Исследователи из Стэнфордского университета разработали новое устройство для прямого соединения мозга с устройством на основе кремния. В то время как устройства интерфейса мозг-машина уже существуют - и используются для протезирования, лечения заболеваний и исследования мозга - это последнее устройство может записывать больше данных, будучи более удобным в использовании, чем существующие варианты.
Устройство, которое является предметом статьи, содержит пучок микропроводов, каждый провод которого составляет менее половины ширины тончайшего человеческого волоса. Эти тонкие провода аккуратно вставлены в мозг и подключены снаружи непосредственно к кремниевой микросхеме, которая записывает электрические сигналы мозга, проходящие по каждому проводу - как в фильме про нейронную электрическую активность. Текущие версии устройства включают сотни микропроводов, но будущие версии могут содержать тысячи.
«Электрическая активность - это один из способов оценки мозговой активности с высоким разрешением», - сказал Ник Мелош, профессор материаловедения и инженерии в Стэнфорде и соавтор статьи. «С помощью этого набора микропроводов мы можем видеть, что происходит на уровне одного нейрона».
Исследователи проверили их интерфейс мозг-машина на изолированных клетках сетчатки от крыс и в мозге живых мышей. В обоих случаях они успешно получили значимые сигналы через сотни каналов массива. Текущие исследования будут дополнительно определять, как долго устройство может оставаться в мозге и что могут показать эти сигналы. Команда особенно заинтересована в том, что сигналы могут рассказать им об обучении. Исследователи также работают над приложениями в протезировании, в частности, в речевой помощи.
Чего Стоит ожидания?
Исследователи знали, что для достижения своих целей им нужно было создать интерфейс мозг-машина, который был бы не только долговременным, но и способен установить тесную связь с мозгом, при этом нанося минимальный ущерб. Они сосредоточились на подключении к устройствам на основе кремния, чтобы воспользоваться преимуществами этих технологий.
«Силиконовые чипы настолько мощные и обладают невероятной способностью масштабироваться», - сказал Мелош. «Наш массив соединяется с этой технологией очень просто. Вы можете просто взять чип, прижать его к незащищенному концу пакета и получить сигналы».
- Одна из главных задач, с которой столкнулись исследователи, заключалась в выяснении того, как структурировать массив Он должен был быть прочным и долговечным, хотя его основными составляющими являются сотни крошечных проводов. Решение состояло в том, чтобы обернуть каждую проволоку в биологически безопасный полимер, а затем связать их вместе в металлический воротник. Это гарантирует, что провода разнесены и правильно ориентированы. Ниже воротника полимер удаляется, так что провода могут быть индивидуально направлены в мозг.
- Существующие устройства интерфейса мозг-машина ограничены примерно 100 проводами, обеспечивающими 100 каналов сигнала, и каждое из них должно быть тщательно помещено в массив вручную. Исследователи потратили годы на совершенствование своих методов проектирования и изготовления, чтобы создать массив с тысячами каналов - их усилия были частично поддержаны грантом Института нейробиологии Ву Цая.
- Конструкция этого устройства полностью отличается от любых существующих записывающих устройств высокой плотности, а форма, размер и плотность массива могут быть просто изменены во время изготовления. Это означает, что мы можем одновременно записывать разные области мозга на разных глубинах практически с любая трехмерная аранжировка », - сказал Джун Дин, доцент кафедры нейрохирургии и неврологии и соавтор статьи. «При широком применении эта технология значительно улучшит наше понимание функций мозга в состоянии здоровья и при заболеваниях.
- Потратив годы на реализацию этой амбициозной, но в то же время элегантной идеи, только в самом конце процесса у них появилось устройство, которое можно было проверить в живых тканях.
- Пришлось взять километры микропроводов и произвести крупномасштабные массивы, а затем напрямую подключить их к кремниевым чипам», - сказал Обейд, ведущий автор статьи. «После многих лет работы над этим дизайном мы впервые протестировали его на сетчатке, и он сразу сработал. Это было чрезвычайно обнадеживающе.
- После своих первоначальных испытаний на сетчатке и на мышах, исследователи в настоящее время проводят долгосрочные исследования на животных, чтобы проверить долговечность массива и производительность крупномасштабных версий. Они также изучают, какие данные могут сообщать их устройства. Результаты пока что показывают, что они могут наблюдать за обучением и неудачей, когда они происходят в мозге. Исследователи с оптимизмом смотрят на возможность когда-нибудь использовать этот набор для улучшения медицинских технологий для людей, таких как механическое протезирование и устройства, которые помогают восстановить речь и зрение.
Это исследование было поддержано Национальными институтами здравоохранения, DARPA, Институтом нейробиологии У Цай, Институтом Фрэнсиса Крика, Фондом Wellcome, Научной программой по человеческим границам и Советом медицинских исследований.