В недавно опубликованном исследовании нейроинженеры Брауновского университета подробно рассказали о разработке первой полностью имплантированной микросистемы нейронного интерфейса, которая в течение более 12 месяцев работала беспроводным способом в моделях крупных животных.
Провиденс, Род-Айленд (Брауновский университет) - Группа нейроинженеров, базирующаяся в Брауновском университете, разработала полностью имплантируемый и перезаряжаемый беспроводной датчик мозга, способный передавать широкополосные сигналы от 100 нейронов в режиме реального времени на свободно движущихся объектах. Несколько копий нового маломощного устройства, описанного в Журнале нейротехники, хорошо работают в моделях животных уже более года, впервые в области взаимодействия мозга и компьютера. Мозговой компьютерный интерфейс может помочь людям с устройствами контроля тяжелого паралича мыслями.
Арто Нурмикко, профессор инженерии Университета Брауна, курировавший изобретение устройства, представляет его на этой неделе на Международном семинаре по системам клинического интерфейса мозг-машина в Хьюстоне в 2013 году.
"У него есть черты, в некотором роде схожие с характеристиками сотового телефона, за исключением того, что разговор, который посылается, это мозг, говорящий по беспроводной связи", - сказал Нурмикко.
Неврологи могут использовать такое устройство для наблюдения, регистрации и анализа сигналов, излучаемых десятками нейронов в отдельных частях мозга животных модели.
В то же время, проводные системы, использующие аналогичные имплантируемые измерительные электроды, исследуются в исследовании взаимодействия мозга и компьютера для оценки возможности людей с тяжелым параличом, передвигающихся вспомогательных устройств, таких как манипуляторы роботов или компьютерные курсоры, думая о перемещении своих рук и рук.
Эта беспроводная система удовлетворяет основную потребность в следующем шаге в обеспечении практического мозгового компьютерного интерфейса", - сказал нейронаук Джон Донохью, профессор неврологии в Университете Брауна и директор Института мозго-ведения Брауна.
Плотно упакованная технология
В устройстве чип электродов пилотного размера, имплантированных в кору, посылает сигналы через уникальные электрические соединения в приваренный лазером герметично закрытый титановый "баллон" устройства. Длина баллона составляет 56 мм, ширина - 42 мм, толщина - 42 мм и 9 мм. В этом небольшом объеме находится вся система обработки сигнала: литий-ионная батарея, ультранизкомощные интегральные схемы, разработанные в Brown для обработки и преобразования сигнала, беспроводные радио- и инфракрасные передатчики и медная катушка для подзарядки - "мозговое радио". Все беспроводные и зарядные сигналы проходят через электромагнитно прозрачное сапфировое окно.
В общем, устройство выглядит как миниатюрная банка сардины и
с иллюминатором.
Но то, что команда собрала внутри, делает его главным достижением среди интерфейсов мозг-машина, сказал ведущий автор Дэвид Бортон, бывший аспирант и научный сотрудник постдокторантура Брауна, который сейчас работает в Ecole Polytechnique Federale Lausanne в Швейцарии.
"Что делает достижения, обсуждаемые в этой статье, уникальными, так это то, как она интегрировала многие индивидуальные инновации в целостную систему с потенциалом для нейронаучной выгоды, превышающим сумму ее частей", - сказал Бортон. "Самое главное, мы покажем первую полностью имплантированную микросистему нейронного интерфейса, управляемую беспроводным способом в течение более чем 12 месяцев в больших моделях животных, что является важной вехой для потенциального [человеческого] клинического перевода".
Устройство передает данные со скоростью 24 Мбит/с через микроволновые частоты 3,2 и 3,8 ГГц на внешний приемник. После двухчасовой зарядки, передаваемой по беспроводной сети через кожу головы посредством индукции, прибор может работать более шести часов.
"Устройство потребляет менее 100 миллиардов ватт энергии, что является ключевым показателем его достоинств, - сказал Нурмикко.
Соавтор Минг Инь, доктор медицинских наук и инженер-электрик из Брауна, сказал, что одной из главных проблем, с которыми столкнулась команда при создании устройства, была оптимизация его работы с учетом требований, предъявляемых к небольшим имплантатам, низким энергопотреблением и герметичностью, которые могут сохраняться в течение десятилетий.
"Мы постарались найти оптимальный компромисс между критическими характеристиками устройства, такими как энергопотребление, шумовые характеристики, пропускная способность беспроводной сети и радиус действия", - сказал Инь. "Еще одной серьезной проблемой, с которой мы столкнулись, была интеграция и сборка всей электроники устройства в миниатюрный корпус, обеспечивающий долговременную герметичность (водонепроницаемость) и биосовместимость, а также прозрачность беспроводных данных, сигналов питания и включения/выключения".
С ранних вкладов инженера-электрика Уильяма Паттерсона в Brown, Инь помог разработать пользовательские чипы для преобразования нейронных сигналов в цифровые данные. Преобразование должно быть сделано внутри устройства, потому что мозговые сигналы не вырабатываются в единицах и нулях компьютерных данных.
Широкие возможности применения
Группа тесно сотрудничала с нейрохирургами, чтобы имплантировать устройство в трех свиньях и трех макаках-резусах. Исследования на этих шести животных помогает ученым лучше наблюдать сложные нейронные сигналы в течение 16 месяцев до сих пор. В новой статье группа показывает некоторые из богатых нейронных сигналов, которые они смогли записать в лаборатории. В конечном счете это может привести к значительным достижениям, которые также могут быть использованы в неврологии человека.
По словам Нурмикко, действующие проводные системы ограничивают действия субъектов исследования. Ценность беспроводной передачи заключается в том, что она освобождает людей от необходимости двигаться, позволяя им производить более широкий спектр более реалистичных действий. Если неврологи хотят наблюдать за сигналами мозга, вырабатываемыми, например, во время бега или кормления, они не могут использовать кабельный сенсор для изучения того, как нейронные цепи будут формировать эти планы действий и исполнения или вырабатывать стратегию в принятии решений.
В экспериментах в новой статье устройство подключается к одной массиву из 100 корковых электродов, к микромасштабным индивидуальным нейронным постам прослушивания, но конструкция нового устройства позволяет подключать несколько массивов, сказал Нурмикко. Это позволило бы ученым наблюдать за группами нейронов во многих взаимосвязанных областях мозговой сети.
Новое беспроводное устройство не одобрено для использования людьми и не используется в клинических испытаниях компьютерно-мозговых интерфейсов. Однако она была разработана с учетом этой переводческой мотивации.
"Это было задумано в тесном сотрудничестве с командой BrainGate*, включающей нейрохирургов и неврологов, которые дают нам советы о том, какие стратегии подходят для возможного клинического применения", - сказал Нурмикко, который также связан с Брауновским институтом исследований мозга.
Бортон в настоящее время возглавляет развитие сотрудничества между EPFL и Brown для использования версии устройства для изучения роли моторной коры в животной модели болезни Паркинсона.
Тем временем команда Brown продолжает работу над усовершенствованием устройства для передачи еще большего количества нейронных данных, еще большего уменьшения его размеров и улучшения других аспектов безопасности и надежности, чтобы его можно было когда-нибудь использовать в клинической практике для людей с нарушениями опорно-двигательного аппарата.
Помимо Нурмикко, Бортона и Инь, соавтором статьи был также Хуан Асерос, эксперт в области машиностроения.
