Možganski računalniški vmesniki (BCI) so hitro razvijajoči se pripomoček, ki ljudem s poškodbami možganov ali hrbtenjače pomagajo pri premikanju ali komunikaciji. Omogčajo nov način vplivanja na delovanje možganov od zunaj. Ključni za sistem BCI so nevronski senzorji, ki jih vgradijo v možgane. Beležijo električne signale v njih in jih prenesejo v zunanje naprave – na primer robotizirane proteze.
Večina sedanjih sistemov BCI uporablja enega ali dva nevronska senzorja za vzorčenje do nekaj sto nevronov, potrebno pa jih bi bilo zajeti bistveno več. Skupina raziskovalcev Univerze Brown je naredila ključni korak k temu. Razvili so mrežo, v katero so povezali množico mikroskopskih nevronskih senzorjev (vsak je velik kot zrnce soli). Vgradijo jih v možgane (najnovejše tehnike omogočajo neinvazivne načine) za beleženje in/ali spodbujanje možganske aktivnosti.
Nova spoznanja o delovanju možganov
Nevrozrna neodvisno beležijo električne impulze, ki nastanejo pri sprožanju nevronov, in brezžično pošiljajo signale v osrednje vozlišče, ki koordinira in obdeluje signale. V študiji, objavljeni v Nature Electronics, je raziskovalna skupina opisala uporabo skoraj 50 takšnih avtonomnih nevrozrn za beleženje nevronske aktivnosti pri podganah. Gre za pomemben korak, ki bo – tako upajo raziskovalci, prinesel nova spoznanja o delovanju možganov ter pospešil razvoj novih terapij za ljudi s hudimi poškodbami možganov in hrbtenjače – ki jim medicina trenutno ne more pomagati.
Nevrozrna neodvisno beležijo električne impulze, ki nastanejo pri sprožanju nevronov, in brezžično pošiljajo signale v osrednje vozlišče, ki koordinira in obdeluje signale Foto: Jihun Lee, Brown University
Sprejemnik signalov tanek obliž v velikosti palca
Doslej je bila večina BCI monolitnih naprav. Ideja je bila razbiti ta monolit v drobne senzorje, ki bi jih lahko porazdelili po možganski skorji. Izziv je bil dvojni, pravijo avtorji. Ekipa je najprej oblikovala in simulirala elektroniko v računalniku ter opravila več ponovitev izdelave za razvoj delujočih senzorjev. Drugi izziv je bil razvoj vozlišča, ki sprejema signale iz teh drobnih nevrozrn. Naprava je tanek obliž velikosti palca, ki se pritrdi na lasišče zunaj lobanje. Njegovo delovanje si lahko predstavljamo kot miniaturni stolp mobilnega telefona, ki uporablja omrežni protokol za koordinacijo signalov. Obliž sočasno brezžično napaja tudi nevrozrna, ki so zasnovana za delovanje z minimalno količino energije.
Trenutne omejitve 770 nevrozrn, cilj: vgraditi jih nekaj tisoč
Cilj je bilo dokazati, da lahko sistem beleži nevronske signale iz živih možganov – v tem primeru iz možganov podgan. Ekipa je na možgansko skorjo njihovih možganov pritrdila 48 nevrozrn in uspešno zabeležila značilne nevronske signale, povezane s spontano možgansko aktivnostjo. Testirali so tudi sposobnost naprave, da stimulira možgansko aktivnost in jo posname. »Stimulacijo izvajamo z drobnimi električnimi impulzi, ki aktivirajo nevronsko aktivnost. Stimulacijo poganja isto vozlišče, kot usklajuje nevronsko snemanje in bi nekega dne lahko obnovilo delovanje možganov, trajno okvarjeno zaradi bolezni ali poškodb,« pravijo avtorji.
Čeprav so zaradi fizične omejitve (velikosti možganov) število nevrozrn omejili na 48, sistem trenutno omogča vgraditev do 770 nevrozrn. Dolgoročni cilj je vgraditev več tisoč nevrozrn. Da bi celoten sistem postal uporaben tudi pri ljudeh, bo potrebnega še veliko dela, vendar, so prepričani avtorji, študija predstavlja ključni korak v tej smeri.
Vir: Lee, J., Leung, V., Lee, AH. et al. Neural recording and stimulation using wireless networks of microimplants. Nat Electron, Apr 2021. https://doi.org/10.1038/s41928-021-00631-8
