Ingenieure haben einen neuartigen drahtlosen, breitbandigen, wiederaufladbaren, vollständig implantierbaren Gehirnsensor entwickelt, der in Tiermodellen seit mehr als einem Jahr gute Ergebnisse erzielt.
Ein Team von Neuroingenieuren mit Sitz an der Brown University hat einen vollständig implantierbaren und wiederaufladbaren drahtlosen Gehirnsensor entwickelt, der in der Lage ist, Echtzeit-Breitbandsignale von bis zu 100 Neuronen in sich frei bewegenden Subjekten weiterzuleiten. Mehrere Exemplare des im Journal of Neural Engineering beschriebenen neuartigen Geräts mit geringem Stromverbrauch zeigen seit mehr als einem Jahr eine gute Leistung in Tiermodellen - eine Premiere auf dem Gebiet der Schnittstelle zwischen Gehirn und Computer. Gehirn-Computer-Schnittstellen helfen Menschen mit schweren Lähmungskontrollgeräten bei ihren Gedanken.
Arto Nurmikko, Professor für Ingenieurwissenschaften an der Brown University, der die Erfindung des Geräts beaufsichtigte, präsentiert sie diese Woche auf dem 2013 stattfindenden internationalen Workshop über klinische Systeme für die Schnittstelle zwischen Gehirn und Maschine in Houston.
"Dies hat Funktionen, die einem Mobiltelefon ähneln, mit der Ausnahme, dass das Gehirn drahtlos spricht", sagte Nurmikko.
Die Ingenieure Arto Nurmikko und Ming Yin untersuchen ihren Prototyp eines drahtlosen, breitbandigen neuronalen Erfassungsgeräts. Bildnachweis: Fred Field für die Brown University
Neurowissenschaftler können mit einem solchen Gerät die Signale beobachten, aufzeichnen und analysieren, die von zahlreichen Neuronen in bestimmten Teilen des Gehirns des Tiermodells ausgesendet werden.
In der Zwischenzeit werden verdrahtete Systeme mit ähnlichen implantierbaren Messelektroden in der Gehirn-Computer-Schnittstellenforschung untersucht, um die Machbarkeit von Menschen mit schwerer Lähmung zu beurteilen, die Hilfsgeräte wie Roboterarme oder Computercursor bewegen, indem sie überlegen, ihre Arme und Hände zu bewegen.
Dieses drahtlose System erfüllt einen wichtigen Bedarf für den nächsten Schritt bei der Bereitstellung einer praktischen Gehirn-Computer-Schnittstelle “, sagte der Neurowissenschaftler John Donoghue, Wriston-Professor für Neurowissenschaften an der Brown University und Direktor des Brown Institute for Brain Science.
Dicht gepackte Technik
In dem Gerät befindet sich ein pillengroßer Chip aus Elektroden, die über einzigartig gestaltete elektrische Verbindungen in die lasergeschweißte, hermetisch versiegelte Titan-Dose des Geräts eingepflanzt wurden. Die Dose ist 56 mm lang und 1,65 Zoll lang. 42 mm breit und 9 mm dick. In diesem kleinen Volumen befindet sich ein komplettes Signalverarbeitungssystem: eine Lithium-Ionen-Batterie, bei Brown entwickelte integrierte Schaltkreise für die Signalverarbeitung und -umwandlung, Funk- und Infrarotsender sowie eine Kupferspule zum Aufladen - ein „Gehirnfunkgerät“ Funk- und Ladesignale passieren ein elektromagnetisch transparentes Saphirfenster.
Insgesamt sieht das Gerät aus wie eine Miniatur-Sardinen-Dose mit Bullauge.
Aber was das Team in sich hat, macht es zu einem großen Fortschritt bei den Schnittstellen zwischen Gehirn und Maschine, sagte der Hauptautor David Borton, ein ehemaliger Brown-Doktorand und Postdoktorand, der jetzt an der Ecole Polytechnique Federale Lausanne in der Schweiz ist.
"Was die in diesem Artikel diskutierte Leistung so einzigartig macht, ist die Tatsache, dass sie viele einzelne Innovationen in ein komplettes System integriert hat, dessen neurowissenschaftliches Gewinnpotenzial über der Summe seiner Teile liegt", sagte Borton. "Vor allem zeigen wir das erste vollständig implantierte Mikrosystem, das seit mehr als 12 Monaten drahtlos in großen Tiermodellen betrieben wird - ein Meilenstein für eine mögliche klinische Übersetzung."
Das Gerät überträgt Daten mit 24 Mbit / s über Mikrowellenfrequenzen von 3,2 und 3,8 GHz an einen externen Empfänger. Nach einer zweistündigen Aufladung, die drahtlos per Induktion über die Kopfhaut abgegeben wird, kann der Akku mehr als sechs Stunden betrieben werden.
