Интерфейс мозг-компьютер на нейрозернах — шаг к недостижимым ранее знаниям

Из всех человеческих органов мозг, несомненно, самый сложный для изучения и лечения. Пациенты с черепно-мозговыми травмами нередко сталкиваются с необходимостью заново учить базовые навыки, включая речь и ходьбу.

Основным препятствием для разработки более эффективных и целенаправленных методов лечения является относительная нехватка знаний о том, как работает человеческий мозг. Но теперь группа ученых из Бэйлорского, Брауновского и Калифорнийского университетов совместно с Qualcomm создали микроскопические сенсоры, называемые нейрозернами, которые могут регистрировать нейронную активность мозга.

Нейрозерна внедряются непосредственно в головной мозг и дают подробную информацию о травме. Это поможет найти наиболее эффективное лечение людям с повреждениями спинного и головного мозга. После имплантации каждый датчик размером с крупицу соли записывает электрические импульсы, возникающие в результате возбуждения нейронов. Это позволяет исследователям определить способы воздействия травмы на разум, а также принцип того, как стимуляция мозга лечит повреждения.

При разработке миниатюрного чипа исследователи столкнулись с несколькими проблемами. Во-первых, была практическая сложность создания таких крошечных датчиков. Обычная электроника, используемая для обнаружения, передачи и усиления электрических сигналов, должна была быть значительно уменьшена, прежде чем ее стало возможно использовать в качестве рабочих компонентов.

Второй проблемой был узел внешних коммуникаций. Сигналы от нейрозерен должны быть переданы на компьютер вне тела, прежде чем исследователи смогут интерпретировать данные. 

Идея нейрозерна заключается в том, что вместо использования одного монолитного массива датчиков для измерения активности нейронов они используют массив крошечных датчиков с беспроводным подключением, которые могут быть распределены по всему мозгу.

Для достижения этих целей нейрогранулам необходимо иметь центральный узел связи. Чтобы создать его, исследователи разработали тонкий концентратор размером примерно с отпечаток человеческого большого пальца, который размещается снаружи тела на коже головы пользователя. Затем, работая как миниатюрная вышка сотового телефона, концентратор использует беспроводной протокол для координации сигналов от нейрогранул, а также для беспроводной передачи им энергии. 

Несмотря на то, что исследование столкнулось с многочисленными проблемами в области электромагнетизма, нейробиологии, проектирования схем и изготовления сенсоров, в конечном итоге оно оказалось успешным. 

В своем эксперименте исследователям удалось внедрить 48 нейрозерен на кортикальную поверхность мозга крысы. Система успешно стимулировала мозг крысы и записывала от него характерные нейронные сигналы, при этом индивидуально обращаясь к каждому нейрозерну по беспроводной сети. 

Результаты, основанные на теоретических расчетах и экспериментальных измерениях, показывают, что в будущем система может масштабироваться до 770 нейрозерен.

По словам исследователей, тысячи этих чипов могут работать вместе, чтобы создать недостижимую в настоящее время карту человеческого мозга, которая предоставит врачам и ученым информацию для создания эффективных методов лечения травм головного и спинного мозга от умеренных до тяжелых.

Уже в ближайшее время ученые планируют продолжить исследования, чтобы как можно быстрее внедрить новую технологию в жизнь.