DARPA chce odczytywać sygnały z miliona neuronów

Rys. 1. Jeden system złożony z wielu implantów połączonych za pomocą mikroprzewodów utworzy interfejs dla miliona neuronów

Amerykańska agencja DARPA jest znana z rzucania wielkich wyzwań. Mimo to zadanie związane z nowym programem Neural Engineering System Design może wydać się szokujące: polega na stworzeniu implantów w mózgu, które będą w stanie zarejestrować sygnały o dużej dokładności z miliona neuronów.

Najlepsze istniejące obecnie implanty mózgu, jak eksperymentalny system pozwalający sparaliżowanemu człowiekowi kontrolować robotyczne ramię, zbierają sygnały z zaledwie kilkuset neuronów. Rejestracja sygnałów z miliona neuronów pozwoliłoby uzyskać znacznie bogatszy sygnał, który umożliwiłby lepszą kontrolę zewnętrznych urządzeń, takich jak wózki inwalidzkie, roboty i kursory  na ekranie komputera.

Co więcej, program DARPA wymaga komunikacji dwukierunkowej: implanty muszą nie tylko rejestrować sygnały, ale też mieć możliwość przesłania sygnałów wygenerowanych przez komputer do neuronów. Taka funkcja pozwoliłaby na przykład dostarczyć sygnał wizualny ludziom pozbawionych wzroku, lub sygnał dźwiękowy ludziom głuchym.

Agencja ogłosiła właśnie sześć zwycięskich zespołów, które otrzymały grant w ramach programu NESD. W komunikacie prasowym DARPA oznajmia, że nawet cel 1 miliona neuronów stanowić będzie jedynie punkt początkowy. „Milion neuronów to zaledwie mały procent spośród 86 miliardów neuronów znajdujących się w ludzkim mózgu. Jego bardziej złożone właściwości pozostaną tajemnicą jeszcze przez długi czas.” – stwierdził Philip Alvelda, który zapoczątkował ten program w styczniu. „Jeśli jednak uda nam się dostarczyć bogate bodźce zmysłowe bezpośrednio do mózgu, program NESD umożliwi rozwój różnego typu terapii neurologicznych.”

Jednym z zespołów, które podjęły się tego wyzwania, jest startup z Doliny Krzemowej Paradromics. Szef firmy Matt Angle zakomunikował, że jego firma opracowuje urządzenia o nazwie Neural Input-Output Bus (NIOB), które wykorzysta wiązki mikroprzewodów z elektrodami, aby połączyć się z neuronami. Dzięki czterem wiązkom zawierającym w sumie 200 tysięcy mikroprzewodów NIOB byłby w stanie rejestrować dane lub symulować milion neuronów.

„Mikroprzewody z elektrodami były stosowane od lat 50., jednak tradycyjne rozwiązania nie są skalowalne.” – powiedział Angle podczas wywiadu z IEEE Spectrum. W istniejących systemach trzeba podłączyć każdy przewód lub mikroprzewód do jednego wzmacniacza. Gdybyśmy chcieli użyć 100 tysięcy przewodów, oznaczałoby to bardzo dużo lutowania dla studentów.” – Dodaje żartem.

Firma Paradromic obeszła ten problem poprzez takie spiłowanie jednego końca wiązki mikroprzewodów, aby stał się on bardzo płaski. Wówczas całą wiązkę można przymocować do macierzy wzmacniaczy CMOS. „”Upewniliśmy się, że prawdopodobieństwo tego, że pojedynczy przewód uzyska kontakt z padem CMOS jest bardzo, bardzo wysokie.” – tłumaczy Angle. „Jeśli jednak do kilku miejsc przewody nie dotrą, nie będzie to miało większego znaczenia.”

Rys. 2. Paradomics wykorzysta wiązki mikroprzewodów z elektrodami, aby podłączyć się do neuronów (źródło: Paradromics)

 

Rys. 3. Każdy mikroprzewód w wiązce ma średnicę mniejszą, niż 20 mikrometrów (źródło: Mina Ganna i Abdul Obaid z Uniwersytetu Stanforda)

Jak zawsze DARPA podkreśla praktyczne zastosowanie technologii. Gdy za cztery lata program NESD zostanie zakończony, zespoły powinny mieć gotowe, działające prototypy, które można wykorzystać w terapiach mających na celu przywrócenie zmysłów.

