Οι διεπαφές εγκεφάλου-υπολογιστή (BCI) είναι αναδυόμενες βοηθητικές συσκευές που μπορεί μια μέρα να βοηθήσουν άτομα με εγκεφαλική ή σπονδυλική βλάβη να κινηθούν ή να επικοινωνήσουν. Τα συστήματα BCI εξαρτώνται από εμφυτεύσιμους αισθητήρες που καταγράφουν ηλεκτρικά σήματα στον εγκέφαλο και χρησιμοποιούν αυτά τα σήματα για να οδηγούν εξωτερικές συσκευές όπως υπολογιστές ή ρομποτικά προσθετικά.
Διεπαφές εγκεφάλου- υπολογιστή
Τα περισσότερα σημερινά συστήματα BCI χρησιμοποιούν έναν ή δύο αισθητήρες για να δειγματίσουν έως και μερικές εκατοντάδες νευρώνες, αλλά οι νευροεπιστήμονες ενδιαφέρονται για συστήματα που είναι σε θέση να συλλέγουν δεδομένα από πολύ μεγαλύτερες ομάδες εγκεφαλικών κυττάρων. Τώρα, μια ομάδα ερευνητών έχει κάνει ένα βασικό βήμα προς μια νέα ιδέα για ένα μελλοντικό σύστημα BCI, αυτό που χρησιμοποιεί ένα συντονισμένο δίκτυο ανεξάρτητων, ασύρματων νευρωνικών αισθητήρων μικροκλίμακα, ο καθένας περίπου στο μέγεθος ενός κόκκου αλατιού, για την καταγραφή και την τόνωση του εγκεφάλου. δραστηριότητα.
Οι αισθητήρες, που ονομάζονται “neurograins”, καταγράφουν ανεξάρτητα τους ηλεκτρικούς παλμούς που παράγονται από την πυροδότηση νευρώνων και στέλνουν τα σήματα ασύρματα σε έναν κεντρικό διανομέα, ο οποίος συντονίζει και επεξεργάζεται τα σήματα. Σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε στις 12 Αυγούστου στο Nature Electronics, η ερευνητική ομάδα έδειξε τη χρήση σχεδόν 50 τέτοιων αυτόνομων νευροκοκκίων για την καταγραφή της νευρικής δραστηριότητας σε ένα τρωκτικό. Τα αποτελέσματα, λένε οι ερευνητές, είναι ένα βήμα προς ένα σύστημα που θα μπορούσε μια μέρα να επιτρέψει την καταγραφή εγκεφαλικών σημάτων με άνευ προηγουμένου λεπτομέρεια, οδηγώντας σε νέες ιδέες για το πώς λειτουργεί ο εγκέφαλος και νέες θεραπείες για άτομα με εγκεφαλικές ή σπονδυλικές κακώσεις.
“Μία από τις μεγάλες προκλήσεις στον τομέα των διεπαφών εγκεφάλου-υπολογιστή είναι οι μηχανικοί τρόποι ανίχνευσης όσο το δυνατόν περισσότερων σημείων στον εγκέφαλο”, δήλωσε ο Arto Nurmikko, καθηγητής στο Brown’s School of Engineering και ανώτερος συγγραφέας της μελέτης. “Μέχρι τώρα, τα περισσότερα BCI ήταν μονολιθικές συσκευές – κάτι σαν μικρά κρεβάτια με βελόνες. Η ιδέα της ομάδας μας ήταν να σπάσει αυτό το μονόλιθο σε μικροσκοπικούς αισθητήρες που θα μπορούσαν να διανεμηθούν στον εγκεφαλικό φλοιό. Αυτό καταφέραμε να δείξουμε εδώ”. Η ομάδα, η οποία περιλαμβάνει ειδικούς από τον Μπράουν, το Πανεπιστήμιο Baylor, το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο και την Qualcomm, ξεκίνησε το έργο της ανάπτυξης του συστήματος πριν από περίπου τέσσερα χρόνια.
Η πρόκληση ήταν διπλή, είπε ο Nurmikko, ο οποίος είναι συνδεδεμένος με το Brown’s Carney Institute for Brain Science. Το πρώτο μέρος απαιτούσε τη συρρίκνωση των πολύπλοκων ηλεκτρονικών που εμπλέκονται στην ανίχνευση, την ενίσχυση και τη μετάδοση νευρικών σημάτων στα μικροσκοπικά τσιπ πυριτίου neurograin. Η ομάδα αρχικά σχεδίασε και προσομοίωσε τα ηλεκτρονικά σε έναν υπολογιστή και πέρασε από αρκετές επαναλήψεις κατασκευής για να αναπτύξει λειτουργικά τσιπ. Η δεύτερη πρόκληση ήταν η ανάπτυξη του κόμβου επικοινωνίας σώματος-εξωτερικού που λαμβάνει σήματα από αυτά τα μικροσκοπικά τσιπ.
