Özet: “Neurograins” beyin-bilgisayar arayüzleri, elektriksel darbeleri bağımsız olarak kaydeder ve sinyalleri koordine eden ve işleyen merkezi bir merkeze kablosuz olarak gönderir.
Beyin-bilgisayar arayüzleri (BCI’ler), bir gün beyin veya omurilik yaralanması olan kişilerin hareket etmelerine veya iletişim kurmalarına yardımcı olabilecek, ortaya çıkan yardımcı cihazlardır. BCI sistemleri, beyindeki elektrik sinyallerini kaydeden ve bu sinyalleri bilgisayarlar veya robotik protezler gibi harici cihazları çalıştırmak için kullanan implante edilebilir sensörlere dayanır.
Mevcut BCI sistemlerinin çoğu, birkaç yüze kadar nöronu örneklemek için bir veya iki sensör kullanır, ancak sinirbilimciler, çok daha büyük beyin hücre gruplarından veri toplayabilen sistemlerle ilgilenirler.
Şimdi, bir araştırma ekibi, gelecekteki bir BCI sistemi için yeni bir konsepte doğru önemli bir adım attı – beyni kaydetmek ve uyarmak için her biri yaklaşık bir tuz tanesi büyüklüğünde, koordineli bir bağımsız, kablosuz mikro ölçekli sinir sensörleri ağı kullanan bir sistem. “Nörogren” olarak adlandırılan sensörler, nöronları ateşleyerek yapılan elektriksel darbeleri bağımsız olarak kaydeder ve sinyalleri koordine eden ve işleyen merkezi bir merkeze kablosuz olarak gönderir.
Nature Electronics’te 12 Ağustos’ta yayınlanan bir çalışmada, araştırma ekibi, bir kemirgende sinirsel aktiviteyi kaydetmek için bu tür yaklaşık 50 otonom nörogranin kullanımını gösterdi.
Araştırmacılar, sonuçların, bir gün beyin sinyallerinin benzeri görülmemiş bir ayrıntıda kaydedilmesini sağlayabilecek ve beynin nasıl çalıştığına dair yeni anlayışlara ve beyin veya omurilik yaralanması olan insanlar için yeni tedavilere yol açabilecek bir sisteme doğru atılmış bir adım olduğunu söylüyor.
Brown’s School of Engineering’de profesör ve çalışmanın kıdemli yazarı Arto Nurmikko, “Beyin-bilgisayar arayüzleri alanındaki en büyük zorluklardan biri, beyinde mümkün olduğunca çok noktayı araştırmak için mühendislik yöntemleridir” dedi.
‘Şimdiye kadar, çoğu BCI yekpare cihazlardı – biraz küçük iğne yatakları gibi. Ekibimizin fikri, bu monoliti serebral kortekse dağıtılabilen küçük sensörlere ayırmaktı. Burada gösterebildiğimiz şey bu.”
Brown, Baylor Üniversitesi, San Diego’daki California Üniversitesi ve Qualcomm’dan uzmanların yer aldığı ekip, sistemi geliştirme çalışmalarına yaklaşık dört yıl önce başladı. Brown’s Carney Beyin Bilimi Enstitüsü’ne bağlı olan Nurmikko, zorluğun iki kat olduğunu söyledi.
İlk kısım, nöral sinyallerin tespit edilmesi, büyütülmesi ve küçük silikon nörograin çiplerine iletilmesiyle ilgili karmaşık elektroniklerin küçültülmesini gerektiriyordu. Ekip ilk olarak elektroniği bir bilgisayarda tasarlayıp simüle etti ve operasyonel çipler geliştirmek için birkaç üretim yinelemesinden geçti.
İkinci zorluk, bu küçük çiplerden sinyalleri alan vücut-harici iletişim merkezini geliştirmekti. Cihaz, kafatasının dışındaki kafa derisine yapışan, yaklaşık bir başparmak izi büyüklüğünde ince bir yamadır.
Her biri kendi ağ adresine sahip olan sinir hücrelerinden gelen sinyalleri koordine etmek için bir ağ protokolü kullanan minyatür bir cep telefonu kulesi gibi çalışır. Yama ayrıca, minimum miktarda elektrik kullanarak çalışacak şekilde tasarlanmış nöro-tanelere kablosuz olarak güç sağlar.
Brown’da doktora sonrası araştırmacı ve çalışmanın baş yazarı olan Jihun Lee, “Bu çalışma gerçek bir multidisipliner zorluktu” dedi. ‘Nörograin sistemini tasarlamak ve çalıştırmak için elektromanyetik, radyo frekansı iletişimi, devre tasarımı, üretim ve sinirbilim alanındaki uzmanlığı bir araya getirmemiz gerekiyordu.’
Bu yeni çalışmanın amacı, sistemin canlı bir beyinden – bu durumda bir kemirgen beyninden – gelen sinir sinyallerini kaydedebildiğini göstermekti. Ekip, hayvanın beynin dış tabakası olan serebral korteksine 48 nörogren yerleştirdi ve spontan beyin aktivitesi ile ilişkili karakteristik sinir sinyallerini başarıyla kaydetti.
Ekip ayrıca, cihazların beyni uyarma ve ondan kayıt yapma yeteneğini de test etti. Stimülasyon, sinirsel aktiviteyi aktive edebilen küçük elektrik darbeleriyle yapılır. Araştırmacılar, stimülasyonun nöral kaydı koordine eden aynı merkez tarafından yönlendirildiğini ve bir gün hastalık veya yaralanma nedeniyle kaybedilen beyin fonksiyonlarını geri getirebileceğini umuyor.
Hayvanın beyninin büyüklüğü, bu çalışma için ekibi 48 nöro-grain ile sınırladı, ancak veriler, sistemin mevcut konfigürasyonunun 770’e kadar destekleyebileceğini gösteriyor. Nihayetinde, ekip, binlerce sinir hücresine kadar ölçeklendirmeyi öngörüyor.
Çalışmada yer alan Vincent Leung, ‘Sistem, saniyede mega bit hızında eşzamanlı kablosuz güç aktarımı ve ağ iletişimi gerektirdiğinden zorlu bir çabaydı ve bunun son derece sıkı silikon alanı ve güç kısıtlamaları altında gerçekleştirilmesi gerekiyor’ dedi. Baylor Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Bölümü’nde profesör. ‘Ekibimiz dağıtılmış nöral implantlar için sınırları zorladı.’
Bu eksiksiz sistemi gerçeğe dönüştürmek için yapılacak daha çok iş var, ancak araştırmacılar bu çalışmanın bu yönde önemli bir adımı temsil ettiğini söyledi.
Nurmikko, ‘Umudumuz, beyne yeni bilimsel bakış açıları ve yıkıcı yaralanmalardan etkilenen insanlara yardımcı olabilecek yeni tedaviler sağlayan bir sistem geliştirebilmemizdir.’ Dedi.
Kaynak;
- Brown University
- “Neural recording and stimulation using wireless networks of microimplants” by Jihun Lee, Vincent Leung, Ah-Hyoung Lee, Jiannan Huang, Peter Asbeck, Patrick P. Mercier, Stephen Shellhammer, Lawrence Larson, Farah Laiwalla & Arto Nurmikko. Nature Electronics
