연구원들은 차세대 두뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템을 향한 발걸음을 내딛고 있습니다.

수백 개의 작은 뇌 센서의 활동을 조정하는 새로운 유형의 신경 인터페이스 시스템은 언젠가는 뇌에 대한 이해를 심화하고 새로운 의학적 치료로 이어질 수 있습니다.

뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)는 언젠가는 뇌 또는 척추 부상을 입은 사람들이 움직이거나 의사 소통하는 데 도움이 될 수 있는 새로운 보조 장치입니다. BCI 시스템은 뇌에 전기 신호를 기록하고 이러한 신호를 사용하여 컴퓨터 또는 로봇 보철과 같은 외부 장치를 작동하는 이식 가능한 센서에 의존합니다.

대부분의 현재 BCI 시스템은 하나 또는 두 개의 센서를 사용하여 최대 수백 개의 뉴런을 샘플링하지만 신경 과학자들은 훨씬 더 큰 뇌 세포 그룹에서 데이터를 수집할 수 있는 시스템에 관심이 있습니다.

이제 연구원 팀은 기록 및 자극을 위해 각각의 소금 알갱이 크기인 소대역 무선 신경 센서의 조정된 네트워크를 사용하는 미래형 BCI 시스템의 새로운 개념을 향한 중요한 단계를 밟았습니다. 두뇌 활동 신경 과립(neural granule)이라고 불리는 이 센서는 뉴런을 발사하여 만들어지는 전기 충격을 기록하고 신호를 조정하고 처리하는 중앙 축삭에 무선으로 신호를 전송합니다.

8월 12일에 발표된 연구에서 자연 전자연구팀은 설치류의 신경 활동을 기록하기 위해 이러한 독립적인 뉴런 중 약 50개를 사용하는 것을 시연했습니다.

연구원들은 이번 발견이 언젠가는 뇌 신호를 전례 없이 자세하게 기록할 수 있는 시스템을 향한 한 걸음으로 나아가 뇌가 어떻게 작동하는지에 대한 새로운 통찰력과 외상성 뇌 또는 척추 부상을 입은 사람들을 위한 새로운 치료법을 제시할 수 있다고 말합니다.

“뇌-컴퓨터 인터페이스 분야의 가장 큰 도전 중 하나는 뇌의 가능한 많은 지점을 탐색하는 엔지니어링 방법입니다.”라고 브라운 공과 대학의 교수이자 이 연구의 수석 저자인 Arto Normeko가 말했습니다. “지금까지 대부분의 BCI는 작은 바늘 베드와 같은 모놀리식 장치였습니다. 우리 팀의 아이디어는 이 모노블록을 대뇌 피질 전체에 분포할 수 있는 작은 센서로 분해하는 것이었습니다. 그리고 그것이 우리가 시연할 수 있었던 것입니다. 여기.”

Brown, Baylor University, UCSD 및 Qualcomm의 전문가로 구성된 팀은 약 4년 전에 시스템 개발 작업을 시작했습니다. Carney Institute for Brain Sciences의 Normiko는 도전 과제가 두 가지라고 말했습니다. 첫 번째 부분에서는 신경 신호를 감지, 증폭 및 작은 실리콘 신경 칩으로 전송하는 것과 관련된 복잡한 전자 장치를 축소해야 했습니다. 팀은 처음에 컴퓨터에서 전자 장치를 설계하고 시뮬레이션했으며 운영 칩을 개발하기 위해 수많은 제조 반복을 거쳤습니다.

READ  그가 세계 과학 시대의 전설이 된 방법

두 번째 과제는 이러한 작은 칩에서 신호를 수신하는 외부 신체 통신 허브를 개발하는 것이었습니다. 이 장치는 지문 크기의 얇은 패치로 두개골 외부의 두피에 부착됩니다. 네트워크 프로토콜을 사용하여 각각 자체 네트워크 주소가 있는 뉴런의 신호를 조정하는 소형 휴대폰 타워처럼 작동합니다. 또한 이 패치는 최소한의 전기로 작동하도록 설계된 뉴런에 무선으로 전력을 공급합니다.

이 연구의 주저자이자 Brown의 박사후 연구원인 이지훈은 “이 연구는 학제 간 도전이었습니다.”라고 말했습니다. “우리는 뇌의 신경 시스템을 설계하고 작동하기 위해 전자기학, 무선 주파수 통신, 회로 설계, 제조 및 신경 과학 분야의 전문 지식을 결합해야 했습니다.”

이 새로운 연구의 목표는 시스템이 살아있는 뇌(이 경우 설치류 뇌)의 신경 신호를 기록할 수 있음을 입증하는 것이었습니다. 연구팀은 뇌의 바깥층인 동물의 대뇌피질에 48개의 뉴런을 배치해 자발적인 뇌 활동과 관련된 특징적인 신경 신호를 기록하는 데 성공했다.

팀은 또한 뇌를 자극하고 기록하는 장치의 능력을 테스트했습니다. 자극은 신경 활동을 활성화할 수 있는 작은 전기 자극에 의해 수행됩니다. 연구자들은 자극이 신경 기록을 조정하는 동일한 축삭에 의해 구동되고 언젠가 질병이나 부상으로 인해 손실된 뇌 기능을 회복할 수 있기를 희망합니다.

이 연구에서 팀의 동물 뇌 크기는 48개 뉴런으로 제한되었지만 데이터에 따르면 시스템의 현재 구성이 최대 770개까지 지원할 수 있습니다. 궁극적으로 팀은 이를 수천 개의 뉴런으로 확장하여 현재 액세스할 수 없는 뇌 활동 그림을 제공하는 것을 구상하고 있습니다.

Baylor의 전기 및 컴퓨터 공학과 조교수인 Vincent Leung은 말했습니다. “우리 팀은 분산 신경 임플란트의 한계를 뛰어 넘었습니다.”

이 완전한 시스템을 현실로 만들기 위해 해야 할 일이 많이 있지만 연구원들은 이 연구가 그 방향으로의 중요한 단계를 나타낸다고 말했습니다.

Normiko는 “결국 뇌에 대한 새로운 과학적 통찰력과 치명적인 부상을 입은 사람들을 도울 수 있는 새로운 치료법을 제공하는 시스템을 개발할 수 있기를 바랍니다”라고 말했습니다.

논문의 다른 공저자는 이아형(Brown), Jiannan Huang(UCSD), Peter Asbeck(UCSD), Patrick P. Mercier(UCSD), Stephen Shellhammer(Qualcomm), Lawrence Larson(Brown)입니다. 및 Farah Laiwalla(갈색). 이번 연구는 국방고등연구계획국(N66001-17-C-4013)의 지원을 받았다.

READ  보기 드문 계절 '블루문' 오늘 밤 뜨고 있다

답글 남기기

이메일 주소는 공개되지 않습니다. 필수 항목은 *(으)로 표시합니다