Para insinyur telah mengembangkan sensor otak nirkabel, broadband, isi ulang, isi ulang yang sepenuhnya dapat ditanamkan yang telah bekerja dengan baik pada model hewan selama lebih dari setahun.
Sebuah tim neuroengineer yang berbasis di Brown University telah mengembangkan sensor otak nirkabel yang dapat ditanamkan dan diisi ulang yang mampu menyampaikan sinyal broadband real-time dari hingga 100 neuron pada subjek yang bergerak bebas. Beberapa salinan dari perangkat daya rendah baru, yang dijelaskan dalam Journal of Neural Engineering, telah berkinerja baik dalam model hewan selama lebih dari setahun, yang pertama di bidang antarmuka otak-komputer. Antarmuka otak-komputer dapat dengan mudah membantu orang dengan kontrol kelumpuhan yang parah dengan pikiran mereka.
Arto Nurmikko, profesor teknik di Brown University yang mengawasi penemuan perangkat, mempresentasikannya minggu ini di Lokakarya Internasional 2013 tentang Sistem Antarmuka Otak-Mesin Klinis di Houston.
"Ini memiliki fitur yang agak mirip dengan ponsel, kecuali percakapan yang dikirim adalah otak yang berbicara secara nirkabel," kata Nurmikko.
Insinyur Arto Nurmikko dan Ming Yin memeriksa prototipe nirkabel mereka, perangkat penginderaan saraf broadband. Kredit: Fred Field untuk Brown University
Ahli saraf dapat menggunakan alat semacam itu untuk mengamati, merekam, dan menganalisis sinyal yang dipancarkan oleh sejumlah neuron di bagian tertentu dari otak model hewan.
Sementara itu, sistem kabel yang menggunakan elektroda pengindraan implan yang serupa sedang diselidiki dalam penelitian antarmuka otak-komputer untuk menilai kelayakan orang-orang dengan kelumpuhan yang parah yang memindahkan alat bantu seperti lengan robot atau kursor komputer dengan memikirkan menggerakkan tangan dan tangan mereka.
Sistem nirkabel ini menjawab kebutuhan utama untuk langkah selanjutnya dalam menyediakan antarmuka otak-komputer yang praktis, ”kata ilmuwan saraf John Donoghue, Profesor Ilmu Saraf Neuron di Brown University dan direktur Brown Institute for Brain Science.
Teknologi penuh sesak
Dalam perangkat, sebuah chip elektroda seukuran pil ditanamkan pada sinyal korteks melalui koneksi listrik yang dirancang secara unik ke dalam "kaleng" titanium yang dilas dengan laser dan kedap udara perangkat. Perangkat ini dapat mengukur panjang 2,2 inci (56 mm), 1,65 inci ( Lebar 42 mm), dan tebal 0,35 inci (9 mm). Volume kecil itu menampung seluruh sistem pemrosesan sinyal: baterai lithium ion, sirkuit terpadu daya ultralow yang dirancang di Brown untuk pemrosesan dan konversi sinyal, radio nirkabel dan pemancar inframerah, dan kumparan tembaga untuk pengisian - "radio otak." sinyal nirkabel dan pengisian daya melewati jendela safir transparan secara elektromagnetik.
Secara keseluruhan, perangkat ini terlihat seperti kaleng sarden mini dengan jendela kapal.
Tetapi apa yang tim telah masukkan ke dalamnya membuat kemajuan besar di antara antarmuka mesin otak, kata penulis utama David Borton, seorang mantan mahasiswa pascasarjana Brown dan rekan penelitian pascadoktoral yang sekarang di Ecole Polytechnique Federale Lausanne di Swiss.
"Apa yang membuat prestasi yang dibahas dalam makalah ini unik adalah bagaimana ia mengintegrasikan banyak inovasi individu ke dalam sistem lengkap dengan potensi untuk keuntungan neuroscientific lebih besar dari jumlah bagian-bagiannya," kata Borton. "Yang paling penting, kami menunjukkan mikrosistem implan pertama yang dioperasikan secara nirkabel selama lebih dari 12 bulan dalam model hewan besar - tonggak sejarah untuk terjemahan klinis potensial."
Perangkat mentransmisikan data pada 24 Mbps melalui frekuensi gelombang mikro 3,2 dan 3,8 Ghz ke penerima eksternal. Setelah pengisian dua jam, dikirim secara nirkabel melalui kulit kepala melalui induksi, dapat beroperasi selama lebih dari enam jam.
