内部情报查看大脑的最佳方式是从内部寻找更小,更安全,更智能的大脑植入物print-edition iconJan 4th 2018

日期:2017-07-17 03:00:23 作者:汝暌箫 阅读:

<p>与神经科学家谈论大脑 - 计算机接口(BCIs)的时间足够长,并且体育场类比几乎必然会出现</p><p>这将大脑的神经活动与足球比赛中的人群所产生的噪音进行比较</p><p>来自地外,你可能会听到背景噪音并且能够从咆哮中判断出一支球队是否已经在球场上方的一个小飞艇中得分,你可以分辨出谁有得分以及可能涉及哪些球员只有在里面你可以问第72排的球迷如何展开细节同样,对于大脑而言,只有靠近动作才能真正理解正在发生的事情才能获得高分辨率信号,因为现在除了打开头骨之外别无选择</p><p>一种选择是将电极放在被称为脑电图的大脑表面另一种是将它们直接推入大脑组织,例如使用像BrainGate的犹他阵列这样的微电极网格你有多接近操作BCI的个体神经元是一个有争议的问题在患有帕金森病等运动障碍的人中,使用意大利面条状导联和大电极在相当大的组织区域进行深部脑刺激这种治疗通常被认为是纽卡斯尔大学有效的安德鲁·杰克逊认为,通过神经元的集合记录活动,可以用来解释相对简单的运动信号,比如想要抓住某些东西或延长肘部</p><p>但是为了产生细粒度的控制信号,例如单个手指的移动,需要更高的精度“这些是非常小的信号,并且有许多神经元紧密地组合在一起,所有这些都在一起发射,”匹兹堡大学的Andrew Schwartz说道</p><p>聚合它们不可避免地意味着牺牲细节毕竟,单个细胞可以具有非常特定的功能,从导航到faci获得认可2014年诺贝尔医学奖授予地点和网格细胞工作,当动物到达特定地点时,它们会被射击; “詹妮弗·安妮斯顿神经元”的概念源于研究表明,单个神经元可以响应特定名人的照片而开始像神经网络和内核这样的公司正在押注BCI最雄心勃勃的愿景,其中思想,图像和动作是无缝的编码和解码,将需要高分辨率植入物因此,美国国防部高级研究计划局(DARPA),五角大楼的一个部门,今年在六个组织中分配了6500万美元用于创建高分辨率植入式接口BrainGate和其他人继续在他们自己的系统上工作但是这些研究人员所面临的挑战确实令人生畏</p><p>理想的植入物将是安全的,小型的,无线的和持久的它能够以高速传输大量数据它将与之相互作用比当前技术允许的更多神经元(DARPA计划将其资助接受者设定为1m神经元的目标,并且截止日期为2021年在人类进行的试验中,它还必须在Wyss Center的ClaudeClément比作海边丛林的环境中进行导航:潮湿,炎热和咸味“大脑不适合做技术, “他说作为首席技术官,他应该知道Da neuron,ron,ron这并不能阻止人们尝试现在正在努力创造更好的植入物可以分为两大类第一个重新构想当前的小线技术第二个电极在新的非电气方向上开始从使电极更小更好的方法开始Ken Shepard是哥伦比亚大学电气和生物医学工程教授</p><p>他的实验室是DARPA资金的接收者,目的是建立一种设备,最终可以帮助盲人完整的视觉皮层,通过精确刺激正确的神经元,以便在他们的大脑内产生图像他认为他可以这样做使用最先进的CMOS(互补金属氧化物半导体)电子设备Shepard博士意识到任何类型的穿透电极都会导致电池损坏,因此他希望建立“所有表面记录设备的母亲”皮质顶部和围绕大脑的膜下面 他已经创造了第一代CMOS芯片的原型,尺寸约为1cm×1cm,包含65,000个电极;一个略大的第二代版本将容纳1米传感器但是像其他人一样试图使植入物工作,Shepard博士不只是将传感器塞进芯片他还必须增加相同数量的放大器,一个转换器来转换模拟信号动作电位进入机器学习的数字0和1,以及无线链路将数据发送(或接收)到将位于头皮上的中继站,然后将无线发送(或接收)数据到外部用于解码的处理器该设备也必须通电,这是植入式拼图的另一个重要部分</p><p>该领域没有人相信电池是电源的原因它们太笨重,而且电池漏液进入大脑的风险太高像他的许多同龄人一样,Shepard博士使用感应耦合,通过线圈的电流产生的磁场可以在第二个线圈中感应电流(电动牙刷充电的方式)这项工作由coi完成在美国西海岸的芯片上和中继站上,一家名为Paradromics的初创公司也在使用电感耦合为其植入式电源提供动力但其老板认为,加强表面记录不会提供足够高的分辨率他正致力于创造可以被推入脑组织的微小玻璃和金属微丝束,有点像犹他阵列,但有更多传感器阻止电线聚集在一起,从而减少他们与之接触的神经元数量,公司使用牺牲聚合物将它们分开;聚合物溶解但导线保持分离它们然后被粘合到一个高速CMOS电路上该装置的一个版本,带有65,000个电极,将于明年发布用于动物研究</p><p>在Paradromics可以满足其要求之前还有许多工作要做DARPA资助的目标是创建一个可以在人们中使用的1m线设备其中最主要的是应对从头部出来的数据量Dr Angle认为初始设备每秒产生24千兆位数据(流式传输超级数据) Netflix上的高清电​​影每小时最高可达7GB)在动物身上,这些数据可以通过电缆传输到笨重的铝制头戴式处理器</p><p>这对人类来说很难实现</p><p>此外,这样的数据量会产生太多的热量,无法在头骨内部处理或无线传输</p><p>因此Paradromics以及其他所有试图创建进出大脑的高带宽信号的人都必须找到在不影响发送信息的速度和质量的情况下压缩数据速率的方法Dr