پیش به سوی سیستم‌های رابط مغز و کامپیوتر نسل آینده

فرادید| نوع جدیدی از سیستم رابط عصبی که فعالیت صد‌ها حسگر کوچک مغز را هماهنگ می‌کند، می‌تواند روزی درک مغز را عمیق کرده و به درمان‌های پزشکی جدید منجر شود.

به گزارش فرادید؛ رابط‌های مغز و رایانه (BCI ها) ابزار‌های کمکی در حال ظهوری هستند که ممکن است روزی به افراد مبتلا به آسیب مغزی یا نخاعی برای حرکت یا برقراری ارتباط کمک کنند. سیستم‌های BCI به سنسور‌های قابل کاشت بستگی دارد که سیگنال‌های الکتریکی را در مغز ثبت می‌کنند و از این سیگنال‌ها برای هدایت دستگاه‌های خارجی مانند رایانه یا پروتز‌های روباتیک استفاده می‌کنند.

اکثر سیستم‌های BCI فعلی از یک یا دو سنسور برای نمونه برداری از چند صد نورون استفاده می‌کنند، اما دانشمندان علوم اعصاب به سیستم‌هایی علاقه‌مند هستند که قادر به جمع آوری داده‌ها از گروه‌های بزرگتر سلول‌های مغزی باشند.

در حال حاضر، تیمی از محققان یک گام کلیدی در جهت ایجاد یک مفهوم جدید برای سیستم BCI آینده برداشتند - یکی از این شبکه‌ها از یک شبکه هماهنگ از حسگر‌های عصبی میکروسکوپی مستقل و بی سیم، هر کدام به اندازه یک دانه نمک، برای ثبت و تحریک استفاده می‌کند. فعالیت مغز این سنسور‌ها که "neurogenins" نامیده می‌شوند، به طور مستقل پالس‌های الکتریکی حاصل از شلیک نورون‌ها را ثبت کرده و سیگنال‌ها را به صورت بی سیم به یک مرکز مرکزی ارسال می‌کنند، که سیگنال‌ها را هماهنگ و پردازش می‌کند.

در تحقیقی که در ۱۲ آگوست در Nature Electronics منتشر شد، تیم تحقیقاتی استفاده از نزدیک به ۵۰ نوع عصاره عصبی مستقل را برای ثبت فعالیت عصبی در جوندگان نشان داد.

به گفته محققان، این نتایج، گامی به سوی سیستمی است که روزی می‌تواند ضبط سیگنال‌های مغزی را با جزئیات بی سابقه امکان پذیر کند و به بینش جدیدی در مورد نحوه عملکرد مغز و درمان‌های جدید برای افرادی که دچار آسیب مغزی یا نخاعی هستند منجر شود.

آرتو نورمیکو، استاد دانشکده مهندسی براون و نویسنده ارشد این مطالعه می‌گوید: "یکی از چالش‌های بزرگ در زمینه رابط‌های مغز و رایانه، روش‌های مهندسی برای بررسی بیشتر نقاط ممکن در مغز است. تا کنون، اکثر BCI‌ها دستگاه‌های یکپارچه بوده اند - کمی شبیه تخت‌های کوچک سوزنی. ایده تیم ما این بود که آن یکپارچه را به سنسور‌های کوچکی تقسیم کنند که می‌توانند در قشر مخ توزیع شوند. این همان چیزی است که ما توانسته ایم اینجا تظاهرات کنید. "

این تیم، که شامل متخصصانی از براون، دانشگاه بایلور، دانشگاه کالیفرنیا در سن دیگو و کوالکام است، کار توسعه این سیستم را حدود چهار سال پیش آغاز کرد. نورمیکو، که وابسته به موسسه براون کارنی برای علوم مغز است، گفت: این چالش دو برابر بود. بخش اول نیاز به کوچک کردن وسایل الکترونیکی پیچیده‌ای داشت که در تشخیص، تقویت و انتقال سیگنال‌های عصبی به تراشه‌های ریز سیلیکونی نوروگرین نقش داشتند. این گروه ابتدا وسایل الکترونیکی را بر روی کامپیوتر طراحی و شبیه سازی کردند و چندین مرحله ساخت را برای توسعه تراشه‌های عملیاتی انجام دادند.

