Kā viedie putekļi varētu izspiegot jūsu smadzenes

Smadzeņu darbības reāllaika uzraudzība pēdējos gados ir strauji attīstījusies. Tas lielā mērā ir pateicoties dažādām jaunajām tehnoloģijām, kas var uzraudzīt neironu grupu kolektīvo uzvedību, piemēram, funkcionālās magnētiskās rezonanses attēlveidošanai, magnetoencefalopātijai un pozitronu emisijas tomogrāfijai.

Šis darbs maina mūsu izpratni par smadzeņu struktūru un uzvedību. Tas ir arī novedis pie jaunas smadzeņu un mašīnu saskarņu inženierijas disciplīnas, kas ļauj cilvēkiem vadīt mašīnas tikai ar domu.

Lai arī šīs metodes ir iespaidīgas, tās visas cieš no tādiem raksturīgiem ierobežojumiem kā ierobežota telpiskā izšķirtspēja, pārnesamības trūkums un ārkārtēja invazivitāte.

Šodien Dongjins Seo un draugi Kalifornijas Bērklija universitātē atklāj pilnīgi jaunu veidu, kā pētīt un mijiedarboties ar smadzenēm. Viņu ideja ir iekaisīt garozā elektroniskos sensorus putekļu daļiņu lielumā un attālināti nopratināt tos, izmantojot ultraskaņu. Ultraskaņa nodrošina arī šo tā saukto nervu putekļu spēku.

Katra nervu putekļu daļiņa sastāv no standarta CMOS shēmām un sensoriem, kas mēra elektrisko aktivitāti tuvumā esošajos neironos. Tas ir savienots ar pjezoelektrisko materiālu, kas pārvērš īpaši augstas frekvences skaņas viļņus elektriskos signālos un otrādi.

Neironu putekļus nopratina cits komponents, kas atrodas zem skalas, bet tiek darbināts no ārpuses. Tas rada ultraskaņu, kas darbina nervu putekļus un sensorus, kas klausās to reakciju, gluži kā RFID sistēma.

Sistēma ir arī bez piesiešanas — dati tiek savākti un glabāti ārpus ķermeņa, lai vēlāk tos analizētu.

Tas novērš daudzus ierobežojumus. Sistēmai ir mazāka jauda, ​​tai var būt augsta telpiskā izšķirtspēja, un tā ir viegli pārnēsājama. Tas ir arī izturīgs un potenciāli var nodrošināt saiti ilgu laiku. Galvenais šķērslis smadzeņu un mašīnu saskarnēs (ĶMI) ir implantējamas neironu saskarnes sistēmas trūkums, kas paliek dzīvotspējīgs visu mūžu, saka SEO un co.

Grūtības ir šādas sistēmas izstrādē un izveidē, un šodienas raksts ir šo izaicinājumu teorētiskais pētījums. Pirmkārt, problēma ir tāda neironu putekļu daļiņu projektēšana un izveidošana aptuveni 100 mikrometru mērogā, kas var nosūtīt un saņemt signālus skarbajā, siltajā un trokšņainā ķermeņa vidē.

Tāpēc Seo un co datu sūtīšanai un saņemšanai ir izvēlējušies ultraskaņu. Viņi aprēķina, ka jauda, ​​kas nepieciešama elektromagnētisko viļņu izmantošanai skalā, radītu kaitīgu siltuma daudzumu ķermeņa absorbētās enerģijas daudzuma un satraucošo signāla un trokšņa attiecību dēļ šajā mērogā.

Turpretim ultraskaņa ir daudz efektīvāka, un tai jāļauj pārraidīt vismaz 10 miljonus reižu lielāku jaudu nekā elektromagnētiskajiem viļņiem tādā pašā mērogā.

Nākamā ir problēma, kas saistīta ar elektronikas savienošanu ar pjezoelektrisko sistēmu, kas pārvērš ultraskaņu elektroniskajos signālos un otrādi. Sistēmas efektīvas darbības nodrošināšana būs sarežģīta, jo tai jābūt iepakotai inertā polimēra vai izolatora plēvē (kurai arī jāpakļauj ierakstīšanas elektrodi blakus esošajiem neironiem).

Visbeidzot, ir izaicinājums izstrādāt un izveidot nopratināšanas sistēmu, kas ģenerē ultraskaņu, lai darbinātu visu masīvu, bet ar pietiekami zemu jaudu, lai izvairītos no galvaskausa un smadzeņu sasilšanas.

Papildus tam visam ir papildu izaicinājums implantēt neirālās putekļu daļiņas garozā. SEO un co saka, ka to, iespējams, var izdarīt, izveidojot putekļu daļiņas uz smalka stiepļu bloka galiem, ko, piemēram, notur virsmas spraigums. Šis masīvs tiks iegremdēts garozā, kur putekļu daļiņas tiek iegultas.

Tā ir vērienīga vīzija, kas ir pilna ar izaicinājumiem, kas pārsniedz jaunākās tehnoloģijas. Tomēr komandai ir spēcīga pieredze nanoelektromehāniskajās sistēmās un saskarnē starp elektroniskajām sistēmām un šūnām.

Patiešām, viens no autoriem Mišels Maharbizs pirms dažiem gadiem izstrādāja pasaulē pirmo attālināti vadāmo vaboli, kuru Technology Review nosauca par vienu no 2009. gada top 10 jaunākajām tehnoloģijām.

Šie puiši acīmredzami nebaidās pieņemt lielus izaicinājumus. Būs interesanti redzēt, kā viņiem veiksies.

Atsauce: arxiv.org/abs/1307.2196 : Neironu putekļi: ultraskaņas mazjaudas risinājums hroniskām smadzeņu un mašīnu saskarnēm

paslēpties