پیش به سوی سیستم های رابط مغز و کامپیوتر نسل جدید

رابط های مغز و رایانه (BCI) 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. سیستم های BCI به سنسورهای قابل کاشت بستگی دارد که سیگنال های الکتریکی را در مغز ثبت می کنند و از این سیگنال ها برای هدایت دستگاه های خارجی مانند رایانه یا پروتزهای روباتیک استفاده می کنند.

اکثر سیستم های BCI فعلی از یک یا دو سنسور برای نمونه برداری از چند صد نورون استفاده می کنند ، اما دانشمندان علوم اعصاب به سیستم هایی علاقه مند هستند که قادر به جمع آوری داده ها از گروه های بزرگتر سلول های مغزی باشند.

در حال حاضر ، تیمی از محققان گامی کلیدی در جهت مفهومی جدید برای سیستم BCI آینده برداشته اند – این سیستم شبکه ای هماهنگ از حسگرهای عصبی میکروسکوپی مستقل و بی سیم که هر کدام به اندازه یک دانه نمک است، استفاده می کند تا تمام فعالیت های مغز را ثبت کند. این سنسورها که “neurogenins” نامیده می شوند ، به طور مستقل پالس های الکتریکی حاصل از شلیک نورون ها را ثبت کرده و سیگنال ها را به صورت بی سیم به یک سیستم مرکزی ارسال می کنند ، که سیگنال ها را هماهنگ و پردازش می کند.

در تحقیقی که در ۱۲ آگوست در Nature Electronics منتشر شد ، تیم تحقیق 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 می تواند ضبط سیگنال های مغزی را با جزئیات بی سابقه ای فعال کند و به بینش جدیدی در مورد نحوه عملکرد مغز و درمان های جدید برای افرادی که دچار آسیب مغزی یا نخاعی هستند منجر شود.

آرتو نورمیکو (Arto Nurmikko) ، استاد دانشکده مهندسی براون و نویسنده ارشد این مطالعه میگوید:

“یکی از چالش های بزرگ در زمینه رابط های مغز و رایانه ، روش های مهندسی برای بررسی حداکثر نقاط ممکن در مغز است. تا کنون ، اکثر BCI ها دستگاه های یکپارچه بوده اند – کمی شبیه به تخت های کوچک سوزنی. ایده تیم ما این بود که آن یکپارچه را به سنسورهای کوچکی تقسیم کنند که می توانند در قشر مخ توزیع شوند. این همان چیزی است که ما توانسته ایم در اینجا نشان دهیم. ”

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 (Nurmikko) ، که از دانشمندان وابسته به موسسه براون کارنی (Brown’s Carney Institute) در علوم مغز است ، گفت: این چالشی دوگانه بود بود. بخش اول نیاز به کوچک کردن وسایل الکترونیکی پیچیده ای داشت که در تشخیص ، تقویت و انتقال سیگنال های عصبی به تراشه های کوچک سیلیکون نوروژرین نقش داشتند. این گروه ابتدا وسایل الکترونیکی را بر روی کامپیوتر طراحی و شبیه سازی کردند و چندین مرحله ساخت را برای توسعه تراشه های عملیاتی انجام دادند.

چالش دوم توسعه مرکز ارتباطات خارجی بدن بود که سیگنال ها را از تراشه های کوچک دریافت می کرد. این دستگاه یک قطهع نازک است ، تقریباً به اندازه یک انگشت شست ، که به پوست سر خارج از جمجمه متصل می شود. این دستگاه مانند یک برج مینیاتوری تلفن همراه عمل می کند و از پروتکل شبکه ای برای هماهنگ سازی سیگنال های نوروگرین ها (Neurograins) استفاده می کند که هر کدام آدرس شبکه خود را دارند. این پچ همچنین به برق را به صورت بی سیم تامین می کند ، که برای کار با حداقل مقدار برق طراحی شده است.

جیحون لی(Jihun Lee) ، محقق فوق دکتری در براون و نویسنده اصلی این مطالعه گفت: ” این کار یک چالش چند رشته ای 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 از این مطالعه جدید نشان دادن این بود که این سیستم می تواند سیگنال های عصبی را از مغز زنده – در این مورد ، مغز جوندگان ثبت کند. این تیم ۴۸ نوروگرین را روی قشر مخ حیوان ، لایه بیرونی مغز قرار دادند و با موفقیت سیگنال های عصبی مرتبط با فعالیت خود به خودی مغز را ثبت کردند.

این تیم همچنین توانایی دستگاه ها برای تحریک مغز و همچنین ثبت از آن را آزمایش کردند. تحریک با پالس های الکتریکی کوچک انجام می شود که می تواند فعالیت عصبی را فعال کند.

محققان امیدوارند این تحریک توسط همان مرکز که ضبط عصبی را هماهنگ می کند هدایت شود و بتواند روزی عملکرد مغز از دست رفته در اثر بیماری یا آسیب را بازیابی کند.

اندازه مغز حیوان برای این مطالعه تیم را به ۴۸ نوروگرین محدود کرد ، اما داده ها نشان می دهد که پیکربندی فعلی سیستم می تواند تا ۷۷۰ نوروگرین را پشتیبانی کند. در نهایت ، تیم تصور می کند که این تعداد به هزاران نوروگرین افزایش می یابد که تصویری دست نیافتنی از فعالیت مغزی ارائه می دهد.

وینسنت لیونگ (Vincent Leung) ، استاد گروه مهندسی برق و کامپیوتر در بیلور (Department of Electrical and Computer Engineering at Baylor) و یکی از محققان پروژه می گوید: “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 محدودیت های تامین برق انجام شود. تیم ما محدودیت ها را برای کاشت عصبی توزیع شده تحت فشار قرار داد.”

نورمیکو به عنوان سخن آخر اذعان داشت: “امید ما این است که در نهایت بتوانیم سیستمی را توسعه دهیم که بینش های علمی جدیدی را در مورد مغز و درمان های جدید ارائه دهد که می تواند به افرادی که از آسیب های ویرانگر آسیب دیده اند کمک کند.”

 

 

منبع

جهت خرید تجهیزات آزمایشگاهی پیشرفته با ما تماس بگیرید