Inteligentny chip rewolucjonizuje implanty mózgowe
Finansowany przez UE projekt IoN(odnośnik otworzy się w nowym oknie) pozwolił osiągnąć znaczący kamień milowy w rozwoju wewnątrzkorowych interfejsów mózg-komputer. Dzięki temu możliwe jest sprostanie jednemu z najtrudniejszych wyzwań w neurotechnologii: bezprzewodowej transmisji dużych ilości danych neuronowych z miniaturowych implantów. Osiągnięcie to zostało opisane w artykule(odnośnik otworzy się w nowym oknie) opublikowanym w czasopiśmie „Nature”. W związku z rosnącym zapotrzebowaniem na skuteczne metody leczenia zaburzeń neurologicznych – od paraliżu po zaburzenia mowy – matryce mikroelektrod o wysokiej gęstości (MEA) stały się kluczowymi narzędziami do rejestrowania aktywności neuronowej z wyjątkową precyzją. Jednak duże ilości danych generowanych przez te matryce, która w systemach z 1000 kanałów może przekraczać 300 Mbps, stanowi wąskie gardło dla telemetrii bezprzewodowej ze względu na ograniczenia dotyczące zasilania, szerokości pasma, odprowadzania ciepła i rozmiarów urządzeń. Aby przezwyciężyć te ograniczenia, konsorcjum IoN opracowało nowatorską dwuetapową architekturę bezprzewodową opartą na biegnącym przez oponę twardą łączu komunikacyjnym typu BCC (body channel communication) ze sprzężeniem galwanicznym, które wykorzystuje tkankę organizmu jako przewód do przesyłania danych bez użycia fal radiowych. System ten umożliwia transmisję danych z swobodnie unoszącej się matrycy MEA, umieszczonej pod oponą twardą mózgu, do wewnątrzczaszkowego odbiornika zamocowanego w miejscu wykonania minimalnie inwazyjnej kraniotomii otworowej. Dzięki wyeliminowaniu fizycznych połączeń między matrycą MEA a modułem telemetrycznym rozwiązanie to dostosowuje się do naturalnych ruchów mózgu, ograniczając w ten sposób uszkodzenia tkanek spowodowane mikroruchami, tworzenie się blizn oraz pogorszenie jakości sygnału w miarę upływu czasu. System telemetryczny BCC działający przez oponę twardą wykazał się niezwykłą wydajnością w testach walidacyjnych. Testy i eksperymenty przeprowadzone na głowie ludzkich zwłok potwierdziły prędkość bezprzewodowej transmisji danych sięgającą 500 Mbps, przy czym system działał tylko przez 20% czasu w celu oszczędzania energii, a liczba błędów wynosiła mniej niż jeden na każde 100 000 przesłanych bitów. Testy na zwłokach wsparło Centrum Medyczne Erasmus.
Dziesięciokrotna kompresja danych bez utraty sygnału
Przełomowym rozwiązaniem jest inteligentny system kompresji, który działa jak czujnik ruchu dla mózgu. Przesyła on dane tylko wtedy, gdy neurony są aktywne, a w pozostałych przypadkach pozostaje nieaktywny. „Ma to szereg zalet: radykalnie mniej punktów danych (często o rząd wielkości), znacznie niższe zużycie energii i znacznie mniejsze zapotrzebowanie na przepustowość – przy czym wszystkie impulsy są rejestrowane z wysoką wiernością” – czytamy w artykule(odnośnik otworzy się w nowym oknie) opublikowanym na stronie internetowej koordynatora projektu IoN – firmy imec z Holandii. Dzięki ponad dziesięciokrotnemu zmniejszeniu objętości danych oraz radykalnemu ograniczeniu wydzielania ciepła i zużycia energii technologia ta przybliża nas do stworzenia bezpiecznych, długoterminowych implantów mózgowych. Testy na modelach „mózgu na chipie” potwierdziły, że system nie generuje niezamierzonej aktywności mózgu, co gwarantuje jego bezpieczeństwo podczas długotrwałego stosowania u pacjentów. To przełomowe osiągnięcie stanowi kluczowy krok w kierunku stworzenia skalowalnych, energooszczędnych interfejsów neuronowych zdolnych do przywracania funkcji motorycznych, sensorycznych i poznawczych. Dzięki połączeniu miniaturyzacji, dużej przepustowości i rygorystycznej weryfikacji bezpieczeństwa system telemetryczny opracowany w ramach projektu IoN (Intranet of Neurons: A Minimally-invasive and High-capacity Transcranial Telemetry Network for Large-scale Brain-wide Neural Recordings) toruje drogę dla przyszłych zastosowań, które mogą odmienić życie osób cierpiących na schorzenia neurologiczne. Więcej informacji: strona projektu IoN(odnośnik otworzy się w nowym oknie)
