Область нейронауки и технология интерфейса мозг-компьютер быстро продвигаются вперед, причем разработки происходят как в аппаратной, так и в программной части уравнения. Полученные результаты перешли из области экспериментов в область промышленности, где они могут быть полезны конечным потребителям. Ряд фирм находится на переднем крае разработки и производства устройств BCI, которые являются эффективными, безопасными и надежными для использования теми, кто может извлечь из них максимальную пользу. Среди этих компаний — Neuralink. Компания Neuralink, основанная в 2016 году Маском, Ходаком и Мероллой, стремится разработать универсальное устройство ввода-вывода, которое в долгосрочной перспективе сможет взаимодействовать со всем мозгом. Чтобы воплотить это долгосрочное стремление в реальность, они сосредоточены на краткосрочном плане разработки устройств BCI, которые могут взаимодействовать с определенной частью мозга и помогать пользователю выполнять определенные задачи, такие как навигация по мобильному устройству. В прошлом году команда продемонстрировала, как обезьяна с имплантированным устройством производства Neuralink играет в ментальный пинг-понг на компьютере. В этом году специальная команда инженеров и нейробиологов продемонстрировала текущий прогресс устройства Neuralink, потенциальные приложения и будущие перспективы компании на шоу и рассказала, что это произошло 30 ноября 2022 года. Илон, председательствовавший на встрече , также упомянул, что компания обратилась в FDA за разрешением на использование устройства людьми и ожидает получить ответ от агентства примерно через шесть месяцев. В прошлом году команда продемонстрировала, как обезьяна с имплантированным устройством производства Neuralink играет в ментальный пинг-понг на компьютере. В этом году специальная команда инженеров и нейробиологов продемонстрировала текущий прогресс устройства Neuralink, потенциальные приложения и будущие перспективы компании на шоу и рассказала, что это произошло 30 ноября 2022 года. Илон, председательствовавший на встрече , также упомянул, что компания обратилась в FDA за разрешением на использование устройства людьми и ожидает получить ответ от агентства примерно через шесть месяцев. В прошлом году команда продемонстрировала, как обезьяна с имплантированным устройством производства Neuralink играет в ментальный пинг-понг на компьютере. В этом году специальная команда инженеров и нейробиологов продемонстрировала текущий прогресс устройства Neuralink, потенциальные приложения и будущие перспективы компании на шоу и рассказала, что это произошло 30 ноября 2022 года. Илон, председательствовавший на встрече , также упомянул, что компания обратилась в FDA за разрешением на использование устройства людьми и ожидает получить ответ от агентства примерно через шесть месяцев.

Текущий прогресс

В этом году команда показала и рассказала, как обезьяна перемещает курсор на экране компьютера, чтобы выбрать выделенный текст на виртуальной клавиатуре, используя только свою умственную деятельность. Хотя обезьяна не умеет писать и обучена только выбирать выделенную клавишу, человек с параличом нижних конечностей или параличом нижних конечностей может использовать это устройство для письма и навигации на компьютере, просто используя свою мозговую деятельность. 1024-канальное устройство N1, изготовленное на основе гибких тонкопленочных массивов, называемых «нитями», со встроенными электродами, было имплантировано в мозг обезьяны. Устройство передает нейронную активность в программное обеспечение по беспроводной сети для дальнейшего анализа и расшифровки.

Робот R1 и хирургическая техника

Робот R1, похожий на швейного робота, может проводить безопасные и масштабируемые операции благодаря своим возможностям, таким как точный захват и введение, точное отслеживание движения мозга и избегание сосудов. Они также установили на иглу оптический стек, который состоял из трех частей: подсветки для просмотра видимого изображения, системы лазерной интерферометрии ОКТ (оптическая когерентная томография), которая обеспечивала точное положение мозга во время его движения в режиме реального времени, и визуальное изображение области мозга, куда нужно было вставить нить. В настоящее время робот R1 только вставляет нити, что оставляет нейрохирургам краниэктомию — удаление небольшой части черепа для обнажения твердой мозговой оболочки, а затем отслаивание небольшой части твердой мозговой оболочки для обнажения области мозга. В настоящее время команда работает над тем, чтобы автоматизировать краниэктомию или процесс разрезания черепа, чтобы добраться до твердой мозговой оболочки, для робота R1 следующего поколения. Также была показана живая демонстрация робота, внедряющего потоки в прокси-сервер мозга.

