказал Арто Нурмикко, профессор инженерной школы Брауна и старший автор исследования. «До сих пор большинство BCI были монолитными устройствами — немного похожими на маленькие игольные кровати.
Идея нашей команды заключалась в том, чтобы разбить этот монолит на крошечные датчики, которые можно было бы распределить по коре головного мозга. Это то, что мы смогли продемонстрируйте здесь ".Команда, в которую входят специалисты из Брауна, Университета Бейлора, Калифорнийского университета в Сан-Диего и Qualcomm, начала работу по разработке системы около четырех лет назад.
По словам Нурмикко, который связан с Институтом исследований мозга Карни Брауна, проблема была двоякой. Первая часть потребовала уменьшить сложную электронику, участвующую в обнаружении, усилении и передаче нейронных сигналов в крошечные кремниевые микросхемы нейрозерна. Команда сначала спроектировала и смоделировала электронику на компьютере и прошла несколько производственных итераций для разработки рабочих микросхем.
Вторая задача заключалась в разработке узла связи между телом и внешним телом, который принимает сигналы от этих крошечных микросхем. Устройство представляет собой тонкий пластырь размером с отпечаток большого пальца, который прикрепляется к коже черепа за пределами черепа. Он работает как миниатюрная вышка сотового телефона, используя сетевой протокол для координации сигналов от нейрогранул, каждое из которых имеет свой собственный сетевой адрес.
Патч также подает питание по беспроводной сети на нейрогранулы, которые рассчитаны на работу с минимальным потреблением электроэнергии.«Эта работа представляла собой настоящую междисциплинарную задачу», — сказал Джихун Ли, научный сотрудник Брауна и ведущий автор исследования. «Нам пришлось объединить знания в области электромагнетизма, радиочастотной связи, проектирования схем, изготовления и нейробиологии для разработки и эксплуатации нейрозернистой системы».
Целью этого нового исследования было продемонстрировать, что система может записывать нейронные сигналы от живого мозга — в данном случае мозга грызуна. Команда разместила 48 нейрозерен в коре головного мозга животного, внешнем слое мозга, и успешно записала характерные нейронные сигналы, связанные со спонтанной активностью мозга.Команда также проверила способность устройств стимулировать мозг, а также записывать с него данные.
Стимуляция осуществляется крошечными электрическими импульсами, которые могут активировать нервную активность. Исследователи надеются, что стимуляция управляется тем же центром, который координирует нейронную запись и может однажды восстановить функцию мозга, утраченную из-за болезни или травмы.Размер мозга животного ограничил команду 48 нейрогранулами для этого исследования, но данные показывают, что текущая конфигурация системы может поддерживать до 770. В конечном итоге команда предполагает масштабирование до многих тысяч нейрозерен, что обеспечит в настоящее время недостижимая картина мозговой деятельности.
«Это было непростое мероприятие, поскольку система требует одновременной беспроводной передачи энергии и работы в сети со скоростью мегабит в секунду, и это должно быть выполнено в условиях чрезвычайно жесткой области кремния и ограничений по мощности», — сказал Винсент Люнг, сотрудник. профессор кафедры электротехники и вычислительной техники в Бейлоре. «Наша команда расширила границы для распределенных нервных имплантатов».Еще предстоит проделать большую работу, чтобы сделать эту полную систему реальностью, но исследователи заявили, что это исследование представляет собой ключевой шаг в этом направлении.«Мы надеемся, что в конечном итоге мы сможем разработать систему, которая предоставит новые научные знания о мозге и новые методы лечения, которые могут помочь людям, пострадавшим от разрушительных травм», — сказал Нурмикко.
Другими соавторами исследования были А-Хён Ли (Браун), Цзяннан Хуанг (UCSD), Питер Асбек (UCSD), Патрик П. Мерсье (UCSD), Стивен Шеллхаммер (Qualcomm), Лоуренс Ларсон (Браун) и Фара Лайвалла. (Коричневый). Исследование было поддержано Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов (N66001-17-C-4013).