"Das Gerät verbraucht weniger als 100 Milliwatt Strom, eine wichtige Kennzahl", sagte Nurmikko.
Kostenloses Archivbild mit möglichem Gehirnsensor - NICHT der echte. Bildnachweis: Shutterstock / PENGYOU91
Co-Autor Ming Yin, ein Brown-Postdoktorand und Elektroingenieur, sagte, eine der größten Herausforderungen, die das Team beim Bau des Geräts bewältigt habe, sei die Optimierung seiner Leistung angesichts der Anforderungen, dass das Implantat klein, stromsparend und auslaufsicher sein müsse. möglicherweise für Jahrzehnte.
"Wir haben versucht, den besten Kompromiss zwischen den kritischen Spezifikationen des Geräts wie Stromverbrauch, Rauschleistung, drahtloser Bandbreite und Betriebsreichweite zu finden", sagte Yin. „Eine weitere große Herausforderung bestand darin, die gesamte Elektronik des Geräts in ein miniaturisiertes Gehäuse zu integrieren und zusammenzubauen, das eine langfristige Hermetizität (Wasserdichtigkeit) und Biokompatibilität sowie Transparenz für die drahtlosen Daten, die Stromversorgung und den Ein- und Ausschalter bietet Signale. "
Mit frühen Beiträgen des Elektroingenieurs William Patterson von Brown half Yin, die kundenspezifischen Chips für die Umwandlung neuronaler Signale in digitale Daten zu entwerfen. Die Konvertierung muss innerhalb des Geräts erfolgen, da Gehirnsignale nicht in Einsen und Nullen von Computerdaten erzeugt werden.
Reichliche Anwendungen
Das Team arbeitete eng mit Neurochirurgen zusammen, um das Gerät in drei Schweine und drei Rhesusaffen zu implantieren. Die Forschung an diesen sechs Tieren hat Wissenschaftlern geholfen, komplexe neuronale Signale bis zu 16 Monate lang besser zu beobachten. In der neuen Veröffentlichung zeigt das Team einige der reichhaltigen neuronalen Signale, die sie im Labor aufzeichnen konnten. Letztendlich könnte dies zu bedeutenden Fortschritten führen, die auch die menschliche Neurowissenschaft beeinflussen können.
Aktuelle kabelgebundene Systeme beschränken die Aktionen von Forschern, sagte Nurmikko. Der Wert der drahtlosen Übertragung besteht darin, dass Personen sich frei bewegen können, wie sie es möchten, und so eine größere Vielfalt realistischerer Verhaltensweisen erzielen können. Wenn Neurowissenschaftler beispielsweise die Gehirnsignale beobachten möchten, die während eines Lauf- oder Futtersuchverhaltens erzeugt werden, können sie keinen kabelgebundenen Sensor verwenden, um zu untersuchen, wie neuronale Schaltkreise diese Aktions- und Ausführungspläne bilden oder bei der Entscheidungsfindung eine Strategie verfolgen.
In den Experimenten in der neuen Veröffentlichung wird das Gerät an ein Array von 100 kortikalen Elektroden angeschlossen, die mikroskaligen einzelnen neuronalen Abhörpfosten, aber das neue Gerätedesign ermöglicht die Verbindung mehrerer Arrays, sagte Nurmikko. Das würde es Wissenschaftlern ermöglichen, Ensembles von Neuronen in mehreren verwandten Bereichen eines Gehirnnetzwerks zu beobachten.
Das neue drahtlose Gerät ist nicht für die Verwendung beim Menschen zugelassen und wird nicht in klinischen Studien mit Gehirn-Computer-Schnittstellen verwendet. Es wurde jedoch mit dieser translationalen Motivation entworfen.
"Dies wurde in enger Abstimmung mit dem größeren BrainGate * -Team konzipiert, zu dem Neurochirurgen und Neurologen gehörten, die uns Tipps zu geeigneten Strategien für spätere klinische Anwendungen gaben", sagte Nurmikko, der auch dem Brown Institute for Brain Science angeschlossen ist.
Borton ist derzeit Vorreiter bei der Entwicklung einer Zusammenarbeit zwischen EPFL und Brown, um mithilfe einer Version des Geräts die Rolle des motorischen Kortex in einem Tiermodell für die Parkinson-Krankheit zu untersuchen.
In der Zwischenzeit arbeitet das Brown-Team daran, das Gerät für noch größere Mengen an neuronaler Datenübertragung weiterzuentwickeln, seine Größe weiter zu verringern und andere Aspekte der Sicherheit und Zuverlässigkeit des Geräts zu verbessern, sodass es eines Tages für die klinische Anwendung bei Menschen mit Bewegung in Betracht gezogen werden kann Behinderungen.
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