Обнаружение пиков

Устройству N1 требуется энергия, как и любому другому электронному гаджету, чтобы записывать нейронную активность и отправлять ее в программное обеспечение для расшифровки и выполнения задачи. Инженеры смогли снизить энергопотребление чипа до 32 мВ, включив модуль обнаружения всплесков, который позволяет передавать в программное обеспечение события всплесков, а не необработанную нейронную активность, тем самым достигая желаемой функциональности при меньшем потреблении энергии. Это достигается путем применения полосового фильтра с частотным диапазоном 500 Гц — 5 кГц к необработанной мозговой активности, а затем создания адаптивного порога на основе оценки минимального уровня шума для каждого отдельного канала. Модуль детектора спайков может обнаруживать не только наличие спайка, но и его приблизительную форму, определяя три точки на спайке: левую, среднюю и правую. Это имеет решающее значение для различения групп нейронов, примыкающих к одному каналу. Используя эту технику, они также сократили доступ к памяти на 30% внутри чипа.

Зарядка батареи

Аккумулятор устройства N1 также отличается рядом впечатляющих нововведений. Беспроводная передача энергии используется для зарядки встроенного аккумулятора. Учитывая, что он был прикреплен к имплантату в мозгу, пришлось преодолеть несколько трудностей. Система должна работать в широком зарядном объеме, не полагаясь на магниты для выравнивания. Кроме того, внешняя поверхность имплантата, соприкасающаяся с мозговой тканью, не должна нагреваться выше 2 градусов Цельсия, а также должна быть устойчива к разрушению и высоким скоростям заряда. В своей текущей итерации аккумуляторная батарея использует алюминиевый корпус, схему возбуждения, работающую на частоте 6,78 МГц, выносную катушку, которую можно снять, более высокие частоты переключения и лучшее соединение катушек. Чтобы ускорить процесс зарядки,

Нейронное декодирование

Траектория курсора предсказывается на основе нейронной активности путем пропускания ее через нейронную сеть, обученную декодировать скорость курсора, называемую нейронным декодером. Сначала декодер обучается на импульсных событиях, поступающих от устройства N1, в то время как обезьяна перемещает указатель с помощью джойстика. Скорость курсора предсказывается с помощью декодера для отображения траектории курсора. Хотя печатать на виртуальной клавиатуре быстро, это не так быстро, как печатать десятью пальцами на обычной клавиатуре. Вдохновленные исследователями из Стэнфорда, которые разработали модель глубокого обучения для расшифровки почерка человека, используя его мозговую деятельность, команда попыталась расшифровать траекторию движения руки обезьяны, когда она прослеживала цифры и символы на экране. С помощью классификатора почерка мы можем сделать вывод, какой символ представляет траектория.

Надежность BCI

Учитывая динамическую природу активности мозга, между сеансами и даже между днями могут возникать колебания. Поэтому производительность декодера может сильно различаться между сеансами, что делает BCI ненадежным. Чтобы преодолеть это, данные собираются в течение нескольких дней, чтобы научить декодер распознавать правильную закономерность в изменчивости. Другой подход, который они используют для решения этой проблемы, заключается в непрерывном сборе статистики нейронной активности на имплантате и использовании последних оценок для предварительной обработки набора данных перед их подачей в декодер. Ненадежность устройства еще больше усугубляется длительной задержкой, необходимой для того, чтобы мозговой всплеск повлиял на положение указателя мыши на экране. Использование фазовой блокировки гарантирует точное и легкое перемещение курсора. Фаза синхронизирует время начала каждого пакета, отправляемого с имплантата, чтобы совпасть с активацией радиомодуля Bluetooth. В результате всплеск мозга подается в конвейер прогнозирования с минимально возможной задержкой.