Celem firmy Paradromics jest zapewnienie możliwości mowy. Mikroprzewody układu NIOB będą rejestrować sygnały z obszaru mózgu zwanego zakrętem skroniowym górnym, który jest odpowiedzialny za dekodowanie mowy na poziomie dźwięków zwanym fonemami (semantyką na wyższym poziomie zajmują się inne obszary mózgu).

Firma inspirowała się badaniami neurologa Roberta Knight z Uniwersytetu Berkeley. Udowodnił on, że gdy ludzie czytają na głos lub w myślach, sygnał z ich neuronów zakrętu skroniowego górnego może zostać wykorzystany do rekonstrukcji wyrazów. To odkrycie sugeruje, że użytkownik mógłby sobie wyobrazić wymawianie pewnej frazy, a na tej podstawie implant w mózgu odtwarzałby sygnał przekazywany następnie do syntezatora mowy. Choć firma Paradromics wybrała ten właśnie cel do realizacji ze wsparciem programu DARPA, opracowany sprzęt mógłby posłużyć do wielu innych zastosowań opartych na interfejsie neuronów. Poszczególne rozwiązania różniłyby się umieszczeniem implantów i oprogramowaniem służącym do dekodowania sygnałów.

Paradromics musi wpierw zmierzyć się z dużymi wyzwaniami. Angle wyobraża sobie szeregi implantowanych czipów, każdy przymocowany do 50.000 mikroprzewodów. Będą one wysyłać dane do jednego centralnego nadajnika umieszczonego na powierzchni czaszki, pod skórą. Aby efektywnie obsłużyć wszystkie te dane, implantowany system będzie musiał zrealizować pewne przetwarzanie. „Musimy już wewnątrz ciała podjąć decyzję na temat danych, które zostaną wysłane na zewnątrz. Nie da się bowiem wysłać danych w postaci cyfrowej z szybkością 50 GB na sekundę.” Układ nadawczy musi następnie przesłać te dane bezprzewodowo do układu umieszczonego na powierzchni skóry, a jednocześnie bezprzewodowo odbierać z niego moc.

Pozostałe pięć zespołów, które wygrały granty NESD, rozwijają systemy wizyjne, system mowy i zmysł dotyku. Zespół z Uniwersytetu Browna, kierowany przez inżyniera-neurologa Arto Nurmikko, pracuje nad systemem zastępującym mowę, który będzie oparty na dziesiątkach tysięcy niezależnych „neuroziaren”, każde z nich wielkości ziarnka soli. Te ziarna będą się łączyć z pojedynczymi neuronami i wysyłać dane do jednej elektronicznej łatki, która zostanie przyczepiona do głowy lub umieszczona pod skórą.

Rys. 4. Zespół z Uniwersytetu Brown opracowuje system wykorzystujący sieć niezależnych „neuroziaren” (źródło: Uniwersytet Brown)

W e-mailu Nurmikko opisał, jak jego zespół mierzy się z takimi wyzwaniami, jak implantacja neuroziaren, ich hermetyczne zamknięcie i bezpieczeństwo, a także przetwarzanie ogromnej ilości generowanych przez nie danych. Jednak największym wyzwaniem może być zmuszenie 10 lub 100 tysięcy neuroziaren do pracy jako jedne spójny system telekomunikacyjny, który dostarcza sensowne dane.

„Nawet sto tysięcy takich ziaren nie pozwoliłoby na dotarcie do wszystkich neuronów – i wcale nie o to nam chodzi.” – pisze Nurmikko. „Chcemy móc nasłuchiwać wystarczająco dużej liczby neuronów, aby zrozumieć na przykład, jak ośrodek słuchu przetwarza określoną piosenkę. Dzięki temu uzyskamy wgląd zarówno w odbiór muzyki, jak i odbiór słów.”

O autorze