چالش دوم توسعه مرکز ارتباطات خارجی بدن بود که سیگنال‌ها را از تراشه‌های کوچک دریافت می‌کرد. این دستگاه یک تکه نازک است، تقریباً به اندازه یک انگشت شست، که به پوست سر خارج از جمجمه متصل می‌شود. این دستگاه مانند یک برج تلفن مینیاتوری تلفن همراه عمل می‌کند و از پروتکل شبکه‌ای برای هماهنگ سازی سیگنال‌های عصب‌های عصبی استفاده می‌کند که هر کدام آدرس شبکه خود را دارند. این پچ همچنین به صورت بی سیم نیروگاه عصبی را تامین می‌کند، که برای کار با حداقل مقدار برق طراحی شده است.

جیحون لی، محقق فوق دکتری در براون و نویسنده اصلی این مطالعه می‌گوید: "این کار یک چالش چند رشته‌ای واقعی بود. ما مجبور بودیم تخصصی در زمینه الکترومغناطیس، ارتباطات فرکانس رادیویی، طراحی مدار، ساخت و علم عصب شناسی برای طراحی و کارکرد سیستم عصبی مغز گرد آوریم. "

هدف این مطالعه جدید نشان دادن این بود که این سیستم می‌تواند سیگنال‌های عصبی را از مغز زنده - در این مورد، مغز جوندگان ثبت کند. این تیم ۴۸ مغز عصبی را روی قشر مخ حیوان، لایه بیرونی مغز قرار دادند و سیگنال‌های عصبی مشخصه مرتبط با فعالیت خود به خودی مغز را با موفقیت ثبت کردند.

این تیم همچنین توانایی دستگاه‌ها برای تحریک مغز و همچنین ثبت از آن را آزمایش کردند. تحریک با پالس‌های الکتریکی کوچک انجام می‌شود که می‌تواند فعالیت عصبی را فعال کند. محققان امیدوارند این تحریک توسط همان مرکز که ضبط عصبی را هماهنگ می‌کند هدایت شود و می‌تواند روزی عملکرد مغز از دست رفته در اثر بیماری یا آسیب را بازیابی کند.

اندازه مغز حیوانات تیم را برای این مطالعه به ۴۸ مغز عصبی محدود کرد، اما داده‌ها نشان می‌دهد که پیکربندی فعلی سیستم می‌تواند تا ۷۷۰ را پشتیبانی کند. در نهایت، تیم مقیاس هزاران عصب عصبی را در نظر می‌گیرد، که می‌تواند تصویری در حال حاضر دست نیافتنی از فعالیت مغز باشد.

وینسنت لیونگ، یکی از همکارانش می‌گوید: "این یک تلاش چالش برانگیز بود، زیرا سیستم نیاز به انتقال همزمان برق و شبکه بی سیم با سرعت مگابیت بر ثانیه دارد و این امر باید در محدوده سیلیکون بسیار محدود و محدودیت‌های قدرت انجام شود. " استاد گروه مهندسی برق و کامپیوتر در بیلور. "تیم ما پاکت را برای کاشت عصبی توزیع شده تحت فشار قرار داد. "

کار‌های بیشتری باید انجام شود تا این سیستم کامل به واقعیت تبدیل شود، اما محققان گفتند این مطالعه گامی کلیدی در این جهت است.

نورمیکو می‌گوید: "امید ما این است که در نهایت بتوانیم سیستمی را توسعه دهیم که بینش‌های علمی جدیدی را در مورد مغز و درمان‌های جدید ارائه دهد که می‌تواند به افرادی که از آسیب‌های ویرانگر آسیب دیده اند کمک کند. "

منبع: ScienceDaily