211service.com
Jak by chytrý prach mohl špehovat váš mozek
Monitorování mozkových funkcí v reálném čase v posledních letech pokročilo mílovými kroky. Je to z velké části díky různým novým technologiím, které dokážou monitorovat kolektivní chování skupin neuronů, jako je funkční magnetická rezonance, magnetoencefalopatie a pozitronová emisní tomografie.
Tato práce přináší revoluci do našeho chápání toho, jak je mozek strukturován a jak se chová. To také vedlo k nové inženýrské disciplíně rozhraní mozek-stroj, která lidem umožňuje ovládat stroje pouze myšlenkou.
I když jsou tyto techniky působivé, všechny trpí přirozenými omezeními, jako je omezené prostorové rozlišení, nedostatečná přenositelnost a extrémní invazivita.
Dnes Dongjin Seo a kamarádi z Kalifornské univerzity v Berkeley odhalují zcela nový způsob studia a interakce s mozkem. Jejich myšlenkou je nasypat do kůry elektronické senzory velikosti prachových částic a na dálku je vyslechnout pomocí ultrazvuku. Ultrazvuk také pohání tento takzvaný nervový prach.
Každá částice nervového prachu se skládá ze standardních obvodů CMOS a senzorů, které měří elektrickou aktivitu v blízkých neuronech. To je spojeno s piezoelektrickým materiálem, který převádí ultravysokofrekvenční zvukové vlny na elektrické signály a naopak.
Nervový prach je zkoumán jinou součástí umístěnou pod váhou, ale napájenou z vnějšku těla. To generuje ultrazvuk, který napájí nervový prach a senzory, které naslouchají jejich reakci, spíše jako systém RFID.
Systém je také bez připojení – data se shromažďují a ukládají mimo tělo pro pozdější analýzu.
To obchází mnohá omezení. Systém má nižší spotřebu, může mít vysoké prostorové rozlišení a je snadno přenosný. Je také robustní a může potenciálně poskytovat spojení po dlouhou dobu. Hlavní překážkou v rozhraní mozek-stroj (BMI) je nedostatek implantovatelného systému neurálního rozhraní, který zůstane životaschopný po celý život, říkají Seo a spol.
Obtížnost spočívá v navrhování a budování takového systému a dnešní článek je teoretickou studií těchto výzev. Prvním je problém navrhování a vytváření nervových prachových částic v měřítku zhruba 100 mikrometrů, které mohou odesílat a přijímat signály v drsném, teplém a hlučném prostředí v těle.
To je důvod, proč Seo a spol. zvolili ultrazvuk pro odesílání a přijímání dat. Počítají, že energie potřebná k použití elektromagnetických vln na stupnici by generovala škodlivé množství tepla kvůli množství energie, kterou tělo absorbuje, a znepokojivým poměrům signálu k šumu na této stupnici.
Naproti tomu ultrazvuk je mnohem účinnější a měl by umožnit přenos alespoň 10milionkrát většího výkonu než elektromagnetické vlny ve stejném měřítku.
Dále je problém propojení elektroniky s piezoelektrickým systémem, který převádí ultrazvuk na elektronické signály a naopak. Zajistit, aby systém fungoval efektivně, bude složité, protože musí být zabalen do inertního polymeru nebo izolačního filmu (který musí také vystavit záznamové elektrody blízkým neuronům).
Konečně je tu výzva navrhnout a postavit dotazovací systém, který generuje ultrazvuk pro napájení celého pole, ale při dostatečně nízkém výkonu, aby se zabránilo zahřívání lebky a mozku.
Kromě toho je další výzvou implantace nervových prachových částic do kůry. Seo a spol. říkají, že to lze pravděpodobně provést vyrobením prachových částic na špičkách jemného drátěného pole, drženého na místě například povrchovým napětím. Toto pole by bylo ponořeno do kůry, kde se usadí prachové částice.
To je ambiciózní vize, která je plná výzev, které přesahují nejmodernější technologii. Tým má však silné zázemí v nanoelektromechanických systémech a v rozhraní mezi elektronickými systémy a buňkami.
Jeden z autorů, Michel Maharbiz, skutečně před několika lety vyvinul prvního dálkově ovládaného brouka na světě, tento vývoj byl jmenován jednou z 10 nejlepších nově vznikajících technologií roku 2009 podle Technology Review.
Tihle kluci se zjevně nebojí přijmout velké výzvy. Bude zajímavé sledovat, jak se jim bude dařit.
Ref: arxiv.org/abs/1307.2196 : Neurální prach: Ultrazvukové řešení s nízkou spotřebou energie pro chronická rozhraní mozek-stroj