النُهج الناشئة في بروتوكولات نقل البيانات الظواهر العصبية المتقاطعة بين الوجوه

الحاجة إلى بروتوكولات متقدمة لاسلكية في الجبهات العصبية

ومن ثم فإن الوصلات الفيزيائية العصبية - التي تضع مسارات اتصال مباشرة بين الأنسجة العصبية الحية والإلكترونيات الخارجية - انتقلت من المختبرات التجريبية إلى التطبيقات السريرية مثل الوصلات بينية حاسوب المخ للشلل، والزوارق الكنسية، والمحفزات العميقة للمخ، حيث تتطور هذه النظم إلى سلاسل نقل سريعة الصنع قادرة على التحمل، وتتحول في نفس الوقت إلى آلاف من الاختناق.

والمتطلبات الأساسية لهذه البروتوكولات هائلة: يجب أن تدعم ارتفاع معدلات البيانات (التي تتجاوز في كثير من الأحيان 100 ملغم من أجل الإشارات العصبية الخام)، والبطء الشديد الانخفاض (الثانية الفرعية لمراقبة الغلق)، والحد الأدنى من استهلاك الطاقة (لمنع تسخين الأنسجة وتوسيع نطاق حياة البطارية)، والأمن القوي (البيانات الظواهرية شخصية وهشة بشكل فريد)، وتستكشف هذه المادة النهج الأكثر واعدة التي يجري تطويرها لمواجهة هذه التحديات، بدءا من الاتصالات اللاسلكية.

التحديات الراهنة في مجال نقل البيانات العصبية

Bandwidth and Data Volume

ويسجل الاختبارات العصبية الحديثة من مئات إلى آلاف القنوات، ويولد كل منها بيانات بمعدلات تتراوح بين 10 و30 كيلوبول في الثانية، وينتج صفيفة من طراز 1024-شانيل، على سبيل المثال، تدفقات بيانات خام تتجاوز 500 مليون طن، كما أن جبر هذه البيانات دون فقدان معلومات هامة مثل تسجيل موجات التليفزيون أو الإمكانات الميدانية المحلية - لا بد أن يستوعب وجوداً كبيراً من الظواهر اللامعية والقابلية للتكرار.

تجهيز أوقات العمل والانتقال

وبالنسبة للطلبات مثل حفز الدماغ العميق المغلقة أو التحكم في الأطراف الصناعية، يجب أن يكون معدل الرطوبة من نهاية إلى نهاية أقل من 10 مللي ثانية، ومن الأفضل أن يكون أقل من 1 متر لمركبات المركبات البرية، وتستحدث البروتوكولات اللاسلكية تأخيرات في التكاثر، وتجاوزات في تجهيز التعبئة، وحالات التأخير في إعادة النقل بسبب التدخل، وكثيرا ما تتجاوز هذه الحدود، وبخاصة في البيئات الطبية التي لا تُستخدم فيها أجهزة اتصال.

كفاءة الطاقة وضبطها الحراري

ويجب أن تُنثر الوصلات العصبية غير القابلة للتلف أقل من 10 إلى 20 ميلاً بحرياً لتجنب رفع درجة حرارة الأنسجة بأكثر من درجة مئوية واحدة، وهي عتبة يمكن أن تحدث فيها أضرار عصبية، وعادة ما تكون جهاز النقل اللاسلكي أكبر مستهلك للطاقة، وبالتالي يجب أن تحقق البروتوكولات الناشئة كفاءة عالية في الطيف ودورة واجبية، وأن تطفئ الراديو عندما لا توجد بيانات معل َّقة.

الأمن والخصوصية

ولا تتضمن الإشارات العصبية فقط أوامر قيادة السيارات وارتدادات حساسة بل تشمل أيضاً الدول العاطفية والذكريات وحتى الأفكار الخاصة، كما أن الاعتراض أو التلاعب غير المأذون به يمكن أن تترتب عليه آثار كارثية، كما أن أساليب التشفير القائمة (مثلاً، AES) تضيف رؤوساً زائدة وبطانة حسابية؛ كما أن النُهج القائمة على الارتداد الكمي تعد بالأمن اللامعي غير العملي بعد.

البروتوكولات والتكنولوجيات الناشئة

الاتصال عبر الشبكة العالمية

وينقل النطاق الترددي Ultra-wideband (UWB) البيانات باستخدام نبضات قصيرة ذات قدرة منخفضة تنتشر عبر نطاق واسع جدا (عادة ما تكون 500 ميغاهيرتز) وهذه التقنية تتيح مزايا عديدة للوصلات الوصلية العصبية: ارتفاع معدلات البيانات (حتى عدد من الثغرات من حيث المبدأ)، وانخفاض استهلاك الطاقة (الهيكل القائم على النبض)، والحصانة الأساسية المتاحة لتعدد أنواع المياه في العالم.

