یک رابط جدید مغز-کامپیوتر با پشتی انعطاف پذیر

تصویر: نمایش هنرمند از پشتیبان انعطاف پذیر ، سازگار و شفاف از رابط جدید مغز-کامپیوتر با میکرونئودهای نافذ ساخته شده توسط تیمی که توسط مهندسین در دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو در آزمایشگاه مهندسی برق استاد شادای دایره ایجاد شده است. تصویر کوچکتر در پایین سمت چپ فناوری فعلی را در استفاده آزمایشی به نام آرایه های یوتا نشان می دهد. بیشتر ببینید

اعتبار: Shadi Dayeh / UC San Diego / Sayostudio

محققان مهندسی یک رابط پیشرفته مغز و رایانه را با پشتوانه انعطاف پذیر و قالب قابل انعطاف و میکرونی های نافذ اختراع کرده اند. اضافه کردن یک پشتی انعطاف پذیر به این نوع رابط مغز و کامپیوتر به دستگاه اجازه می دهد تا به طور مساوی با سطح خمیده پیچیده مغز مطابقت داشته باشد و میکرونئودلهایی را که قشر را سوراخ می کند ، به طور یکنواخت تر توزیع کند. میکرونی ها ، که 10 برابر نازک تر از موهای انسان هستند ، از پشتی انعطاف پذیر بیرون زده می شوند ، بدون سوراخ کردن ونول های سطح سوراخ به سطح بافت مغز نفوذ می کنند و سیگنال هایی را از سلولهای عصبی اطراف به طور مساوی در یک ناحیه وسیع قشر ضبط می کنند.

این رابط جدید مغز و رایانه تاکنون در جوندگان آزمایش شده است. این جزئیات به صورت آنلاین در تاریخ 25 فوریه در مجله Advanced Platemal Material منتشر شد. این کار توسط تیمی در آزمایشگاه آزمایشگاه مهندسی برق شادی دایه در دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو به همراه محققان دانشگاه بوستون به سرپرستی استاد مهندسی زیست پزشکی آنا دیوور انجام می شود.

این رابط جدید مغز و رایانه در کنار هم قرار دارد و از "آرایه یوتا" استفاده می کند ، که استاندارد طلای موجود برای رابط های مغز و رایانه با میکروندلهای نافذ است. آرایه یوتا برای کمک به قربانیان سکته مغزی و افراد مبتلا به آسیب نخاعی نشان داده شده است. افرادی که دارای آرایه های کاشته شده یوتا هستند ، قادر به استفاده از افکار خود برای کنترل اندام های روباتیک و سایر دستگاه ها هستند تا بتوانند برخی از فعالیت های روزمره مانند جابجایی اشیاء را بازیابی کنند.

پشتیبان رابط جدید مغز و رایانه انعطاف پذیر ، سازگار و قابل تنظیم است ، در حالی که آرایه یوتا دارای پشتوانه سخت و انعطاف پذیر است. انعطاف پذیری و سازگاری پشتیبان از رمان میکرونیدل-آرایه از تماس نزدیکتر بین مغز و الکترودها حمایت می کند ، که امکان ضبط بهتر و یکنواخت تر از سیگنال های فعالیت مغز را فراهم می کند. محققان با همکاری جوندگان به عنوان گونه های مدل ، ضبط های باند پهن پایدار تولید سیگنال های قوی را برای مدت زمان کاشت که 196 روز به طول انجامید ، نشان داده اند.

علاوه بر این ، نحوه تولید رابط های رایانه ای و رایانه ای با پشت ، امکان سنجش بزرگتر را فراهم می کند ، به این معنی که می توان یک منطقه به طور قابل توجهی بزرگتر از سطح مغز را همزمان کنترل کرد. در مقاله پیشرفته مواد کاربردی ، محققان نشان می دهند که یک آرایه میکرونئیدل نافذ با 1،024 میکرونیس با موفقیت سیگنال های ضبط شده توسط محرک های دقیق از مغز موش ها را ضبط می کند. این نشان دهنده ده برابر بیشتر میکرون و ده برابر مساحت پوشش مغز ، در مقایسه با فناوری های فعلی است.

پشتی های نازک تر و شفاف

این رابط های رایانه ای و رایانه ای با پشتی نرم تر و سبک تر از پشتی های شیشه ای سنتی این نوع رابط های مغز و رایانه هستند. محققان در کاغذهای کاربردی پیشرفته خود خاطرنشان می کنند که پشتی های انعطاف پذیر و انعطاف پذیر ممکن است باعث تحریک بافت مغزی شود که با آرایه سنسورها تماس می گیرد.

پشتی های انعطاف پذیر نیز شفاف هستند. در مقاله جدید ، محققان نشان می دهند که این شفافیت را می توان برای انجام تحقیقات اساسی علوم اعصاب که شامل مدل های حیوانی است ، استفاده کرد که در غیر این صورت امکان پذیر نیست. به عنوان مثال ، این تیم ضبط الکتریکی همزمان را از آرایه های میکرو سوزن های نافذ و همچنین نوری نوری نشان داد.

تولید لیتوگرافی دو طرفه

انعطاف پذیری ، ردپاهای آرایه میکرونیدل بزرگتر ، قابلیت بازسازی و شفافیت پشتی سنسورهای جدید مغز همه به لطف رویکرد لیتوگرافی دو طرفه محققان استفاده می کنند.

