Мишель Махарбиз, создатель первого в мире устройства для дистанционного управления насекомыми, создал вместе с сотрудниками из Калифорнийского университета в Беркли новый универсальный интерфейс “мозг – компьютер”. Из-за малых размеров он стал называться “нейропыль”. Это в один момент метод более правильного управления любой электроникой “силой мысли” и новый диагностический способ с высочайшей разрешающей свойством.
Интерфейсы “мозг – компьютер” (BCI) основаны на регистрации электрической активности отдельных групп нейронов и переводе интегрального сигнала в управляющую команду для внешнего устройства. Руководить так возможно чем угодно – фигуркой на экране, собственным протезом либо удалённым роботом.
Пример хорошего интерфейса “мозг – компьютер” (фото: Inserm / Hirsch, Philippe).
Как и современные способы функционального изучения головного мозга, BCI пока не отличаются высокой точностью. Их возможности ограничены количеством и габаритами устройства участков коры головного мозга, с которых технически вероятно отведение отдельных потенциалов действия.
Сейчас показались установки, регистрирующие в один момент до 256 каналов. Они видятся только редко и не вписываются в бюджет большинства клиник, а последовательность исследовательских и практических задач уже требует довести счёт каналов до десятков тысяч.
Отдельная неприятность – долгий мониторинг состояния больного либо продолжительные сеансы управления, делаемые оператором. Ни больной, ни оператор не смогут днями пребывать в кресле.
Электродная шапочка для ЭЭГ: 256 каналов (изображение: biosemi.com).
Первые шаги в ответе данного вопроса сделала в текущем году несколько исследователей из Университета Брауна. Сравнительно не так давно они создали первый беспроводной BCI. Это частично имплантируемый интерфейс “мозг – компьютер”, снабжённый индукционной зарядкой.
В опыте с макаками-резусами таковой прибор употреблялся месяцами, разрешая его обладателям довольно вольно перемещаться. Среди недочётов отмечались громадные для имплантируемого устройства габариты (сантиметры), и ограниченность взаимного расположения и числа вживляемых электродов.
Группа из Калифорнийского университета в Беркли внесла предложение метод снизить размеры имплантируемых элементов до нескольких микрометров и практически наполнить ими сосудистую оболочку головного мозга.
Устройство частицы “нейропыли” (изображение: University of California, Berkeley).
Созданные ими сверхминиатюрные электронные сенсоры складываются из выполненной по разработке CMOS микросхемы, пьезокристалла, электродов и изолирующей полимерной оболочки. Принцип их действия напоминает практику применения чипов радиочастотной идентификации (RFID), не требующих встроенного источника питания.
По плану авторов, частицы нейропыли вольно циркулируют в кровеносном русле. Фактически этого тяжело достигнуть из-за сложного состава крови, биологических механизмов её структуры и очистки эндотелия, но представим на 60 секунд, что названные неприятности решены. Тогда одновременное число микросенсоров в сосудах головного мозга в любую секунду времени может исчисляться тысячами.
Любая из этих “умных частиц” сможет измерять электрическую активность ближайших нейронов. На протяжении первой фазы пьезоэлектрический кристалл преобразует ультразвуковые волны от промежуточного модуля в электрические сигналы и питает CMOS-схему. На протяжении второй он действует напротив – вибрирует под влиянием потенциалов действия ближайшей группы нейронов.
Пьезоэлектрический эффект в частице “нейропыли” (изображение: Dongjin Seo et al.).
Если сравнивать с RFID в предложенной схеме имеется минимум два ответственных отличия. Не считая электромагнитных волн (внешний уровень), употребляется ультразвук (внутренний уровень), а усиление ответного сигнала микросенсоров, его преобразование и предстоящую передачу снабжает промежуточный модуль.
Последний размещается под жёсткой мозговой оболочкой и действует как трансивер, разрешая избежать сильного затухания ультразвука и преодолеть экранирующее воздействие костей черепа.
Ультразвук строго определённой частоты требуется и для увеличения мощности всей совокупности. Расчётными способами установлено, что в данных условиях сенсор с диаметром 100 мкм под действием ультразвука может взять до 500 мкВт, тогда как за счёт радиочастотной энергопередачи – лишь до 40 пВт (приблизительно в 10 млн раз меньше). Помимо этого, электромагнитное излучение достаточной для работы совокупности мощности вызывало бы через чур сильный нагрев окружающих тканей и приводило бы к их повреждению. С ультразвуком таковой риск также остаётся, но он намного меньше.
Условной границей между внешним и внутренним уровнями коммуникаций помогает жёсткая мозговая оболочка. До неё сообщение осуществляется при помощи ультразвука, а по окончании неё сигнал преобразуется в радиочастотный. Он передаётся сперва на внешний компактный блок, а после этого от него на раздельно стоящее принимающее устройство.
Схема сотрудничества компонентов интерфейса “мозг – компьютер” с частицами нейропыли (изображение: www.berkeley.edu).
Если сравнивать с потенциальными возможностями нейропыли другие методы и современная электроэнцефалография 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 увеличению точности определения мысленной команды в десятки раз.
Текущие расчётные размеры микросенсоров в пределах 10–100 мкм сравнимы с диаметром пиальных сосудов и не хватает мелки для действенного использования на практике. Но пределы масштабирования не исчерпаны. Авторы изучения полагают вероятным создание в ближайщее время миниатюрных сенсоров с диаметром менее 10 мкм. Такие частицы смогут регистрировать электрофизиологические эти, так же, как и прежде удерживаясь гематоэнцефалическим барьером.
До тех пор пока речь заходит только о модели, достаточно совершенно верно просчитанной с учётом известных данных. Авторы “нейропыли” опираются и на экспериментальную диагностику отдельных аналогичных элементов интерфейса “мозг – компьютер” на лабораторных животных. Многие вопросы предстоит решить ещё до этапа создания прототипа. Мысль на данный момент хоть и выглядит через чур смелой, но очевидно заслуживает самого внимания.