"Perangkat ini menggunakan daya kurang dari 100 miliwatt, angka penting," kata Nurmikko.
Gambar stok yang serampangan menunjukkan kemungkinan sensor otak - BUKAN yang asli. Kredit: Shutterstock / PENGYOU91
Rekan penulis Ming Yin, seorang sarjana postdoctoral Brown dan insinyur listrik, mengatakan salah satu tantangan utama yang tim atasi dalam membangun perangkat itu adalah mengoptimalkan kinerjanya mengingat persyaratan bahwa perangkat implan kecil, berdaya rendah, dan anti bocor. berpotensi selama beberapa dekade.
"Kami mencoba melakukan tradeoff terbaik antara spesifikasi kritis perangkat, seperti konsumsi daya, kinerja noise, bandwidth nirkabel dan jangkauan operasional," kata Yin. “Tantangan besar lain yang kami temui adalah mengintegrasikan dan merakit semua perangkat elektronik ke dalam paket miniatur yang menyediakan hermetisitas jangka panjang (pemeriksaan air) dan biokompatibilitas serta transparansi terhadap data nirkabel, daya, dan sakelar on-off sinyal. "
Dengan kontribusi awal oleh insinyur listrik William Patterson di Brown, Yin membantu merancang chip khusus untuk mengubah sinyal saraf menjadi data digital. Konversi harus dilakukan di dalam perangkat, karena sinyal otak tidak diproduksi dalam jumlah satu atau nol data komputer.
Banyak aplikasi
Tim bekerja sama dengan ahli bedah saraf untuk menanamkan alat itu pada tiga babi dan tiga monyet kera rhesus. Penelitian pada enam hewan ini telah membantu para ilmuwan lebih baik mengamati sinyal saraf kompleks selama 16 bulan sejauh ini. Dalam makalah baru, tim menunjukkan beberapa sinyal saraf kaya yang mereka dapat rekam di laboratorium. Pada akhirnya ini bisa diterjemahkan ke kemajuan signifikan yang juga dapat menginformasikan ilmu saraf manusia.
Sistem kabel saat ini membatasi tindakan subyek penelitian, kata Nurmikko. Nilai dari transmisi nirkabel adalah bahwa hal itu membebaskan subjek untuk bergerak sesuai keinginan mereka, memungkinkan mereka untuk menghasilkan variasi perilaku yang lebih realistis. Jika ilmuwan saraf ingin mengamati sinyal otak yang dihasilkan selama beberapa perilaku berlari atau mencari makan, misalnya, mereka tidak dapat menggunakan sensor kabel untuk mempelajari bagaimana sirkuit saraf akan membentuk rencana untuk tindakan dan eksekusi atau menyusun strategi dalam pengambilan keputusan.
Dalam percobaan dalam makalah baru, perangkat terhubung ke satu array dari 100 elektroda kortikal, posting mendengarkan saraf individu skala mikro, tetapi desain perangkat baru memungkinkan untuk beberapa array dihubungkan, kata Nurmikko. Itu akan memungkinkan para ilmuwan untuk mengamati ansambel neuron di berbagai area terkait jaringan otak.
Perangkat nirkabel baru tidak disetujui untuk digunakan pada manusia dan tidak digunakan dalam uji klinis antarmuka otak-komputer. Namun, itu dirancang dengan motivasi translasi itu.
"Ini dikandung sangat banyak dalam konser dengan tim BrainGate * yang lebih besar, termasuk ahli bedah saraf dan ahli saraf memberi kami saran tentang apa strategi yang tepat untuk aplikasi klinis akhirnya," kata Nurmikko, yang juga berafiliasi dengan Brown Institute for Brain Science.
Borton sekarang menjadi ujung tombak pengembangan kolaborasi antara EPFL dan Brown untuk menggunakan versi perangkat untuk mempelajari peran korteks motorik dalam model hewan penyakit Parkinson.
Sementara itu, tim Brown terus berupaya memajukan perangkat untuk transmisi data saraf dalam jumlah yang lebih besar, mengurangi ukurannya lebih jauh, dan meningkatkan aspek keselamatan dan keandalan perangkat lainnya sehingga suatu hari nanti dapat dipertimbangkan untuk aplikasi klinis di masa depan dengan gerakan kecacatan.
Melalui Brown University