از نظر مفهومی ، با شروع از ویفر سیلیکون سفت و سخت ، فرآیند تولید این تیم به آنها امکان می دهد مدارها و دستگاه های میکروسکوپی را در دو طرف ویفر سیلیکون سفت و سخت بسازند. از یک طرف ، یک فیلم انعطاف پذیر و شفاف در بالای ویفر سیلیکون اضافه می شود. در این فیلم ، یک لایه از تیتانیوم و آثار طلایی تعبیه شده است به طوری که آثار در جایی که سوزن ها در آن طرف ویفر سیلیکون ساخته می شوند ، خط می شوند.

کار از طرف دیگر ، پس از افزودن فیلم انعطاف پذیر ، تمام سیلیکون ها از بین می روند ، به جز ستون های آزاد ، نازک و برجسته سیلیکون. این ستونهای برجسته سیلیکون در واقع میکروندلها هستند و پایه های آنها با آثار تیتانیوم-طلای درون لایه انعطاف پذیر که پس از سیلیکون باقی مانده است ، تراز می شوند. این آثار با طلای تیتانیوم از طریق تکنیک های میکروفیک سازی استاندارد و مقیاس پذیر الگوی می شوند و امکان تولید مقیاس پذیر با حداقل کار دستی را فراهم می کنند. فرآیند تولید امکان طراحی آرایه انعطاف پذیر و مقیاس پذیری را به ده ها هزار میکروندل ارائه می دهد.

به سمت سیستم های حلقه بسته

با نگاهی به آینده ، برای آرایه های میکرونئیدل با پوشش فضایی بزرگ برای بهبود رابط های ماشین مغز مورد نیاز خواهد بود تا جایی که می توان از آنها در "سیستم های حلقه بسته" استفاده کرد که می تواند به افراد با تحرک بسیار محدود کمک کند. به عنوان مثال ، به عنوان مثال ، این نوعسیستم حلقه بسته ممکن است شخصی را با استفاده از یک دست رباتیک بازخورد تاکتیکی در زمان واقعی در مورد اشیاء که دست رباتیک در حال درک است ، ارائه دهد.

سنسورهای لمسی روی دست رباتیک سختی ، بافت و وزن یک شی را حس می کنند. این اطلاعات ثبت شده توسط سنسورها به الگوهای تحریک الکتریکی که از طریق سیم ها به خارج از بدن به رابط مغز-کامپیوتر با میکرون های نافذ منتقل می شوند ، ترجمه می شود. این سیگنال های الکتریکی اطلاعاتی را مستقیماً در مورد سختی ، بافت و وزن جسم به مغز شخص ارائه می دهند. به نوبه خود ، فرد قدرت درک خود را بر اساس اطلاعات حساس به طور مستقیم از بازوی روباتیک تنظیم می کند.

این تنها یک نمونه از نوع سیستم حلقه بسته است که می تواند پس از نفوذ در آرایه های میکرونئیدل امکان پذیر باشد تا با مغز و هماهنگی فعالیت در مراکز "فرمان" و "بازخورد" مغز بزرگتر شود.

پیش از این ، آزمایشگاه Dayeh انواع سنسورهای لمسی را که برای این نوع کاربرد مورد نیاز است ، اختراع و نشان می داد ، همانطور که در این فیلم برجسته شده است.

مسیر تجاری سازی

فرآیندهای میکرو فزاینده لیتوگرافی پیشرفته که در این مقاله شرح داده شده است ثبت شده است (10856764 ایالات متحده). Dayeh با همکاری دقیق Neurotek Inc. برای ترجمه فن آوری های نوآوری شده در آزمایشگاه خود برای پیشبرد وضعیت هنر در عمل بالینی و پیشبرد زمینه های علوم اعصاب و نوروفیزیولوژی.

نویسندگان S. H. Lee ، K. Lee ، D. R. Cleary ، K. J. Tonsfeldt ، H. OH ، F. Azzazy ، Y. Tchoe ، A. M. Bourhis ، L. Hossain ، Y. G. Ro ، A. Tanaka ، S. A. Dayeh وابسته به وسایل الکترونیکی یکپارچه و بیوجازی هستندآزمایشگاه گروه مهندسی برق و کامپیوتر در دانشکده مهندسی دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو جیکوبز.

D. R. Cleary یک قرار ملاقات اصلی در بخش جراحی عصبی در UC San Diego Health دارد.

M. Thunemann ، K. Kılıç و A. Devor به گروه مهندسی زیست پزشکی در دانشگاه بوستون وابسته هستند.

نویسنده مسئول گروه مهندسی برق و کامپیوتر در دانشکده مهندسی San Diego Jacobs Engineering Email: sdayeh@eng. ucsd. edu

بودجه این کار توسط مؤسسات ملی جوایز بهداشت NIBIB DP2-EB029757 ، ابتکار عمل NIH R01NS123655-01 ، UG3NS123723-01 به S. A. D. ، 1R01DA050159-01 ، R01 MH111359-05جایزه بنیاد ملی علوم شماره 1728497 و شماره حرفه ای 1351980 ؛و توسط مؤسسه کاولی برای مغز و ذهن به S. A. D .. پشتیبانی فنی از امکانات پاکسازی NANO3 در موسسه Qualcomm UC San Diego. این کار تا حدودی در زیرساخت های فناوری نانو سن دیگو (SDNI) UC سن دیگو ، عضو زیرساخت های ملی هماهنگ فناوری نانو ، که توسط بنیاد ملی علوم پشتیبانی می شود ، انجام شد (کمک هزینه ECCS1542148).