وتظهر النماذج الأولية الأخيرة أن مستعملي البوليسترات المركبـة التي تستهلك تحت سطح الماء تحت سطح الماء الواحد بينما تقدم 50 إلى 100 ملغم على مسافات تتراوح بين متر واحد و2 متراً - كافية للزراعة الرأسية أو شبه المدارية، كما أن الباحثين يستكشفون أيضاً البوليستريوم الشعاعي الذي لا يتطلب وجود ناقل، مما يزيد من تبسيط النماذج الأمامية للناقلات النجمية(20).

Terahertz (THz) Band Transmission

وتمثل الترددات التيارات (0.1 إلى 10 ثيس) حدوداً للاتصالات اللاسلكية، تقدم عروضاً هائلة (عشرات من الزهرة) يمكن أن تدعم معدلات البيانات من المدار إلى الثاني، أما بالنسبة للوصلات الفيزيائية، فإن الاتصال الثلاثي جذاب بسبب إمكانياته في الحصول على بيانات ضخمة من خلال الناتج، واتساع نطاق التوجيه المكاني، مما يقلل من التدخل بين عوامل الاختلال المتعددة.

وقد أظهرت نظم الإثبات المبكر للتصورات معدلات بيانات تتجاوز 100 غموض على مسافات ميليتر، ولكن ترجمة هذه التطبيقات إلى تطبيقات قابلة للزراعة تتطلب انجازات في مصادر وأجهزة كشف منخفضة الطاقة، ومع ذلك، يجري النظر في نطاق الترددات التثيسية للوصلات البينية المستقبلية للمخ والمينائية التي قد تحتاج في نهاية المطاف إلى تيار من عشرات الآلاف من القنوات، وتستكشف أفرقة البحوث في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة بريتس اتصالات بنشاط.

الاتصالات غير البصرية اللاسلكية

ويمكن أن تُمنح مزايا متميزة باستخدام جهاز خفيف متحرك مرئي أو شبه مغطى بالأشعة فوق البنفسجية لنقل البيانات: الحصانة من التدخل الكهرومغناطيسي، وثبات التردد العالي، وأمن خط البصر، وفي الزرعيات الطبية الأحيائية، يمكن تحقيق وصلات بصرية مع الأجهزة المتناهية الصغر والأجهزة التصويرية المدمجة في مجموعة النسيج الجاهزة التي تعمل في إطار الألف/الفرنكية )٧٠٠٧(.

وقد حققت النماذج الأولية للاتصالات اللاسلكية البصرية معدلات بيانات تتجاوز ١ غموضا مع استهلاك الطاقة تحت ١٠ ميغاواط. وتتمثل ميزة رئيسية في أن الإشارات البصرية لا تتداخل مع الرنين المغناطيسي أو غيره من المعدات الطبية، غير أن الحاجة إلى المواءمة والآثار المتفرقة لنطاق وموثوقية الحد من الأنسجة البيولوجية، ويعالجها الباحثون بأجهزة التوجيه التكييفي والتعددية السمعة البصرية.

بروتوكولات الأمن الكمية المعززة

ويستخدم التوزيع الرئيسي الكمي مبادئ الميكانيكيات الكميّة لتوليد مفاتيح شمسية مشتركة تكون قابلة للتشفير نظرياً، وفي حين أن الـ ديوكسي يتطلب مصادر متخصصة غير مجهزة بالأجهزة، ويتقدم بسرعة الشاشات الكميّة التي تعمل بالأجهزة المحمولة، ويمكن استخدام الوصلات الكهربية الكبريتية لإنشاء قناة مأمونة تماماً لضبط المبيدات الخارجية

ولا تزال عمليات التنفيذ العملي للزراعة بعيدة عن السنوات، ولكن المظاهرات الأخيرة للتشغيل الكبريتي (مثلاً باستخدام صور السليكون) تشير إلى أن وجود وحدة أمنية كمية كاملة الزرع يمكن استخدامها، وفي الوقت نفسه، يجري توحيد الخوارزميات البكائية بعد الكينتوم (مثل التشفير المرتكز على التذاكر) ويمكن نشرها في أجهزة الوصل العصبي الموجودة لحماية الكم المستقبل.

