Нейропыль как универсальный интерфейс «мозг — компьютер» и средство диагностики

Технологии
автор: Андрей Васильков  18 июля 2013

Мишель Махарбиз, создатель первого в мире устройства для дистанционного управления насекомыми, разработал вместе с коллегами из Калифорнийского университета в Беркли новый универсальный интерфейс «мозг — компьютер». Из-за малых размеров он получил название «нейропыль». Это одновременно способ более точного управления любой электроникой «силой мысли» и новый диагностический метод с высочайшей разрешающей способностью.

Интерфейсы «мозг — компьютер» (BCI) основаны на регистрации электрической активности отдельных групп нейронов и переводе интегрального сигнала в управляющую команду для внешнего устройства. Командовать таким образом можно чем угодно — фигуркой на экране, собственным протезом или удалённым роботом.

Пример классического интерфейса мозг-компьютер (фото: Inserm / Hirsch, Philippe)

Пример классического интерфейса «мозг — компьютер» (фото: Inserm / Hirsch, Philippe).

Как и современные методы функционального исследования головного мозга, BCI пока не отличаются высокой точностью. Их возможности ограничены габаритами устройства и количеством участков коры головного мозга, с которых технически возможно отведение отдельных потенциалов действия.

В последние годы появились установки, регистрирующие одновременно до 256 каналов. Они встречаются исключительно редко и не вписываются в бюджет большинства клиник, а ряд исследовательских и практических задач уже требует довести счёт каналов до десятков тысяч.

Отдельная проблема — длительный мониторинг состояния больного или долгие сеансы управления, выполняемые оператором. Ни пациент, ни оператор не могут сутками находиться в кресле.

Электродная шапочка для ЭЭГ: 256 каналов (изображение: biosemi.com)

Электродная шапочка для ЭЭГ: 256 каналов (изображение: biosemi.com).

Первые шаги в решении данного вопроса сделала в этом году группа исследователей из Университета Брауна. Недавно они создали первый беспроводной BCI. Это частично имплантируемый интерфейс «мозг — компьютер», снабжённый индукционной зарядкой.

В эксперименте с макаками-резусами такой прибор использовался месяцами, позволяя его обладателям относительно свободно перемещаться. Среди недостатков отмечались большие для имплантируемого устройства габариты (сантиметры), а также ограниченность числа и взаимного расположения вживляемых электродов.

Группа из Калифорнийского университета в Беркли предложила способ уменьшить размеры имплантируемых элементов до нескольких микрометров и буквально наполнить ими сосудистую оболочку головного мозга.

Устройство частицы "нейропыли" (изображение: University of California, Berkeley)

Устройство частицы «нейропыли» (изображение: University of California, Berkeley).

Разработанные ими сверхминиатюрные электронные сенсоры состоят из выполненной по технологии CMOS микросхемы, пьезокристалла, электродов и изолирующей полимерной оболочки. Принцип их действия напоминает практику использования чипов радиочастотной идентификации (RFID), не требующих встроенного источника питания.

По замыслу авторов, частицы нейропыли свободно циркулируют в кровеносном русле. Практически этого трудно достичь из-за сложного состава крови, биологических механизмов её очистки и структуры эндотелия, но представим на минуту, что названные проблемы решены. Тогда одновременное число микросенсоров в сосудах головного мозга в любой момент времени может исчисляться тысячами.

Каждая из этих «умных частиц» сможет измерять электрическую активность ближайших нейронов. Во время первой фазы пьезоэлектрический кристалл преобразует ультразвуковые волны от промежуточного модуля в электрические сигналы и питает CMOS-схему. Во время второй он действует наоборот — вибрирует под влиянием потенциалов действия ближайшей группы нейронов.

Пьезоэлектрический эффект в частице "нейропыли" (изображение: Dongjin Seo et al.)

Пьезоэлектрический эффект в частице «нейропыли» (изображение: Dongjin Seo et al.).