Η συσκευή είναι ένα λεπτό έμπλαστρο, περίπου στο μέγεθος ενός αντίχειρα, που προσκολλάται στο τριχωτό της κεφαλής έξω από το κρανίο. Λειτουργεί σαν ένας μικροσκοπικός πύργος κινητής τηλεφωνίας, που χρησιμοποιεί ένα πρωτόκολλο δικτύου για να συντονίζει τα σήματα από τους νευροκόκκους, καθένα από τα οποία έχει τη δική του διεύθυνση δικτύου. Το έμπλαστρο τροφοδοτεί επίσης ασύρματα τους νευροκόκκους, οι οποίοι είναι σχεδιασμένοι να λειτουργούν με ελάχιστη ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας. “Αυτή η εργασία ήταν μια πραγματική διεπιστημονική πρόκληση”, δήλωσε ο Jihun Lee, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Brown και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης. “Έπρεπε να συγκεντρώσουμε την τεχνογνωσία στην ηλεκτρομαγνητική, την επικοινωνία ραδιοσυχνοτήτων, το σχεδιασμό κυκλωμάτων, την κατασκευή και τη νευροεπιστήμη για να σχεδιάσουμε και να λειτουργήσουμε το σύστημα neurograin”.
Ο στόχος αυτής της νέας μελέτης ήταν να αποδείξει ότι το σύστημα θα μπορούσε να καταγράψει νευρικά σήματα από έναν ζωντανό εγκέφαλο – σε αυτήν την περίπτωση, τον εγκέφαλο ενός τρωκτικού. Η ομάδα τοποθέτησε 48 νευροκόκκους στον εγκεφαλικό φλοιό του ζώου, το εξωτερικό στρώμα του εγκεφάλου, και κατέγραψε με επιτυχία χαρακτηριστικά νευρικά σήματα που σχετίζονται με την αυθόρμητη εγκεφαλική δραστηριότητα. Η ομάδα εξέτασε επίσης την ικανότητα των συσκευών να διεγείρουν τον εγκέφαλο καθώς και να καταγράφουν από αυτόν. Η διέγερση γίνεται με μικροσκοπικούς ηλεκτρικούς παλμούς που μπορούν να ενεργοποιήσουν τη νευρική δραστηριότητα.
Η διέγερση οδηγείται από τον ίδιο κόμβο που συντονίζει τη νευρική καταγραφή και θα μπορούσε μια μέρα να αποκαταστήσει τη λειτουργία του εγκεφάλου που χάθηκε λόγω ασθένειας ή τραυματισμού, ελπίζουν οι ερευνητές. Το μέγεθος του εγκεφάλου του ζώου περιόρισε την ομάδα σε 48 νευροκοκκάρια για αυτή τη μελέτη, αλλά τα δεδομένα υποδηλώνουν ότι η τρέχουσα διαμόρφωση του συστήματος θα μπορούσε να υποστηρίξει έως και 770. Τελικά, η ομάδα οραματίζεται την κλιμάκωση σε πολλές χιλιάδες νευροκοκκία, τα οποία θα παρείχαν επί του παρόντος ανέφικτη εικόνα της εγκεφαλικής δραστηριότητας.
“Ήταν μια δύσκολη προσπάθεια, καθώς το σύστημα απαιτεί ταυτόχρονη ασύρματη μεταφορά ενέργειας και δικτύωση με ρυθμό mega-bit-per-second, και αυτό πρέπει να επιτευχθεί κάτω από εξαιρετικά αυστηρούς περιορισμούς περιοχής πυριτίου και ισχύος”, δήλωσε ο Vincent Leung, συνεργάτης. καθηγητής στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών στο Baylor. “Η ομάδα μας έσπρωξε το φάκελο για τα κατανεμημένα νευρικά εμφυτεύματα.” Πρέπει να γίνει πολύ περισσότερη δουλειά για να γίνει το ολοκληρωμένο σύστημα καπέλων είναι πραγματικότητα, αλλά οι ερευνητές είπαν ότι αυτή η μελέτη αντιπροσωπεύει ένα βασικό βήμα προς αυτή την κατεύθυνση. “Η ελπίδα μας είναι ότι μπορούμε τελικά να αναπτύξουμε ένα σύστημα που παρέχει νέες επιστημονικές γνώσεις για τον εγκέφαλο και νέες θεραπείες που μπορούν να βοηθήσουν τους ανθρώπους που έχουν πληγεί από καταστροφικούς τραυματισμούς”, είπε ο Nurmikko.