Chip, który przesyła sygnały mózgu przez tkankę zamiast przez radio + test

• Mózg nadaje szybciej, niż da się odebrać
• Trzej wrogowie implantu
• Dane przez tkankę zamiast przez radio
• 500 Mb/s i prawie bez błędów
• Wysyłać tylko wtedy, gdy neurony „mówią”
• Bezpieczeństwo przede wszystkim
• Po co to wszystko
• Krótko mówiąc
• Pięć pytań: czy masz głowę do neurotechnologii? (test)

⇑Mózg nadaje szybciej, niż da się odebrać

Żeby implant mógł „podsłuchiwać” mózg, potrzebuje czujników. Coraz częściej są to matryce mikroelektrod o wysokiej gęstości, w skrócie MEA. Im więcej elektrod, tym dokładniejszy obraz tego, co robią neurony – i tym więcej danych do przesłania. W systemach z 1000 kanałów strumień informacji może przekraczać 300 Mb/s, a nadajnik, który ma go obsłużyć, siedzi w głowie pacjenta.

Problem nie polega więc na tym, że nie umiemy mierzyć aktywności mózgu. Polega na tym, jak bezpiecznie wydostać te dane na zewnątrz.

⇑Trzej wrogowie implantu

Inżynierowie projektujący urządzenia wszczepiane do mózgu mierzą się z kilkoma ograniczeniami naraz. Każde z osobna da się jakoś obejść, ale razem tworzą łamigłówkę, która od lat hamuje rozwój bezprzewodowych interfejsów:

• Zasilanie – implant musi pracować na bardzo skromnym budżecie energii, bo każde dodatkowe źródło zasilania czy przewód to kolejne ryzyko dla pacjenta.
• Szerokość pasma – setki megabitów na sekundę trzeba przesłać bezprzewodowo, a klasyczna łączność radiowa w tak małym urządzeniu szybko dochodzi do granic.
• Odprowadzanie ciepła – elektronika się nagrzewa, a tkanka mózgowa jest na temperaturę wyjątkowo wrażliwa.
• Rozmiar – wszystko musi się zmieścić w urządzeniu na tyle małym, by dało się je wszczepić jak najmniej inwazyjnie.

Więcej danych oznacza więcej energii, a więcej energii – więcej ciepła. Zespół projektu IoN (Intranet of Neurons), koordynowanego przez imec z Holandii, postanowił przeciąć to błędne koło z dwóch stron jednocześnie.

⇑Dane przez tkankę zamiast przez radio

Pierwszy pomysł dotyczy samego kanału transmisji. Zamiast fal radiowych badacze wykorzystali komunikację przez kanał ciała, czyli BCC (body channel communication). Jak opisuje artykuł CORDIS, takie łącze „wykorzystuje tkankę organizmu jako przewód do przesyłania danych bez użycia fal radiowych”.

W praktyce wygląda to tak: matryca elektrod leży pod oponą twardą – jedną z błon otaczających mózg – i może tam swobodnie „pływać”, bez kabla łączącego ją z resztą układu. Sygnał przechodzi przez oponę do odbiornika zakotwiczonego w niewielkim otworze w czaszce. Brak sztywnego połączenia ma znaczenie, bo mózg delikatnie się porusza, a przewody przy każdym takim mikroruchu mogą z czasem uszkadzać tkankę i prowadzić do powstawania blizn. Całe rozwiązanie jest przy tym minimalnie inwazyjne.

⇑500 Mb/s i prawie bez błędów

Pomysł trzeba było sprawdzić w warunkach możliwie bliskich rzeczywistym. Testy przeprowadzono w Erasmus Medical Center na głowach ludzkich zwłok. Wynik? Łącze osiągnęło prędkość 500 Mb/s, a liczba błędów spadła poniżej jednego na 100 000 przesłanych bitów.

Co ciekawe, system nie musiał przy tym pracować bez przerwy – działał w cyklu pracy wynoszącym 20%. Przez większość czasu mógł więc pozostawać bezczynny, a to oznacza mniejsze zużycie energii i mniej ciepła.

⇑Wysyłać tylko wtedy, gdy neurony „mówią”

Drugi filar projektu to inteligentna kompresja. Neurony nie są aktywne przez cały czas, a przesyłanie „ciszy” to marnowanie cennego pasma. Dlatego chip działa trochę jak czujnik ruchu: według opisu z artykułu system „przesyła dane tylko wtedy, gdy neurony są aktywne, a w pozostałych przypadkach pozostaje nieaktywny”.

Efekt robi wrażenie: ilość przesyłanych danych spada ponad dziesięciokrotnie. Mniej danych to niższe zużycie energii i mniejsze wymagania wobec łącza. Co najważniejsze, oszczędność nie odbywa się kosztem jakości – potencjały czynnościowe, czyli krótkie impulsy elektryczne, którymi porozumiewają się neurony, wciąż są rejestrowane w wysokiej jakości.

⇑Bezpieczeństwo przede wszystkim

Skoro dane płyną przez tkankę, naturalne jest pytanie, czy sam sygnał nie wpływa na mózg. Badacze sprawdzili to na modelach typu „mózg na chipie”, czyli laboratoryjnych układach naśladujących tkankę nerwową. Wniosek jest jasny: system nie wywołuje niezamierzonej aktywności mózgu. Dla technologii, która ma kiedyś pracować w ciele człowieka przez długi czas, to warunek absolutnie podstawowy.

⇑Po co to wszystko

Połączenie łącza BCC z inteligentną kompresją przybliża interfejsy mózg–komputer, które mogłyby działać długo, bezprzewodowo i obsługiwać coraz większą liczbę kanałów. Autorzy wskazują, że w przyszłości takie rozwiązania mogą pomóc w pracy nad schorzeniami neurologicznymi, takimi jak paraliż czy zaburzenia mowy – to jednak wciąż kierunek badań, a nie gotowa terapia.

Projekt dobrze pokazuje też, jak wygląda współczesna nauka. Żeby zbudować taki chip, potrzeba lekarzy, specjalistów od elektroniki, inżynierów biomedycznych i osób piszących algorytmy, które decydują, kiedy wysłać dane. Neurotechnologia nie należy do jednej dziedziny – rodzi się dokładnie na ich styku.

⇑Krótko mówiąc

Największym wyzwaniem implantów mózgowych nie jest odczyt sygnałów, lecz ich bezpieczne przesłanie. Zespół IoN wykorzystał tkankę jako przewód, osiągnął 500 Mb/s przy znikomej liczbie błędów i zmniejszył ilość danych ponad dziesięciokrotnie, wysyłając je tylko wtedy, gdy neurony są aktywne. Testy bezpieczeństwa wypadły pomyślnie, a droga do bezprzewodowych interfejsów mózg–komputer stała się nieco krótsza.

⇑Pięć pytań: czy masz głowę do neurotechnologii? (test)