Ingeniører har udviklet en ny trådløs, bredbånd, genopladelig, fuldt implanterbar hjernesensor, der har fungeret godt i dyremodeller i mere end et år.
Et team af neuroingeniører baseret på Brown University har udviklet en fuldt implanterbar og genopladelig trådløs hjernesensor, der er i stand til at videresende realtids bredbåndssignaler fra op til 100 neuroner i frit bevægelige motiver. Flere eksemplarer af den nye lavenergienhed, der er beskrevet i Journal of Neural Engineering, har haft gode resultater i dyremodeller i mere end år, en første inden for hjernecomputerfeltet. Hjernecomputer-grænseflader hjælper folk med alvorlig lammekontrol med deres tanker.
Arto Nurmikko, professor i teknik ved Brown University, der har overvåget enhedens opfindelse, præsenterer den denne uge på 2013 International Workshop on Clinical Brain-Machine Interface Systems in Houston.
”Dette har funktioner, der er noget, der ligner en mobiltelefon, bortset fra, at den samtale, der sendes ud, er hjernen, der taler trådløst,” sagde Nurmikko.
Ingeniørerne Arto Nurmikko og Ming Yin undersøger deres prototype trådløse, bredbånd neurale sensorenhed. Kredit: Fred Field for Brown University
Neurovidenskabsfolk kan bruge en sådan enhed til at observere, registrere og analysere de signaler, der udsendes af scoringer af neuroner i bestemte dele af dyremodellens hjerne.
I mellemtiden undersøges kablede systemer, der bruger lignende implanterbare sondingselektroder i hjerne-computergrænsefladeforskning for at vurdere muligheden for mennesker med svær lammelse, der bevæger hjælpemidler som robotarme eller computermarkører ved at tænke på at bevæge deres arme og hænder.
Dette trådløse system imødekommer et stort behov for det næste trin i at give et praktisk hjernecomputer-interface, ”sagde neurovidenskabsmand John Donoghue, Wriston-professor i neurovidenskab ved Brown University og direktør for Brown Institute for Brain Science.
Tæt pakket teknologi
I enheden implanteres en chip-størrelse chip af elektroder, der er implanteret på cortexs signaler gennem unikt designede elektriske forbindelser i enhedens lasersvejsede, hermetisk forseglede titan “dåse.” Dåsen måler 56 mm (56 mm) lang, 1,65 inches ( 42 mm) bred og 0,35 inch (9 mm) tyk. Den lille mængde rummer et helt signalbehandlingssystem: et lithium-ion-batteri, ultralow-power integrerede kredsløb designet til Brown til signalbehandling og -konvertering, trådløs radio og infrarøde sendere og en kobberspiral til genopladning - en "hjernradio." trådløse og opladningssignaler passerer gennem et elektromagnetisk transparent safirvindue.
I alt ser enheden ud som en miniatyr sardindåse med en hulhul.
Men hvad teamet har pakket inde, gør det til et stort fremskridt blandt grænseflader mellem hjerne-maskine, sagde hovedforfatter David Borton, en tidligere Brown-kandidatstuderende og postdoktorisk forskningsmedarbejder, der nu er på Ecole Polytechnique Federale Lausanne i Schweiz.
”Det, der gør det opnåede resultat i dette artikel unikt, er, hvordan det integrerede mange individuelle innovationer i et komplet system med potentiale for neurovidenskabelig gevinst større end summen af dets dele,” sagde Borton. "Det vigtigste er, at vi viser det første fuldt implanterede mikrosystem, der opereres trådløst i mere end 12 måneder i store dyremodeller - en milepæl for potentiel klinisk oversættelse."
Enheden transmitterer data med 24 Mbps via 3,2 og 3,8 Ghz mikrobølgefrekvenser til en ekstern modtager. Efter en to-timers opladning, leveret trådløst gennem hovedbunden via induktion, kan den fungere i mere end seks timer.
”Enheden bruger mindre end 100 milliwatt strøm, en nøgletal for fortjeneste,” sagde Nurmikko.
Gratuitøst stockbillede, der viser mulig hjernesensor - IKKE den rigtige. Kredit: Shutterstock / PENGYOU91
Medforfatter Ming Yin, en brun postdoktor og elektrisk ingeniør, sagde, at en af de største udfordringer, som teamet besejrede i opbygningen af enheden, var at optimere dens ydeevne i betragtning af kravene til, at implantatindretningen var lille, lav effekt og lækagesikker, potentielt i årtier.
”Vi forsøgte at opnå den bedste afvejning mellem enhedens kritiske specifikationer, såsom strømforbrug, støjydelse, trådløs båndbredde og driftsområde,” sagde Yin. ”En anden stor udfordring, vi stød på, var at integrere og samle al elektronik på enheden i en miniaturiseret pakke, der giver langvarig hermetik (vandisolering) og biokompatibilitet samt gennemsigtighed til den trådløse data, strøm og on-off switch signaler.”
Med tidlige bidrag fra elektrisk ingeniør William Patterson hos Brown, hjalp Yin med at designe de tilpassede chips til konvertering af neurale signaler til digitale data. Konverteringen skal udføres inden i enheden, fordi hjernesignaler ikke produceres i en- og nuller i computerdata.
Rigelig applikationer
Holdet arbejdede tæt med neurokirurger for at implantere enheden i tre svin og tre rhesus-makak-aber. Forskningen i disse seks dyr har hjulpet forskere med bedre at observere komplekse neurale signaler i så længe som 16 måneder. I den nye artikel viser teamet nogle af de rige neurale signaler, de har været i stand til at registrere i laboratoriet. I sidste ende kan dette medføre betydelige fremskridt, der også kan informere menneskelig neurovidenskab.
Nuværende kablede systemer begrænser forskningsemnenes handlinger, sagde Nurmikko. Værdien af trådløs transmission er, at det frigør motiver til at bevæge sig, uanset hvor de agter, hvilket giver dem mulighed for at producere en bredere vifte af mere realistiske opførsler. Hvis neurovidenskabsmænd ønsker at observere hjernesignaler, der er produceret under en eller anden løb- eller foderadfærd, kan de ikke bruge en kabelsensor til at studere, hvordan neurale kredsløb ville danne disse planer for handling og udførelse eller strategi i beslutningsprocessen.
I eksperimenterne i det nye papir er enheden forbundet til en matrix af 100 kortikale elektroder, de mikroskala individuelle neurale lytteposter, men det nye enhedsdesign gør det muligt at tilslutte flere arrays, sagde Nurmikko. Det ville gøre det muligt for forskere at observere ensembler af neuroner i flere relaterede områder i et hjernetværk.
Den nye trådløse enhed er ikke godkendt til brug hos mennesker og bruges ikke i kliniske forsøg med hjernecomputergrænseflader. Den blev imidlertid designet med den translationelle motivation.
”Dette blev undfanget meget i samråd med det større BrainGate * -team, herunder neurokirurger og neurologer, der gav os råd om, hvad der var passende strategier til eventuel klinisk anvendelse,” sagde Nurmikko, der også er tilknyttet Brown Institute for Brain Science.
Borton går nu i spidsen for udviklingen af et samarbejde mellem EPFL og Brown for at bruge en version af enheden til at undersøge den motoriske cortex 'rolle i en dyremodel af Parkinsons sygdom.
I mellemtiden fortsætter Brown-teamet med at fremme enheden til endnu større mængder af neurale dataoverførsler, reducere dens størrelse yderligere og forbedre andre aspekter af enhedens sikkerhed og pålidelighed, så det en dag kan overvejes til klinisk anvendelse i befolkningen med bevægelse handicap.
Via Brown University