التعديلات والتدوين

وتؤثر الوصلات الفيزيائية العصبية في تغيير دينامي في حركة هذا الموضوع، وتغيرات في هضبة الأنسجة، والتدخل من أجهزة أخرى على نوعية الربط، كما أن تقنيات الضبط والترميز التناظرية تكيف دينامياً مع معايير الانتقال (حجم التحكم، ومعدل الترميز، والطاقة) للحفاظ على معدل خطأ بسيط مستهدف مع التقليل من الطاقة.

واقترح الباحثون التنبؤات القائمة على التعلم الآلي التي تتوقع أن تستخدم القنوات التي تستخدم سمات من الإشارات العصبية نفسها (مثلا، تترابط الاختلافات المحتملة في الميدان المحلي مع حركة الرأس) ويمكن لهذا النهج الشامل أن يقلل من معدلات إعادة النقل بنسبة 30 إلى 50 في المائة مقارنة بالخطط الثابتة.

التكامل مع التعلم في مجال التعليم الآي والآشين

Intelligent Data Compression

أما بروتوكول النقل اللاسلكي الأكثر كفاءة من حيث الطاقة فهو بروتوكول يرسل بيانات أقل، فالضغط العصبي في الوقت الحاضر باستخدام أجهزة الترميز أو الخوارزميات المفرزة للصوت يمكن أن يقلل حجم البيانات بنسبة ١٠-١٠٠ دون التضحية بدقة، وقد أظهر العمل الأخير وجود دوائر متكاملة ذات قدرات منخفضة، تقوم بكشف الأخطاء التسلسلية في الوقت الحقيقي، وتجميع العينات، ولا يُنقل سوى فترات التأثير.

ويمكن للبروتوكول اللاسلكي أن يكيف مع المجرى المضغط، ويقلب مسار الراديو خلال فترات النشاط العصبي المنخفض، وهذا التآزر بين أجهزة الاستنشاق اللاسلكية اللاسلكية العاملة في مجال البحث النشط، حيث تحقق النظم استهلاكا متوسطا للطاقة يقل عن 1 ميغاواط، حتى بالنسبة لمصفوفات عالية الوصلات.

تصحيح الانحراف الافتراضي

وتحتاج رموز الخطأ الكلاسيكية )مثلا، ريد - سولومون، LDPC( إلى قطع إضافية من التكافؤ وإلى قوة فك التشفير، والخيار هو استخدام نماذج التنبؤ: إذا كانت الإشارة العصبية متفاوتة ببطء )مثل الإمكانات الميدانية المحلية(، يمكن للمتلقي أن يتوقّع العينة التالية والأخطاء التصحيحية دون وجود تجاوزات إضافية، ويمكن أن يحقق التكافل التنبؤي العميق المستند إلى التعلم مستوى أقل من الاسترداد غير المستقر.

وعند دمج تصحيح الخطأ الافتراضي في البروتوكول اللاسلكي، يمكن أن يقلل من نسبة الإشارة إلى الأرقام المطلوبة برقم ٣-٦ دال، ويترجم مباشرة إلى قوة نقل أقل، وهذا النهج مناسب بصفة خاصة للإشارات العصبية بسبب ارتباطها الزمني والمكاني المتأصل، كما أن نفس مجهزة الإي آي التي تؤدي الضغط يمكن أن تدير نموذج التنبؤ.

الابتكارات المتعلقة بالمناخ لأغراض التنميط والطاقة المنخفضة

الدوائر المتكاملة التطبيقية

وتحتاج عمليات التصغير التي تتم بواسطة أجهزة إرسال لاسلكية للزراعة العصبية إلى تصميم نظامي للتصنيف الآلي، وتدمج الرقائق الحديثة كامل الطبقات المادية - بما في ذلك شبكة مطابقة الهوائيات، ومضخم الطاقة، ومجهزة النطاقات الأساسية - إلى مناطق تقل عن 1 ملم2. وتشمل الأمثلة على ذلك تركيبات النيورو - راديوس التي وضعت في جامعة ميتشيغان والتي تجمع بين أجهزة نقل الطاقة الكهربائية من طراز UWB وبين أجهزة الوصل النجمية النجمية الميكانيكية.

وثمة نهج آخر بارز هو استخدام " الاتصالات الباكسترية ]، حيث يعكس الزرع نسخة مقلدة من إشارة الناقل الخارجي، مما يلغي الحاجة إلى جهاز تحويل كهربائي محلي ومضخم للطاقة، ويخفض استهلاك الطاقة إلى أجهزة ميكرويوتات، وقد ثبت أن جهاز الباكسكاتر للتسجيل المغناطيسي بأسعار بيانات مناسبة حتى بضعة وحدات مصغرة.

