Беспроводной датчик мозга может отвязать нейробиологию от кабелей

В исследовании, опубликованном в журнале Neuron, ученые описывают новый беспроводной датчик мозга с высокой скоростью передачи данных и низким энергопотреблением. Технология предназначена для проведения нейробиологических исследований, которые невозможно выполнить с помощью датчиков тока, которые связывают субъектов с помощью кабельных соединений.Эксперименты в статье подтверждают эту новую возможность.

Результаты показывают, что технология передавала богатые, нейробиологически значимые сигналы от моделей животных, когда они спали, просыпались или выполняли упражнения.«Мы рассматриваем это как платформенное устройство для доступа к богатству электрических сигналов от мозга моделей животных, где активность их нейронных цепей полностью отражает волевое и естественное поведение, не ограниченное конкретным пространством», — сказал Арто Нурмикко, профессор инженерии и физики. аффилирован с Брауновским институтом мозговых наук и старшим автором статьи. «Это позволяет проводить новые типы нейробиологических экспериментов с огромными объемами данных мозга, передаваемых по беспроводной сети и непрерывно из микросхем мозга».

Специально разработанная нейроэлектронная платформа состоит из двух элементов: 100-канального передатчика всего 5 сантиметров в своем наибольшем измерении и веса всего 46,1 грамма и четырехантенного приемника, который выглядит как домашний Wi-Fi-маршрутизатор, но использует сложную обработку сигналов. чтобы усилить сигнал передатчика во время движения объекта. Через небольшой порт, встроенный в череп субъекта, передатчик подключается к крошечной имплантированной матрице электродов, которая определяет активность множества нейронов в коре головного мозга.

По словам Нурмикко, беспроводной передатчик совместим с несколькими типами и классами сенсоров головного мозга с целью разработки сенсоров в будущем.«Среди уникальных особенностей нашей технологии — то, что мы разработали этот компактный легкий нейросенсор с специально разработанным маломощным высокоэффективным передатчиком», — сказал ведущий автор статьи Мин Инь, инженер-исследователь в лаборатории Нурмикко в Брауне во время Работа. «Он рассеивает на два порядка меньше энергии, чем коммерческие трансиверы 802.11n, чтобы передавать сравнимую скорость высокоскоростных данных — до 200 мегабит в секунду — на расстоянии нескольких метров. Низкое энергопотребление и небольшие размеры, а также встроенные функции защиты от электростатического разряда делают наше устройство более безопасным и практичным для мобильных объектов ».

В исследовании команда продемонстрировала, что передатчик может работать непрерывно более 48 часов от одной перезаряжаемой батареи AA, поскольку он передает данные с высокой скоростью напрямую из мозга.«Сенсор мозга открывает беспрецедентные возможности для развития нейропротезирования в естественных и свободных условиях», — сказал соавтор исследования Грегуар Куртин, профессор EPFL (Федеральная политехническая школа Лозанны), который сотрудничал с группой Нурмикко в исследовании.Поведенческие демонстрации

Куртин и соавтор Дэвид Бортон помогли провести эксперименты, проверяющие, может ли система соответствовать производительности обычных проводных систем. Они вместе с коллегами из Брауна и Института нейробиологии Бордо также применили его в двух поведенческих задачах, чтобы убедиться, что он передает интересные с научной точки зрения нейронные паттерны. В экспериментах использовалась платформа, разработанная европейским проектом NeuWalk, который поддержан инвестициями в размере 9 миллионов евро от Европейского Союза.В одном эксперименте три макаки-резус прогуливались по беговой дорожке, в то время как исследователи использовали беспроводную систему для измерения нейронных сигналов, связанных с командами движения мозга.

Между тем они использовали другие датчики для измерения активности мышц ног. Данные мозга показали четкие модели активности, связанные с движениями мышц, демонстрируя, что датчик позволяет изучать, как мозг управляет ногами.

«В этом исследовании мы смогли наблюдать моторную корковую динамику во время передвижения, что дало возможность понять, как мозг вычисляет выходные команды, посылаемые в ноги для управления ходьбой», — сказал Бортон, ныне доцент кафедры инженерии в Браун.В другом эксперименте исследователи Brown и EPFL использовали эту технологию для наблюдения за сигналами мозга в течение нескольких часов, пока животные проходили циклы сна / бодрствования, не обремененные кабелями или проводами.

И снова данные показали четкие закономерности, относящиеся к различным стадиям сознания и переходам между ними.«Мы надеемся, что беспроводной нейросенсор изменит каноническую парадигму исследований в области нейробиологии, позволив ученым исследовать нервную систему в ее естественном контексте и без использования соединительных кабелей», — сказал Бортон. «Субъекты могут свободно перемещаться, кормиться, спать и т. Д., Пока исследователи наблюдают за мозговой активностью.

Мы очень рады видеть, как сообщество нейробиологов использует эту платформу».В 2013 году Инь, Бортон и Нурмикко представили родственный имплантируемый беспроводной датчик мозга с другим дизайном. По словам Нурмикко, в то время как новый головной датчик предназначен для исследовательского использования более широким сообществом ученых, занимающихся изучением мозга, исследователи надеются, что технология беспроводных датчиков мозга будет полезна и в клинических исследованиях в ближайшие годы.Компания Blackrock Microsystems LLC из Юты, где Инь сейчас работает инженером, лицензировала часть технологии, описанной в новом исследовании Neuron, проведенном в Университете Брауна, для коммерческой разработки.

Помимо Инь, Бортона, Нурмикко и Куртин, другими авторами статьи являются Джейкоб Комар, Наубахар Ага и Яо Лу из Брауна, Кристофер Булл, профессор инженерного дела, и Лоуренс Ларсон, инженер инженерного факультета Брауна; Дэвид Рослер из Брауна и Медицинский центр по делам ветеранов Провиденса; Жан Лоренс из EPFL; Хао Ли из Marvell Semiconductor; Йиран Лян и Эрван Безард из Института неврологии Бордо; и Цинь Ли из Motac Neuroscience. Безард и Ли также являются членами Китайской академии медицинских наук.

Исследования финансировались Национальными институтами здравоохранения США, Национальным научным фондом, Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов и ЕС.

Портал обо всем