Будущие обновления в устройстве следующего поколения

В настоящее время команда Neuralink разрабатывает улучшенные версии устройства N1 и робота R1, чтобы сделать систему BCI более удобной, эффективной и надежной для человека. Одно из возможных улучшений в будущем — сделать устройство легко взаимозаменяемым в случае каких-либо обновлений после того, как оно было имплантировано в мозг. После удаления твердой мозговой оболочки текущее устройство N1 должно быть имплантировано непосредственно в поверхность головного мозга, что делает замену устройства чрезвычайно сложной задачей из-за образования вокруг имплантата трудноудаляемой тканевой капсулы. Команда Neuralink работает над решением этой проблемы, разрабатывая устройство, которое не требует удаления твердой мозговой оболочки, а вместо этого имплантируется поверх нее. Это также делает операцию более безопасной и простой. Однако, это создает свои собственные трудности, поскольку твердая мозговая оболочка представляет собой плотную сеть коллагеновых волокон, что затрудняет введение нитей и визуализацию инъецируемого участка. Итерации дизайна иглы тестируются, чтобы найти наилучшую возможную структуру для введения нити через твердую мозговую оболочку в мозг. Группа разрабатывает уникальное оптическое устройство визуализации, которое может отображать кровеносные сосуды под кожей с помощью флуоресцентного красителя, который в настоящее время используется в медицинской практике. Кроме того, группа работает над улучшением прокси мозга путем создания синтетического материала, который физически, химически и структурно напоминает ткани человека. Они опробуют различные конструкции игл и хирургические процедуры на этом манекене мозга, прежде чем подвергнуть животное экспериментальным испытаниям.

Возможные применения

Восстановление зрения

Нынешнее устройство Neuralink может восстановить зрение у людей, потерявших зрение из-за травмы глаза или других заболеваний. В дополнение к захвату мозговой активности устройство также может моделировать нейроны, вводя токи в канал. Это облегчает создание мысленных образов без использования глаз. Огромное количество электродов в устройстве также способствует восстановлению зрения, так как чем больше электродов, тем выше плотность создаваемого изображения. Зрительная часть мозга расположена глубоко внутри мозга; поэтому робот может вводить нить прямо в эту область, что делает устройство идеальным для зрительных протезов. Результаты многих исследований в области зрительной неврологии показали, что один нейрон в зрительной коре головного мозга отражает небольшую часть поля зрения. Наше восприятие состоит из набора крошечных рецептивных полей, принадлежащих каждой клетке зрительной коры. Каждая ячейка представлена ​​виртуальным пикселем, который зритель может воспринимать даже без визуальной помощи посредством прямого моделирования. Чтобы это можно было использовать в качестве зрительного протеза, симуляцию одной клетки необходимо масштабировать до множества ячеек, каждая из которых будет представлять другую часть поля зрения. Чтобы это работало, камера с высоким разрешением будет фиксировать сцену перед пользователем, а затем изображение будет переведено в схему электрической стимуляции для зрительного мозга. Цель команды в отношении гаджета следующего поколения — включить электроды 16K; это позволило бы преобразовать изображение в 32 000 точек, которые можно было бы активировать в коре головного мозга, если бы устройство было приспособлено как к левой, так и к правой коре.

Приложение для спинного мозга

Поскольку двигательные намерения проходят через спинной мозг к мышцам, человек с травмой спинного мозга теряет способность передавать эти намерения от головного мозга к целевым мышцам для реального движения. Устройство N1 может обеспечить соответствующую стимуляцию нейронов в спинном мозге, которая может активировать последующую мышцу, позволяя человеку с травмой спинного мозга легко взаимодействовать с окружающей средой и двигаться. Для этого команда исследовала активность спинного мозга, активность моторной коры и углы соединения, чтобы расшифровать модель симуляций, которые могут вызывать сокращение мышц. Они также исследовали возможность моделирования нейронов соматосенсорной коры для обеспечения тактильной обратной связи. Нити моторной коры регистрируют спайки, которые декодируются в шаблон моделирования, а затем передаются по беспроводной сети в режиме реального времени на устройство спинного мозга, чтобы активировать соответствующую мышцу и вызвать движение. В идеальном замкнутом цикле сенсорная информация в спинном мозге фиксируется в виде спайков, декодируется в паттерны стимуляции и передается на устройство в головном мозге, где она стимулирует соматосенсорную кору, чтобы дать человеку ощущение прикосновения.

Трансляция всего мероприятия здесь . Что вы думаете о текущем прогрессе и будущих перспективах Neuralink? Дайте нам знать в разделе комментариев.

Первоначально опубликовано на https://thebrainybits.com 4 декабря 2022 г.