211service.com
Hur smart damm kan spionera på din hjärna
Realtidsövervakningen av hjärnans funktion har gått framåt med stormsteg de senaste åren. Det är till stor del tack vare olika nya teknologier som kan övervaka det kollektiva beteendet hos grupper av neuroner, såsom funktionell magnetisk resonanstomografi, magnetoencefalopati och positronemissionstomografi.
Detta arbete revolutionerar vår förståelse av hur hjärnan är uppbyggd och beter sig. Det har också lett till en ny ingenjörsdisciplin av hjärn-maskin-gränssnitt, som gör det möjligt för människor att kontrollera maskiner enbart med tanke.
Även om dessa tekniker är imponerande, lider de alla av inneboende begränsningar som begränsad rumslig upplösning, brist på portabilitet och extrem invasivitet.
Idag avslöjar Dongjin Seo och kompisar vid University of California Berkeley ett helt nytt sätt att studera och interagera med hjärnan. Deras idé är att sprinkla elektroniska sensorer lika stora som dammpartiklar i cortex och förhöra dem på distans med hjälp av ultraljud. Ultraljudet driver också detta så kallade neurala damm.
Varje partikel av neuralt damm består av vanliga CMOS-kretsar och sensorer som mäter den elektriska aktiviteten i neuroner i närheten. Detta är kopplat till ett piezoelektriskt material som omvandlar ultrahögfrekventa ljudvågor till elektriska signaler och vice versa.
Det neurala dammet förhörs av en annan komponent placerad under vågen men som drivs utifrån kroppen. Detta genererar ultraljudet som driver det neurala dammet och sensorer som lyssnar efter deras svar, snarare som ett RFID-system.
Systemet är också tjuderfritt – data samlas in och lagras utanför kroppen för senare analys.
Det kommer runt många av begränsningarna. Systemet har lägre effekt, kan ha en hög rumslig upplösning och det är lätt att bära. Den är också robust och kan potentiellt ge en länk under långa tidsperioder. Ett stort hinder i hjärnan-maskin-gränssnitt (BMI) är avsaknaden av ett implanterbart neuralt gränssnittssystem som förblir livskraftigt under en livstid, säger Seo och co.
Svårigheten ligger i att designa och bygga ett sådant system och dagens uppsats är en teoretisk studie av dessa utmaningar. Det första är problemet med att designa och bygga neurala dammpartiklar i en skala av ungefär 100 mikrometer som kan skicka och ta emot signaler i den hårda, varma och bullriga miljön i kroppen.
Det är därför Seo och co har valt ultraljud för att skicka och ta emot data. De beräknar att den kraft som krävs för att använda elektromagnetiska vågor på skalan skulle generera en skadlig mängd värme på grund av mängden energi som kroppen absorberar och de besvärande signal-brus-förhållandena på denna skala.
Däremot är ultraljud mycket effektivare och bör tillåta överföring av minst 10 miljoner gånger mer kraft än elektromagnetiska vågor i samma skala.
Nästa är problemet med att koppla elektroniken till det piezoelektriska systemet som omvandlar ultraljud till elektroniska signaler och vice versa. Att säkerställa att systemet fungerar effektivt kommer att vara knepigt med tanke på att det måste förpackas i en inert polymer eller isolatorfilm (som också måste exponera inspelningselektroderna för närliggande neuroner).
Slutligen finns det utmaningen att designa och bygga förhörssystemet som genererar ultraljudet för att driva hela arrayen men med en tillräckligt låg effekt för att undvika upphettning av skallen och hjärnan.
Ovanpå allt detta är den extra utmaningen att implantera de neurala dammpartiklarna i cortex. Seo och co säger att detta förmodligen kan göras genom att tillverka dammpartiklarna på spetsarna av en fin tråduppsättning, som hålls på plats av till exempel ytspänning. Denna array skulle doppas ner i cortex där dammpartiklarna blir inbäddade.
Det är en ambitiös vision som är full av utmaningar bortom det senaste. Teamet har dock en stark bakgrund inom nanoelektromekaniska system och i gränssnittet mellan elektroniska system och celler.
Faktum är att en av författarna, Michel Maharbiz, utvecklade världens första fjärrstyrda skalbagge för några år sedan, en utveckling som utsågs till en av de 10 mest framväxande teknologierna 2009 av Technology Review.
De här killarna är helt klart inte rädda för att ta sig an stora utmaningar. Det ska bli intressant att se hur de klarar sig.
Ref: arxiv.org/abs/1307.2196 : Neural Dust: En ultraljudslösning med låg effekt för kroniska hjärn-maskin-gränssnitt