По сравнению с RFID в предложенной схеме есть минимум два важных отличия. Кроме электромагнитных волн (внешний уровень), используется ультразвук (внутренний уровень), а усиление ответного сигнала микросенсоров, его преобразование и дальнейшую передачу обеспечивает промежуточный модуль.

Последний размещается под твердой мозговой оболочкой и действует как трансивер, позволяя избежать сильного затухания ультразвука и преодолеть экранирующее действие костей черепа.

Ультразвук строго определённой частоты требуется и для повышения мощности всей системы. Расчётными методами установлено, что в данных условиях сенсор с диаметром 100 мкм под воздействием ультразвука может получить до 500 мкВт, в то время как за счёт радиочастотной передачи энергии — только до 40 пВт (примерно в 10 млн раз меньше). Кроме того, электромагнитное излучение достаточной для работы системы мощности вызывало бы слишком сильный нагрев окружающих тканей и приводило бы к их повреждению. С ультразвуком такой риск тоже остаётся, но он значительно меньше.

Условной границей между внешним и внутренним уровнями коммуникаций служит твёрдая мозговая оболочка. До неё связь осуществляется посредством ультразвука, а после неё сигнал преобразуется в радиочастотный. Он передаётся сначала на внешний компактный блок, а затем от него на отдельно стоящее принимающее устройство.

Схема взаимодействия компонентов интерфейса мозг-компьютер с частицами нейропыли (изображение: www.berkeley.edu)

Схема взаимодействия компонентов интерфейса «мозг — компьютер» с частицами нейропыли (изображение: www.berkeley.edu).

По сравнению с потенциальными возможностями нейропыли современная электроэнцефалография и другие методы неинвазивной нейровизуализации (функциональная ядерно-магнитная томография, позитронно-эмисионная томография) имеют на один–два порядка меньшее разрешение.

Применительно к интерфейсам «мозг — компьютер» в первом приближении это эквивалентно повышению точности определения мысленной команды в десятки раз.

Текущие расчётные размеры микросенсоров в пределах 10–100 мкм сравнимы с диаметром пиальных сосудов и недостаточно малы для эффективного практического применения. Однако пределы масштабирования не исчерпаны. Авторы исследования полагают возможным создание в ближайшие годы миниатюрных сенсоров с диаметром менее 10 мкм. Такие частицы смогут регистрировать электрофизиологические данные, по-прежнему удерживаясь гематоэнцефалическим барьером.

Пока речь идёт исключительно о модели, довольно точно просчитанной с учётом известных данных. Авторы «нейропыли» опираются и на экспериментальную проверку отдельных подобных элементов интерфейса «мозг — компьютер» на лабораторных животных. Многие вопросы предстоит решить ещё до этапа создания прототипа. Идея сейчас хоть и выглядит слишком смелой, но явно заслуживает самого пристального внимания.

Поделиться
Поделиться
Tweet
Google
 
Читайте также
Наушники с интерфейсом «мозг-компьютер» ставят музыку под настроение
Наушники с интерфейсом «мозг-компьютер» ставят музыку под настроение
Интерфейсы «мозг-компьютер»: практика применения и перспективы
Интерфейсы «мозг-компьютер»: практика применения и перспективы
Проект Human Brain: попытка смоделировать работу мозга на суперкомпьютере стоимостью в миллиард евро
Проект Human Brain: попытка смоделировать работу мозга на суперкомпьютере стоимостью в миллиард евро
  • disqusashto

    Повелитель мух.

  • Ян Корчмарюк

    Сеттлеретика в действии. Я придумал нанонейродатчики-шпионы, вел эту тему с 1998 г, а поддержки в России так и не получил. Ян Корчмарюк, Волгоград, Россия. Подробнее см на settleretics ru

    • Dmitriy_Sergeevich

      О! Ну наконец-то Вы нашлись- НАСТОЯЩИЙ ГЕНИЙ!!! Где научное сообщество? Идите, сюда все, все!! …

    • I.F.

      ссылка не работает

      • Ян Корчмарюк

        Уважаемые клиенты!

