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 تا 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 هستند.
حال، گروهی از محققان در حال برداشتن قدم هایی رو به جلو برای ساخت نسل جدید سیستم های BCI هستند. این سیستم از یک شبکه هماهنگ از حسگرهای عصبی کوچک و مقیاس کوچک بی سیم ، هر کدام به اندازه یک دانه نمک ، برای ثبت و تحریک فعالیت مغز استفاده می کند.
این سنسورها که “neurogenins” نامیده می شوند ، به طور مستقل پالس های الکتریکی حاصل از فعالیت نورون ها را ضبط کرده و سیگنال ها را به صورت بی سیم به یک شبکه مرکزی ارسال می کنند که سیگنال ها را هماهنگ و پردازش می کند.
به گفته محققان ، این نتایج گامی به سوی سیستمی است که روزی می تواند ضبط سیگنال های مغزی را با جزئیات بی سابقه ای انجام دهد و به بینش جدیدی در مورد نحوه عملکرد مغز و درمان های جدید برای افرادی که دچار آسیب مغزی یا نخاعی هستند منجر شود.
دکتر Nurmikko: یکی از چالش های بزرگ در زمینه رابط مغز و رایانه ، مهندسی روش هایی برای بررسی بیشتر نقاط ممکن در مغز است. تاکنون، بیشتر BCI ها دستگاه های یکپارچه بوده اند (شبیه تخت های کوچک سوزنی). ایده تیم ما این بود که این یکپارچگی را به سنسورهای کوچکی تقسیم کنیم 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.
دکتر Nurmikko: این چالش دو برابر بود. بخش اول نیاز به کوچک کردن وسایل الکترونیکی پیچیده ای داشت که در تشخیص ، تقویت و انتقال سیگنال های عصبی به تراشه های ریز سیلیکونی نوروگرین 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.
دومین چالش ایجاد مرکز ارتباطات خارجی بدن بود که سیگنال ها را از تراشه های کوچک دریافت می کرد.این یک دستگاه یک تکه نازک، تقریباً به اندازه یک انگشت شست است، که به پوست سر بیرون جمجمه متصل می شود. این دستگاه مانند یک برج تلفن مینیاتوری تلفن همراه عمل می کند و از پروتکل شبکه ای برای هماهنگ سازی سیگنال های عصب های عصبی استفاده می کند که هر کدام آدرس شبکه خود را دارند. این پچ همچنین به صورت بی سیم نیروگاه عصبی را تامین می کند ، که برای کار با حداقل مقدار برق طراحی شده است.
دکتر Jihun Lee: این کار یک چالش چند رشته ای واقعی بود. ما مجبور بودیم متخصصانی در زمینه الکترومغناطیس ، ارتباطات فرکانس رادیویی، طراحی مدار، ساخت و علم عصب شناسی برای طراحی و کارکرد سیستم عصبی مغز گرد آوریم.
هدف از مطالعه جدید نشان دادن این بود که این سیستم می تواند سیگنال های عصبی را از مغز زنده (در این مورد مغز جوندگان بود) ثبت کند؟ این تیم 48 مغز عصبی را روی قشر مغزی حیوان در 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 حیوانات تیم را برای این مطالعه به 48 مغز عصبی محدود کرد ، اما داده ها نشان می دهد که پیکربندی فعلی سیستم می تواند تا 770 مغز را پشتیبانی کند. در نهایت ، تیم مقیاس هزاران عصب عصبی را در نظر می گیرد ، که می تواند تصویری در حال حاضر دست نیافتنی از فعالیت مغزی باشد.
دکتر Vincent Leung: این یک تلاش چالش برانگیز بود ، زیرا سیستم نیاز به انتقال همزمان برق بی سیم و شبکه با سرعت مگابیت بر ثانیه دارد و این امر باید در محدوده سیلیکون بسیار محدود و محدودیت های قدرت انجام شود. تیم ما پاکت را برای کاشت عصبی توزیع شده تحت فشار قرار داد.