ЭМРА ТЕХНОЛОГИЯ

Беспроводные микроскопические нейронные датчики закладывают основы для создания нейро- интерфейсов нового поколения.

     
     Крошечные чипы, называемые нейрозернами, способны определять электрическую активность мозга и передавать эти данные по беспроводной сети. (Инвормация предоставлена: Джихун Ли / Университет Брауна).
      Интерфейсы мозг-компьютер (BCI) с инвазивными(имплантируемыми) электродами - это новые вспомогательные устройства, которые ставят целью помощь людям с травмами головного или спинного мозга для восстановления двигательных или речевых функций. Системы BCI зависят от имплантируемых датчиков, которые записывают электрические сигналы в мозг и используют эти сигналы для управления внешними устройствами, такими как компьютеры или роботизированные протезы.
      В большинстве современных систем BCI используется один или два сенсора для получения данных от группы нейронов, количеством не более нескольких сотен нейронов, но нейробиологов интересуют системы, устройства способные собирать данные из гораздо большего количества распределенных групп клеток мозга.
      Недавно команда исследователей сделала ключевой шаг к новой концепции будущей системы BCI - такой, которая использует скоординированную сеть независимых беспроводных нейронных датчиков микромасштаба, каждый размером с крупицу соли, для записи и стимуляции мозгаовой активности. 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 2021 г. в Nature Electronics , исследовательская группа 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 количества точек в мозге, - сказал Арто Нурмикко, профессор инженерной школы Брауна и старший автор исследования. «До сих пор большинство BCI были монолитными устройствами - чем-то вроде маленьких игольных кроватей. Идея нашей команды заключалась в том, чтобы разбить этот монолит на крошечные сенсоры, которые можно было бы распределить по коре головного мозга. Это то, что мы и смогли продемонстрировать в совем исследовании ».
      Команда, в которую входят специалисты из Университета 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 Brown’s Carney Institute, проблема была двоякой. С одной стороны необходимо было 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. С другой сторны необзодимо было аппаратное решение для принема сигналов от этих крошечных микросхем. Устройство представляет собой тонкий пластырь размером с отпечаток большого пальца, который прикрепляется к коже черепа. Он работает как миниатюрная вышка сотового телефона, используя сетевой протокол для координации сигналов от нейрогранул, каждое из которых имеет свой собственный сетевой адрес. А 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 Brown и ведущий автор исследования. «Нам пришлось объединить знания в области электромагнетизма, радиочастотной связи, проектирования схем и нейробиологии для разработки и эксплуатации нейрозерновой 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 управляетмая тем же внешним устройством, которое координирует нейронную запись сможет 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 непревзойденный пока на сегодняжний момент уровень анализа 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 малых размерах чмпов и ограничений по мощности», - сказал Винсент Люнг, сотрудник. профессор кафедры электротехники и вычислительной техники в Бейлоре. «Наша команда расширила границы для распределенных нервных имплантатов».
     
source