Мозговые имплантаты сверхнизкой мощности, управляемые сознанием, лечат неврологические и другие заболевания

Исследователи из Мичиганского университета (University of Michigan) сумели сократить энергозатраты нейронных интерфейсов, одновременно повышая их точность, что в перспективе позволит разрабатывать имплантаты, внедряемые в головной мозг с длительным сроком работы. Такие имплантаты помогут компенсировать последствия неврологических заболеваний, их также можно использовать в протезировании, в котором совмещаются функции мозга и машинный интеллект.

Исследование проводила команда во главе с Синтией Честек (Cynthia Chestek), доктор биомедицинской инженерии на факультете Института робототехники. Учёные утверждают, что им удалось снижения энергопотребления нейронных интерфейсов на 90%.

«...для интерпретации сигналов мозга нужны компьютеры такого же размера, как люди, и электроэнергии столько, сколько вырабатывают несколько аккумуляторов для автомобилей... Сокращение потребления электроэнергии на порядок, в конечном итоге, позволит создать портативные имплантаты «мозг-машина», - прокомментировал Сэмюэль Нейсон (Samuel Nason), первый автор исследования, сотрудник лаборатории Честек.

Нейроны мозга передают информацию к органам тела, но в то же время они являются передатчиками шумов. Компьютеры и электроды которые собирают информацию нейронов, словно слушают радио с сильными помехами. Устройства должны выявить полезную информацию из шумов мозга.

Сейчас для прогнозирования сложных действий, таких, как захват предмета рукой, ученые применяют чрескожные электроды и систему прямой проводки через кожу к мозгу. В этом методе используются 100 электродов, которые улавливают 20000 сигналов в секунду. Это позволяет, например, восстанавливать движения ранее парализованной руки или позволить человеку чувствовать твердость или мягкость предмета протезом руки. Этот метод слишком сложен вне лабораторной среды и также несёт опасность заражения.

Существуют беспроводные имплантаты столь же производительные, как и чрескожные электроды, так как улавливают и анализируют около 16000 сигналов в секунду. Однако, нужно ещё нужно ещё добиться стабильности функционирования имплантатов. Сложность в том, что имплантаты в мозг индивидуальны, и это большое препятствие для получения одобрения в качестве безопасных устройств.

В лаборатории Честек поясняют: «Разработать беспроводные устройства с высокой пропускной способностью было бы совершенно невозможно, если мы посмотрим на существующие источники питания, например те, что используются в кардиостимуляторах».

Для уменьшения энергопотребления учёные сжимают сигналы мозга, сконцентрировав внимание на пиках нейронной активности, пересекающих порог мощности TCR. Таким образом, устройства могут обрабатывать меньше данных, но сохраняют возможность предсказывать запуск нейронов с высокой точностью. Но при таком способе нужно отслеживать полные сигналы активности нейронов определяя момент пересечения порога мощности, а эта величина крайне изменчива. Всё это требует дополнительного оборудования и батареи.

В лаборатории Честек пошли другим путём: исследователи воспользовались SBP – интегрированным набором частот от нескольких нейронов, от 300 до 1000 Гц. Оказалось, что отслеживая данные только в этом диапазоне можно получать точный прогноз поведения при этом резко сокращая энергопотребление устройства. Этот метод оказался более точным, лучше вылавливает полезные сигналы из шумов, а также увеличивает срок службы имплантата так как не тратит энергию на просеивание большого количества шумов.

Исследование под названием «Низкоэнергетическая полоса пиковой активности нейронов, в которой преобладают локальные отдельные устройства, улучшает производительность интерфейсов мозг-машина», опубликовано в журнале Nature Biomedical Engineering.