Jak inteligentny pył może szpiegować twój mózg?

Monitorowanie funkcji mózgu w czasie rzeczywistym rozwinęło się w ostatnich latach skokowo. Dzieje się tak w dużej mierze dzięki różnym nowym technologiom, które mogą monitorować zbiorowe zachowanie grup neuronów, takim jak funkcjonalne obrazowanie rezonansem magnetycznym, magnetoencefalopatia i pozytonowa tomografia emisyjna.

Ta praca rewolucjonizuje nasze rozumienie struktury i zachowania mózgu. Doprowadziło to również do powstania nowej dyscypliny inżynieryjnej interfejsów mózg-maszyna, która pozwala ludziom kontrolować maszyny wyłącznie za pomocą myśli.

Chociaż te techniki są imponujące, wszystkie mają nieodłączne ograniczenia, takie jak ograniczona rozdzielczość przestrzenna, brak możliwości przenoszenia i ekstremalna inwazyjność.

Dziś Dongjin Seo i koledzy z University of California w Berkeley odkrywają zupełnie nowy sposób badania i interakcji z mózgiem. Ich ideą jest umieszczenie w korze mózgowej czujników elektronicznych wielkości cząsteczek kurzu i zdalne badanie ich za pomocą ultradźwięków. Ultradźwięki zasilają również tak zwany pył nerwowy.

Każda cząsteczka pyłu neuronowego składa się ze standardowych obwodów CMOS i czujników, które mierzą aktywność elektryczną w pobliskich neuronach. Jest to połączone z materiałem piezoelektrycznym, który przekształca fale dźwiękowe o ultrawysokiej częstotliwości w sygnały elektryczne i odwrotnie.

Pył neuronowy jest badany przez inny składnik umieszczony pod wagą, ale zasilany z zewnątrz ciała. To generuje ultradźwięki, które zasilają kurz neuronalny i czujniki, które nasłuchują ich odpowiedzi, podobnie jak system RFID.

System jest również pozbawiony uwięzi — dane są gromadzone i przechowywane poza ciałem w celu późniejszej analizy.

To omija wiele ograniczeń. System ma mniejszą moc, może mieć wysoką rozdzielczość przestrzenną i jest łatwy w przenoszeniu. Jest również wytrzymały i może potencjalnie zapewniać łącze przez długi czas. Poważną przeszkodą w interfejsach mózg-maszyna (BMI) jest brak wszczepialnego systemu interfejsu neuronowego, który pozostaje żywotny przez całe życie, mówią Seo i spółka.

Trudność polega na zaprojektowaniu i zbudowaniu takiego systemu, a dzisiejszy artykuł jest teoretycznym studium tych wyzwań. Pierwszym z nich jest problem zaprojektowania i zbudowania neuronowych cząsteczek kurzu w skali około 100 mikrometrów, które mogą wysyłać i odbierać sygnały w surowym, ciepłym i hałaśliwym środowisku w ciele.

Dlatego Seo i spółka wybrali ultradźwięki do wysyłania i odbierania danych. Obliczają, że moc wymagana do wykorzystania fal elektromagnetycznych na wadze wygeneruje szkodliwą ilość ciepła ze względu na ilość energii pochłanianej przez ciało i kłopotliwy stosunek sygnału do szumu w tej skali.

Natomiast ultradźwięki są znacznie wydajniejsze i powinny umożliwiać przesyłanie co najmniej 10 milionów razy większej mocy niż fale elektromagnetyczne w tej samej skali.

Następny jest problem połączenia elektroniki z systemem piezoelektrycznym, który przetwarza ultradźwięki na sygnały elektroniczne i odwrotnie. Zapewnienie wydajnej pracy systemu będzie trudne, biorąc pod uwagę, że musi być zapakowany w obojętny polimer lub folię izolacyjną (co musi również wystawiać elektrody rejestrujące na pobliskie neurony).

Wreszcie, wyzwaniem jest zaprojektowanie i zbudowanie systemu przesłuchań, który generuje ultradźwięki zasilające całą macierz, ale z wystarczająco niską mocą, aby uniknąć nagrzewania czaszki i mózgu.

Do tego wszystkiego dochodzi dodatkowe wyzwanie polegające na wszczepieniu neuronalnych cząsteczek kurzu do kory. Seo i współpracownicy twierdzą, że można to prawdopodobnie zrobić, wytwarzając cząsteczki kurzu na końcach cienkiej siatki drucianej, utrzymywanej w miejscu na przykład przez napięcie powierzchniowe. Ta matryca zostałaby zanurzona w korze, gdzie osadzałyby się cząsteczki kurzu.

To ambitna wizja pełna wyzwań wykraczających poza najnowocześniejsze rozwiązania. Zespół ma jednak duże doświadczenie w układach nanoelektromechanicznych i interfejsie między układami elektronicznymi a ogniwami.

Rzeczywiście, jeden z autorów, Michel Maharbiz, opracował kilka lat temu pierwszego na świecie zdalnie sterowanego chrząszcza, który został uznany przez Technology Review za jedną z 10 najlepszych wschodzących technologii 2009 roku.

Ci faceci wyraźnie nie boją się podejmować wielkich wyzwań. Ciekawie będzie zobaczyć, jak sobie poradzą.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1307.2196 : Pył neuronowy: ultradźwiękowe rozwiązanie o niskim poborze mocy do przewlekłych interfejsów mózg-maszyna

ukryć