Các kỹ sư đã phát triển một bộ cảm biến não mới không dây, băng thông rộng, có thể sạc lại, có thể cấy ghép hoàn toàn, hoạt động tốt trong các mô hình động vật trong hơn một năm.
Một nhóm các nhà thần kinh học có trụ sở tại Đại học Brown đã phát triển một cảm biến não không dây có thể cấy ghép hoàn toàn và có thể sạc lại, có khả năng truyền tín hiệu băng thông rộng thời gian thực từ tối đa 100 tế bào thần kinh trong các đối tượng di chuyển tự do. Một số bản sao của thiết bị năng lượng thấp mới lạ, được mô tả trong Tạp chí Kỹ thuật thần kinh, đã hoạt động tốt trong các mô hình động vật trong hơn một năm, lần đầu tiên trong lĩnh vực giao diện máy tính não. Giao diện máy tính não coud giúp những người bị liệt kiểm soát tê liệt nghiêm trọng với suy nghĩ của họ.
Arto Nurmikko, giáo sư kỹ thuật tại Đại học Brown, người giám sát phát minh thiết bị, sẽ trình bày nó trong tuần này tại Hội thảo quốc tế 2013 về Hệ thống giao diện máy não lâm sàng ở Houston.
Đây là một tính năng gần giống với điện thoại di động, ngoại trừ cuộc trò chuyện đang được gửi đi là bộ não nói chuyện không dây, ông Nur Nurikikko nói.
Các kỹ sư Arto Nurmikko và Ming Yin kiểm tra nguyên mẫu thiết bị cảm biến thần kinh băng thông rộng không dây. Tín dụng: Fred Field cho Đại học Brown
Các nhà thần kinh học có thể sử dụng một thiết bị như vậy để quan sát, ghi lại và phân tích các tín hiệu phát ra từ các tế bào thần kinh trong các bộ phận đặc biệt của mô hình động vật não bộ.
Trong khi đó, các hệ thống có dây sử dụng các điện cực cảm biến cấy ghép tương tự đang được nghiên cứu trong nghiên cứu giao diện máy tính não để đánh giá tính khả thi của những người bị tê liệt di chuyển các thiết bị hỗ trợ như cánh tay robot hoặc con trỏ máy tính bằng cách nghĩ về việc di chuyển cánh tay và bàn tay của họ.
Hệ thống không dây này giải quyết nhu cầu lớn cho bước tiếp theo trong việc cung cấp giao diện máy tính não thực tế, Giáo sư thần kinh học John Donoghue, Giáo sư Khoa học thần kinh tại Đại học Brown và Giám đốc Viện Khoa học Não Brown cho biết.
Công nghệ đóng gói chặt chẽ
Trong thiết bị, một chip điện cực cỡ viên được cấy vào tín hiệu của vỏ não thông qua các kết nối điện được thiết kế độc đáo vào titan hàn kín, có thể hàn kín bằng kim loại. Có thể đo được 2,2 inch (56 mm), 1,65 inch ( 42 mm) rộng và dày 0,35 inch (9 mm). Khối lượng nhỏ đó chứa toàn bộ hệ thống xử lý tín hiệu: pin lithium ion, mạch tích hợp công suất cực nhỏ được thiết kế tại Brown để xử lý và chuyển đổi tín hiệu, đài phát thanh không dây và hồng ngoại, và một cuộn dây đồng để sạc lại - một đài phát thanh não bộ. tín hiệu không dây và sạc đi qua cửa sổ sapphire trong suốt điện từ.
Trong tất cả, thiết bị trông giống như một con cá mòi thu nhỏ với một cửa nóc.
Nhưng những gì nhóm nghiên cứu đã đóng gói bên trong làm cho nó trở thành một bước tiến lớn trong các giao diện máy não, David Borton, cựu sinh viên tốt nghiệp Brown và nghiên cứu sau tiến sĩ hiện đang làm việc tại Ecole Polytechnique Federale Lausanne ở Thụy Sĩ cho biết.
Điều làm cho thành tựu được thảo luận trong bài báo này trở nên độc đáo là cách nó tích hợp nhiều sáng kiến riêng lẻ vào một hệ thống hoàn chỉnh với tiềm năng thu được lợi ích thần kinh học lớn hơn tổng số các bộ phận của nó, theo ông Borton. Quan trọng nhất, chúng tôi cho thấy hệ thống kính hiển vi được cấy ghép hoàn toàn đầu tiên hoạt động không dây trong hơn 12 tháng trong các mô hình động vật lớn - một cột mốc cho dịch thuật lâm sàng tiềm năng.
Thiết bị này truyền dữ liệu ở tốc độ 24 Mb / giây qua tần số vi sóng 3,2 và 3,8 Ghz đến một máy thu bên ngoài. Sau một lần sạc hai giờ, được truyền không dây qua da đầu thông qua cảm ứng, nó có thể hoạt động trong hơn sáu giờ.