نقل الطاقة ونقل الطاقة اللاسلكية

ولإلغاء البطاريات كليا، يجب أن تجني الزرع العصبي الطاقة من البيئة، إذ يمكن أن تُنقل الطاقة الاسترشادية في الترددات اللاسلكية (مثل 13.56 ميغاهيرتز) أن تُوصل عشرات من المليوات على بضعة سنتيمترات، بما يكفي لمعظم الوصلات العصبية، وتدمج البروتوكولات الناشئة في تسليم الطاقة ونقل البيانات على نفس الموجة الناقلة - وهذا معروف بنموذج الإبلاغ اللاسلكي المتزامن ونقل الطاقة (S.

ويمكن أن يكمل جمع الطاقة من تحركات الجسم (الكهرباء أو التريبية) ودرجات الحرارة (الكهرباء الحرارية) الطاقة الاستباقية، مما يتيح للزرع أن يعمل باستمرار حتى عندما لا يكون مصدر الطاقة الخارجية متوائماً، وقد أظهرت النماذج الأولية الأخيرة للتراب العصبي ذاتي القدرة الذاتية انتقالاً لاسلكياً للبيانات باستخدام الموجات فوق الصوتية فقط لكل من القوة والاتصالات، مما أدى إلى ارتفاع معدلات البيانات بمقدار 3 مئات من الكيلو مترات.

الاتجاهات المستقبلية والآثار السريرية

نحو نظم مخططة بالكامل

والهدف النهائي هو وجود وصلة عصبية مزروعة بالكامل لا توجد أجهزة خارجية - أي جهاز إرسال متجه إلى الرأس ولا سلك مخترق، ويتطلب ذلك بروتوكولا لاسلكي للاتصال عبر الجمجمة والغطاء، مما يخفف إلى حد كبير الإشارات اللاسلكية والبصرية، ويمكن لنقل الطاقة اللاسلكية في منتصف الحقل )كما طوره مختبر أربابيان في ستانفورد( أن يوفر قدرة كافية على نقل البيانات في أعماقها ٢-٣ سنتيم.

إن نقل البيانات العصبية القائمة على أساس الأشعة فوق البنفسجية هو بديل واعد: فهو يقل ارتفاعا عن ارتفاع عدد أجهزة الاستنشاق بالأشعة في العظام والأنسجة، ويمكن أن يركز على تحقيق حل مكاني مرتفع، ويمكن لمنتجي الأشعة الفوقية (Gllium nitride) X أن يولدوا أجهزة الموجات فوق الصوتية ذات الكفاءة العالية، وقد ثبتت معدلات البيانات التي تتراوح بين 10 و 20 ميغابيرغ من خلال الجمجمة البشرية، مع استهلاك الطاقة مقارنة بنُوبات الترددات الراديوية.

الاعتبارات التنظيمية والأخلاقية

ونظراً إلى أن البروتوكولات اللاسلكية القائمة على الوصلات البينية الجديدة تقدم، يجب على الهيئات التنظيمية مثل هيئة تنمية الحراجة ولجنة التنسيق الاتحادية وضع معايير للسلامة والتخصيص الطيفي والقابلية للتشغيل المتبادل، وقد تكون مجموعة أجهزة الاتصال اللاسلكية الموجودة في الأجهزة الطبية محدودة؛ وقد يتطلب التوسع في نطاقات الترددات العالية (مثل 60 جيهرتز) مسارات جديدة لإصدار الشهادات.

وتقوم هيئات المعايير مثل المعهد الدولي للتعلم والتطوير بوضع معايير مكرّسة للوصلات اللاسلكية للتفاعل العصبي (E 802.15.6 للشبكات اللاسلكية لشبكات الجسد) تلبي الاحتياجات الفريدة للزراعة، ويجب على الباحثين أن يتعاونوا مع الأطباء السريريين وعلماء الطبقات لضمان أن تكون البروتوكولات الناشئة آمنة ومتينة وشفافة للمرضى، وتمول مبادرة الدماغ والمشروع الأوروبي لعلم الإنسان عدة مشاريع خاصة بشأن نقل البيانات اللاسلكية.

خاتمة

إن بروتوكولات نقل البيانات اللاسلكية للوصلات العصبية في الغد ستشكل بتقريب أجهزة اللاسلكي ذات النطاق فوق المتوسط، وأجهزة الاتصال اللاسلكية، والوصلات البصرية، والأمن الكمي، والضغط المكيف القائم على الترددات الأيطالية، وكل نهج يتناول نقاطا معينة للألم، والارتفاع، والكهرباء، والأمن، ولكن لا يوجد بروتوكول واحد يناسب جميع التطبيقات.

For further reading: Nature Scientific Reports on UWB neural transceivers, ]IEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems on THz neural interfaces, and Microsystems on Nanoengine