Нейрокомп'ютерний інтерфейс (НКІ) – це пристрій, завдяки якому люди з травмами мозку або хребта одного дня, ймовірно, зможуть рухатися та спілкуватися. В його основі – імплантати, які записують нервові сигнали безпосередньо в мозку і використовують їх для керування зовнішніми пристроями, такими як комп’ютери або роботизовані протези.
Більшість сучасних НКІ використовують лише один або два сенсори, що взаємодіють з кількома сотнями нейронів. Але дослідників цікавлять системи, які збиратимуть дані з набагато більшої кількості клітин мозку.
Тепер група науковців зробила ключовий крок у цьому напрямі. Вони створили прототип майбутнього НКІ, в якому скоординована мережа автономних бездротових нейронних мікродатчиків – кожен розміром з крихту солі – реєструє та стимулює активність мозку. Датчики, що отримали назву «нейрогранул», незалежно один від одного записують електричні імпульси від збуджених нейронів і відправляють сигнали бездротовою мережею у центральний процесор, який координує та обробляє ці сигнали.
У дослідженні, опублікованому 12 серпня у журналі Nature Electronics, група дослідників продемонструвала використання майже 50 таких автономних «нейрогранул» для реєстрації та стимуляції активності мозку у гризунів.
За їхніми словами, ці результати наближають до створення системи, яка зможе фіксуватиме та оброблятиме сигнали мозку з безпрецедентною точністю. Це значно поглибить знання того, як він працює, й дозволить створити нові методи лікування людей з травмами головного або спинного мозку.
«Одним із найбільших викликів у галузі НКІ є створення методів аналізу якомога більшої кількості точок у мозку, – розповідає Арто Нурмікко, професор Школи інженерії Браунського університету й старший автор дослідження. – Досі більшість НКІ були монолітними пристроями. Ідея нашої команди полягала у тому, щоб розбити моноліт на крихітні датчики, які можна розподілити по корі головного мозку. Саме це ми й успішно продемонстрували».
Команда, до якої увійшли фахівці з Браунського університету, Бейлорського університету, Каліфорнійського університету у Сан-Дієґо й компанії Qualcomm, розпочала працювати над цією ідеєю ще чотири роки тому. За словами Нурмікко, дослідники мали вирішити дві основні проблеми. Першою проблемою була мініатюризація складної електроніки, яка приймає, підсилює і передає нейронні сигнали у крихітні кремнієві мікросхеми-«нейрогранули».
Другою стало розроблення процесора, здатного приймати і опрацьовувати сигнали від цих крихітних мікросхем. Такий процесор нагадує тонкий пластир розміром з відбиток великого пальця, який прикріплюється до шкіри черепа. Він працює як мініатюрна вежа стільникового зв’язку й використовує мережевий протокол для координації сигналів від «нейрогранул», кожна з яких має свою власну мережеву адресу. «Пластир» також постачає їм енергію по бездротовій мережі.
«Ця робота була справжнім мультидисциплінарним викликом, – розповідає Цзигунь Лі, науковець з Браунського університету і співавтор дослідження. – Нам довелося об’єднати знання у галузі електромагнетизму, радіочастотного зв'язку, проєктування мікросхем та нейронауки».
Метою науковців було довести, що їхня система здатна записувати нейронні сигнали у живому мозку гризуна. Команда розмістила 48 «нейрогранул» у корі головного мозку тварини і успішно зафіксувала нейронні сигнали, пов’язані зі спонтанною активністю мозку.
Команда також протестувала здатність пристроїв стимулювати мозок. Стимуляція здійснювалась за допомогою крихітних електричних імпульсів, які збуджують нейрони, а керував нею той самий процесор. Дослідники сподіваються, що ця технологія одного дня дасть змогу відновити функції мозку, втрачені через хворобу або травми.
Розмір мозку тварини змусив команду обмежитись 48 «нейрогранулами», але дослідники стверджують, що теперішня конфігурація система здатна підтримувати до 770 таких датчиків. У майбутньому науковці хочуть масштабувати систему до багатьох тисяч «нейрогранул», що дозволить їм аналізувати мозкову активність з безпрецедентною точністю.
«Це було непростим завданням, оскільки система водночас вимагає бездротової передачі енергії і роботи мережі з мегабітною швидкістю, причому усе це потрібно було виконати в умовах надзвичайно малої площі кремнієвої мікросхеми, – каже Вінцент Люнг, професор кафедри електричної та комп’ютерної інженерії Бейлорського університету. – Наша команда відкрила шлях для створення розподілених нервових імплантатів».
Щоб цю систему можна було використовувати на практиці, потрібно ще багато працювати, але дослідники сподіваються, що їм вдалося зробити ключовий крок у цьому напрямі.
«Ми сподіваємося, що нам вдасться створити систему, яка не лише дозволить отримати нові наукові знання про мозок і методи його лікування, а й допоможе людям з важкими травмами», – резюмує Нурмікко.
Toward next-generation brain-computer interface systems
ScienceDaily, 12/08/2021
Зреферував Є. Л.
Оригінал дослідження:
Jihun Lee, Vincent Leung, Ah-Hyoung Lee, Jiannan Huang, Peter Asbeck, Patrick P. Mercier, Stephen Shellhammer, Lawrence Larson, Farah Laiwalla, Arto Nurmikko
Neural recording and stimulation using wireless networks of microimplants
Nature Electronics, 2021; DOI: 10.1038/s41928-021-00631-8
14.08.2021