Thiết bị này sử dụng ít hơn 100 milliwatts năng lượng, một nhân vật quan trọng, ông Nur Nurikikko cho biết.
Hình ảnh chứng khoán miễn phí cho thấy cảm biến não có thể - KHÔNG phải là hình ảnh thực. Tín dụng: Shutterstock / PENGYOU91
Đồng tác giả Ming Yin, một học giả sau tiến sĩ và kỹ sư điện Brown, cho biết một trong những thách thức lớn mà nhóm vượt qua trong việc chế tạo thiết bị là tối ưu hóa hiệu suất của nó khi đưa ra các yêu cầu rằng thiết bị cấy ghép phải nhỏ, công suất thấp và chống rò rỉ, có khả năng trong nhiều thập kỷ.
Chúng tôi đã cố gắng tạo ra sự đánh đổi tốt nhất giữa các thông số kỹ thuật quan trọng của thiết bị, chẳng hạn như mức tiêu thụ điện năng, hiệu suất tiếng ồn, băng thông không dây và phạm vi hoạt động. Một thách thức lớn khác mà chúng tôi gặp phải là tích hợp và lắp ráp tất cả các thiết bị điện tử của thiết bị vào một gói thu nhỏ cung cấp độ kín lâu dài (chống nước) và khả năng tương thích sinh học cũng như minh bạch cho dữ liệu không dây, nguồn và công tắc tắt tín hiệu.
Với sự đóng góp ban đầu của kỹ sư điện William Patterson tại Brown, Yin đã giúp thiết kế các chip tùy chỉnh để chuyển đổi tín hiệu thần kinh thành dữ liệu số. Việc chuyển đổi phải được thực hiện trong thiết bị, bởi vì tín hiệu não không được tạo ra trong dữ liệu máy tính và số không.
Ứng dụng phong phú
Nhóm nghiên cứu đã làm việc chặt chẽ với các bác sĩ phẫu thuật thần kinh để cấy ghép thiết bị vào ba con lợn và ba con khỉ maca rhesus. Nghiên cứu trên sáu loài động vật này đã giúp các nhà khoa học quan sát tốt hơn các tín hiệu thần kinh phức tạp trong khoảng 16 tháng cho đến nay. Trong bài báo mới, nhóm nghiên cứu cho thấy một số tín hiệu thần kinh phong phú mà họ có thể ghi lại trong phòng thí nghiệm. Cuối cùng, điều này có thể chuyển thành những tiến bộ đáng kể cũng có thể thông báo cho khoa học thần kinh của con người.
Nurmikko cho biết các hệ thống có dây hiện nay hạn chế hành động của các đối tượng nghiên cứu. Giá trị của truyền dẫn không dây là nó giải phóng các đối tượng di chuyển theo ý họ, cho phép họ tạo ra nhiều hành vi thực tế hơn. Ví dụ, nếu các nhà khoa học thần kinh muốn quan sát các tín hiệu não được tạo ra trong một số hành vi chạy hoặc tìm kiếm thức ăn, họ có thể sử dụng một cảm biến có dây để nghiên cứu cách các mạch thần kinh hình thành các kế hoạch hành động và thực hiện hoặc lên chiến lược trong việc ra quyết định.
Trong các thí nghiệm trong bài báo mới, thiết bị được kết nối với một mảng gồm 100 điện cực vỏ não, các bài nghe thần kinh riêng lẻ siêu nhỏ, nhưng thiết kế thiết bị mới cho phép kết nối nhiều mảng, Nurmikko nói. Điều đó sẽ cho phép các nhà khoa học quan sát các nhóm tế bào thần kinh trong nhiều khu vực liên quan của mạng lưới não.
Thiết bị không dây mới không được chấp thuận sử dụng ở người và không được sử dụng trong các thử nghiệm lâm sàng về giao diện máy tính não. Nó được thiết kế, tuy nhiên, với động lực tịnh tiến đó.
Nurmikko, người cũng liên kết với Viện Khoa học Não Brown cho biết, điều này được hình thành rất nhiều trong buổi hòa nhạc với nhóm BrainGate * lớn hơn, bao gồm cả bác sĩ phẫu thuật thần kinh và nhà thần kinh học cho chúng tôi lời khuyên về những chiến lược phù hợp cho các ứng dụng lâm sàng cuối cùng.
Borton hiện đang dẫn đầu sự phát triển của sự hợp tác giữa EPFL và Brown để sử dụng một phiên bản của thiết bị để nghiên cứu vai trò của vỏ não vận động trong mô hình động vật của bệnh Parkinson.
Trong khi đó, nhóm Brown đang tiếp tục làm việc để thúc đẩy thiết bị cho số lượng truyền dữ liệu thần kinh lớn hơn, giảm kích thước hơn nữa và cải thiện các khía cạnh khác về độ an toàn và độ tin cậy của thiết bị để một ngày nào đó có thể được xem xét cho ứng dụng lâm sàng trong chuyển động khuyết tật.
Đại học Brown