Angle认为他可以通过两种方式做到这一点:首先,忽略动作电位之间的静默时刻,而不是费力地将它们编码为一串零;第二,通过专注于特定动作电位的波形而不是沿曲线记录每个点确实,他认为数据压缩是公司的一大卖点,并期望其他人想要创建特定的BCI应用或假肢</p><p>插入其饲料“我们将自己视为神经数据骨干,如高通或英特尔,”他说Meshy业务一些研究人员试图完全摆脱线材植入的想法在布朗大学,例如,Arto Nurmikko领先一个多学科团队创建“神经颗粒”,每个都是一粒糖的大小,可以撒在皮质顶部或植入其中每个颗粒必须有内置放大器,模拟到数字转换器和能够将数据发送到中继站,该中继站可以感应地为谷物供电并将信息传递给外部处理器Nurmikko博士正在测试啮齿动物系统的元素;他希望最终将成千上万的谷物放在头脑中</p><p>同时,在哈佛大学的一个实验室里,国松红展示了另一种创新的界面</p><p>他将一个注射器浸入一个烧杯中,并注入一个小的,滚滚而闪闪发光的网状物</p><p>看到洪博士是化学教授查尔斯利伯实验室的博士后研究人员,我感到非常漂亮</p><p>他们都在努力创造一种模糊生物学与电子学之间区别的神经界面 他们的解决方案是一个多孔网,由一种名为SU-8的柔性聚合物制成,上面镶嵌着传感器和导电金属</p><p>网状物旨在解决许多问题</p><p>这与大脑对异物的免疫反应有关通过复制柔韧性和柔软性神经组织,并允许神经元和其他类型的细胞在其中生长,它应该避免更硬,固体探针有时会导致的疤痕它也占用更少的空间:小于犹他阵列动物体积的1%试验进展顺利;下一阶段是将网状物插入癫痫患者的大脑中,这些患者没有对其他形式的治疗做出反应,并等待在一英里之外移除一些组织,在麻省理工学院,Polina Anikeeva实验室的成员也试图建立与神经组织物理特性相匹配的设备Anikeeva博士是一位材料科学家,他首先潜入斯坦福大学Karl Deisseroth实验室的神经科学领域,他开创了光遗传学的应用,这是一种基因工程细胞的方法,可以打开和关闭细胞</p><p>在第一次看到(小鼠)大脑时,她的反应让人惊讶于它是多么的软弱“用巧克力布丁的弹性特性在刀具的弹性特性中存在问题是有问题的“她说,她正在处理的一种方法是通过制造宽度为100微米的多通道光纤从电信世界借用(一微米是百万分之一)米,与人类头发大致相同,比其他地方的一些设备更密集,但区别于它的主要因素是它可以做多件事“只有电流和电压的电子设备不会做诀窍,“她说,指出大脑不仅通过电学方式而且通过化学方式进行通信,Anikeeva博士的传感器也有一个用于使用电极进行记录的通道,但它也能够利用光遗传学</p><p>第二个通道旨在提供通道视紫红质,可以被偷运到神经元中以使它们对光敏感的藻类蛋白质,以及第三个可以激活光线的藻类蛋白质,这些修饰的神经元可以被激活现在还不知道光遗传学是否可以安全地用于人类:必须合并通道视紫红质使用病毒进入细胞,并且有关于可以安全地照射到大脑中的光线的问号但是正在进行人体临床试验以使视网膜神经节细胞变得敏感感光细胞受损的人; DARPA资金的另一个受益者,巴黎Fondation Voir et Entender,旨在利用该技术将特殊护目镜的图像直接转移到完全失明的人的视觉皮层中</p><p>原则上,其他感官也可以恢复:光遗传学刺激细胞小鼠的内耳已被用来控制听力Anikeeva博士也在用另一种刺激大脑的方式玩弄她认为弱磁场可以用来深入神经组织并加热注入神经组织的磁性纳米粒子大脑如果热敏感的辣椒素受体在附近的修饰神经元中被触发,温度升高会导致神经元激发另一个记录和激活神经元的候选者,超出电压,光和磁铁,是加利福尼亚大学的超声波Jose Carmena和Michel Maharbiz ,伯克利,是这种方法的主要支持者,这又涉及微小颗粒的插入(其中他们将“神经尘埃”称为组织通过身体传递超声波会影响这些微粒中的晶体,它像音叉一样振动;产生电压给晶体管供电相邻组织中的电活动,无论是肌肉还是神经元,都可以改变粒子发出的超声回波的性质,因此可以记录这种活动</p><p>这些新的努力中的许多提出了更多的问题如果有野心的话是为了创造一个覆盖大脑多个区域的“全脑界面”,必须有一个物理限制,可以将多少额外的材料,无论是电线,颗粒还是微粒,引入人脑 如果这样的颗粒可以做得足够小以减轻这个问题,那么就会产生另一种不确定性:它们会漂浮在大脑中吗</p><p>会产生什么影响</p><p>如何在一个程序中将大量植入物放入大脑的不同部位,特别是如果使用微小的柔性材料会产生“湿面条”问题,即植入物过于松弛而无法进入组织</p><p> (有传言说神经网络可能正在寻求一种旨在解决这个问题的自动“缝纫机”的想法)所有这些都强调了设计一个安全和良好的新神经接口是多么困难但是努力的范围创建这样一个设备也提示乐观“我们正在接近一个可以实现大规模记录和刺激的转折点,”伦敦克里克研究所的神经科学家Andreas Schaefer说道</p><p>即便如此,能够从中获取数据</p><p>大脑,或进入它,