        Сегодня, 18 июля 2013, в 17:46 (Московское время) на корневой маршрутизатор TIMEWEB была осуществлена целенаправленная DDOS
        атака, в результате которой произошла перегрузка оборудования и наблюдались значительные потери связи.

        В течение полутора часов инженеры TIMEWEB совместно с инженерами магистральных интернет-провайдеров принимали все необходимые меры по защите оборудования от вредоносных действий.
        Несмотря на осуществляемые действия злоумышленников, совместными усилиями инженеров, были предприняты все необходимые меры и в 19:15 работоспособность оборудования была полностью восстановлена.

        В настоящее время, группа сетевых инженеров TIMEWEB внимательно следит за ситуацией на сети передачи данных и мы готовы к любому развитию событий.

        Приносим извинения за доставленные неудобства.

      • Ян Корчмарюк

        Сегодня Таймвеб, на котором размещен сайт сеттлеретики, целый день дедусит. Завтра если все уляжется, зайдете посмотрите. А пока можете зайти на зеркала: settleretika ru и сеттлеретика рф. Они не такие нарядные, как settleretics ru но материал размещен тот же.

  • В.П.( aka W_P_)

    «О дивный, новый мир»

  • I.F.

    http://www.wired.co.uk/news/archive/2013-07/18/stretchy-gold-conductor
    наночастицы золота на эластичной подложке.

    «Scientists have been searching for ways to make pliant, biocompatible electronics that can bend and stretch and mold to the human body’s many curved surfaces, whether in the form of temporary tattoos or circuits that hug the ridges on the brain’s surface.»

    «био-совместимая электроника» — а звучит

    • В.П.( aka W_P_)

      Больше, больше огня … )))

      • I.F.

        не, ну а так подумать — эксперименты с крысами, которые доводили себя до смерти, активируая электроды, вживленные в область мозга, отвечающую за удовольствия — 50е годы, если не ошибаюсь.

        а может, это духи тех крыс мстят…

        • В.П.( aka W_P_)

          Хорошо бы, чтоб разные «духи» являться не вздумали. По нынешним временам — делов то

          • kue

            Я смятен и озадачен :
            Пыль летит из головы,
            Тихо сыпется песок ..
            Гарантийный вышел срок ?

          • I.F.

            а никто еще спиритическое блюдечко из айпэда не сделал? с трансляцией сеансов во все соцсети.

          • kue

            Не зря над Африкой дешевый Инет раскидывают. Будут и у них в там-тамах голоса духов звучать — призывать к станкам за пару бананов в день.

          • В.П.( aka W_P_)

            О, идея. Осталось нужный «квантовый эффект» изобрести. Квантовый оккультизм , звучит, чо.

          • I.F.

            так а что, делов-то. вместо кота шредингера — дух. не в коробке, а в айпэде. состояние духа — суперпозиция вызванности и не вызванности. и только в процессе сеанса-измерения принимается одно из них. вообще-то скорее джинов наплминает

          • В.П.( aka W_P_)

            Таак, уже теплее… ))) Монетизировать быренько надо… И втюхивать адептам по сходной цене. Бесплатная подписка — одно желание в год.
            Как желания материализовать, правда , еще думать надо

          • I.F.

            электрод в башку — чего тут думать-то?

          • В.П.( aka W_P_)

            Это эконом-класс… Для элиты что-нибудь «нано» придется городить. Как минимум.

          • I.F.

            электрод-верту, с брюликами. на базе сварочного.

          • В.П.( aka W_P_)

            … и ты , Брут. Опять верту и брюлики, как давеча, да побольше, побольше.
            Сразу до кучи надо новые вкусы внедрять. Новый мир — новая элита. Вся в нейропыли и наночастицах.

          • I.F.

            наноэлита. мелкая такая, незаметная.

  • KOLANICH

    Вспомнился сериал H+

Хостинг "ИТ-ГРАД"
© ООО "Компьютерра-Онлайн", 1997-2018
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на "Компьютерру" обязательна.
«Партнер Рамблера» Почта защищена сервером "СПАМОРЕЗ" Хостинг "Fornex"