Ten implant mózgowy na bazie grafenu może zajrzeć głęboko do mózgu z jego powierzchni

Ten implant mózgowy na bazie grafenu może zajrzeć głęboko do mózgu z jego powierzchni

Znacznik czasu: 11 stycznia 2024 2:45
Ten oparty na grafenie implant mózgowy może zaglądać głęboko do mózgu z jego powierzchni Inteligencja danych PlatoBlockchain. Wyszukiwanie pionowe. AI.

Znalezienie sposobów ograniczenia inwazyjności implanty mózgowe mogłyby znacznie rozszerzyć ich potencjalne zastosowania. Nowe urządzenie testowane na myszach, które znajduje się na powierzchni mózgu – ale nadal może odczytywać aktywność w głębi mózgu – może prowadzić do bezpieczniejszych i skuteczniejszych sposobów odczytywania aktywności neuronowej.

Istnieje już wiele technologii, które pozwalają nam zajrzeć do wewnętrznego funkcjonowania mózgu, ale wszystkie mają swoje ograniczenia. Do metod małoinwazyjnych zalicza się m.in funkcjonalny MRI, gdzie skaner MRI służy do obrazowania zmian przepływu krwi w mózgu, oraz EEG, gdzie elektrody umieszczone na skórze głowy służą do odbierania sygnałów elektrycznych mózgu.

Pierwsza metoda wymaga jednak od pacjenta siedzenia w aparacie MRI, a druga jest zbyt nieprecyzyjna dla większości zastosowań. Złoty standard polega na umieszczeniu elektrod głęboko w tkance mózgowej w celu uzyskania odczytów najwyższej jakości. Wymaga to jednak ryzykownego zabiegu chirurgicznego, a blizny i nieuniknione przesunięcie elektrod mogą z czasem prowadzić do pogorszenia sygnału.

Inne podejście polega na umieszczeniu elektrod na powierzchni mózgu, co jest mniej ryzykowne niż głębokie implanty mózgowe, ale zapewnia większą dokładność niż metody nieinwazyjne. Zazwyczaj jednak urządzenia te potrafią odczytywać jedynie aktywność neuronów w zewnętrznych warstwach mózgu.

Teraz naukowcy opracowali cienki, przezroczysty implant powierzchniowy z elektrodami wykonanymi z grafenu, który potrafi odczytywać aktywność neuronów głęboko w mózgu. Podejście to opiera się na uczeniu maszynowym w celu odkrycia zależności między sygnałami w warstwach zewnętrznych a sygnałami znajdującymi się głęboko pod powierzchnią.

„Dzięki tej technologii poszerzamy zasięg przestrzenny nagrań neuronowych” – powiedział Duygu Kuzum, profesor na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego, który kierował badaniami, powiedział w informacja prasowa. „Mimo że nasz implant znajduje się na powierzchni mózgu, jego konstrukcja wykracza poza granice fizycznego wykrywania, ponieważ może wnioskować o aktywności neuronowej z głębszych warstw”.

Samo urządzenie jest wykonane z cienkiego paska polimeru z gęstym układem maleńkich elektrod grafenowych o średnicy zaledwie 20 mikrometrów i połączonych ultracienkimi drutami grafenowymi z płytką drukowaną. Autorzy twierdzą, że skurczenie elektrod grafenowych do tego rozmiaru jest niemałym wyzwaniem, gdyż podnosi ich impedancję i zmniejsza czułość. Udało im się obejść ten problem, stosując dostosowaną do indywidualnych potrzeb technikę wytwarzania, polegającą na osadzaniu cząstek platyny na elektrodach w celu zwiększenia przepływu elektronów.

Co najważniejsze, zarówno elektrody, jak i pasek polimerowy są przezroczyste. Kiedy zespół wszczepił urządzenie myszom, badacze byli w stanie prześwietlić implant światłem laserowym, aby zobrazować komórki znajdujące się głębiej w mózgach zwierząt. Umożliwiło to jednoczesne rejestrowanie energii elektrycznej z powierzchni i optycznie z głębszych obszarów mózgu.

W nagraniach tych zespół odkrył korelację między aktywnością w warstwach zewnętrznych i wewnętrznych. Postanowili więc sprawdzić, czy mogliby wykorzystać uczenie maszynowe do przewidywania jednego na podstawie drugiego. Wytrenowali sztuczną sieć neuronową na podstawie dwóch strumieni danych i odkryli, że może ona przewidywać aktywność jonów wapnia – wskaźnika aktywności neuronowej – w populacjach neuronów i pojedynczych komórek w głębszych obszarach mózgu.

Stosowanie podejść optycznych do pomiaru aktywności mózgu to potężna technika, ale wymaga unieruchomienia głowy osoby badanej pod mikroskopem i pozostawienia czaszki otwartej, co sprawia, że ​​odczytywanie sygnałów w realistycznych sytuacjach jest niepraktyczne. Możliwość przewidzenia tych samych informacji wyłącznie na podstawie powierzchniowych odczytów elektrycznych znacznie zwiększyłaby praktyczność.

„Nasza technologia umożliwia prowadzenie dłuższych eksperymentów, podczas których badany może swobodnie się poruszać i wykonywać złożone zadania behawioralne” – powiedział Mehrdad Ramezani, współpierwszy autor badania papier w Natura Nanotechnologia na badaniach. „Może to zapewnić pełniejsze zrozumienie aktywności neuronowej w dynamicznych, rzeczywistych scenariuszach”.

Jednak technologia ta jest jeszcze daleka od zastosowania u ludzi. Obecnie zespół wykazał jedynie zdolność uczenia się korelacji między sygnałami optycznymi i elektrycznymi zarejestrowanymi u poszczególnych myszy. Jest mało prawdopodobne, że model ten mógłby zostać wykorzystany do przewidywania głębokiej aktywności mózgu na podstawie sygnałów powierzchniowych u innej myszy, nie mówiąc już o osobie.

Oznacza to, że zanim to podejście zadziała, wszystkie osoby będą musiały przejść dość inwazyjny proces gromadzenia danych. Autorzy przyznają, że pozostaje jeszcze wiele do zrobienia, aby znaleźć powiązania wyższego poziomu między danymi optycznymi i elektrycznymi, które umożliwiłyby uogólnianie modeli na poszczególne osoby.

Biorąc jednak pod uwagę szybki postęp w technologii wymaganej do przeprowadzania zarówno optycznych, jak i elektrycznych odczytów mózgu, może nie minąć dużo czasu, zanim podejście to stanie się bardziej wykonalne. Ostatecznie mogłoby to zapewnić lepszą równowagę między wiernością a inwazyjnością niż konkurencyjne technologie.

Źródło zdjęcia: Cienki, przezroczysty, elastyczny implant mózgowy umieszcza się na powierzchni mózgu, aby uniknąć jego uszkodzenia, ale przy pomocy sztucznej inteligencji nadal może wnioskować o aktywności głęboko pod powierzchnią. Szkoła Inżynierii Davida Baillota/UC San Diego Jacobs

Znak czasu:

Więcej z Centrum osobliwości