تصميم أجهزة تسجيل عصبية مصغرة لحلول مسببة للاضطرابات العصبية

التحدي الهندسي: بناء تيني وندوز في الدماغ

وقد وصل التكوين العصبي إلى نقطة انشطار محورية، فللسنوات العشر الماضية، كان تسجيل النشاط العصبي يعني معدات مختبرية ضخمة، أو أغطية سلكية، أو صفائف مزروعة جراحياً، مجهزة بمضخمات ثابتة، واليوم، فإن السباق يتقلص هذه النظم إلى أجهزة مصممة غير متجانسة وغير قابلة للزراعة يمكنها أن تلتقط إشارات الدماغ باستمرار، سواء كان المستخدم نائماً، أو معترضاً على ذلك.

ولا تقتصر أجهزة التسجيل العصبي المصغرة على نسخ مخفضة من أسلافها الأكبر، بل إن فيزياء التغييرات في احتياز الإشارات على نطاقات صغيرة، وازدحام الكهرباء، والضوضاء الحراري، وخصائص المدخلات المكثفة، تصبح أكثر تحدياً نسبياً، ومع ذلك فإن احتمال الدفع هائل: فالرصد المستمر للدماغ يمكن أن يغير التشخيصات اللازمة لفحص الأوبئة واضطرابات النوم، مما يتيح التداخل غير المسبوق.

التحديات الأساسية في مجال السجلات العصبية

إن التصغير ليس هدفا واحدا بل هو مشكلة متعددة الأبعاد لتحقيق الحد الأمثل، وكل قيد يتفاعل مع الآخرين، مما يرغم المهندسين على إجراء عمليات تبادل تؤثر مباشرة على أداء الأجهزة وإمكانية استخدامها.

الحجم المادي ومصنع الاستمارة

The most obvious constraint is size. Wearable devices must fitably on the scalp, behind the ear, or at the temple, for implantable versions, the volume is often measured in cubic millimeters. Shrinking the tool requires denser componentpackaging, but passive components like capacitors and inductors do not scale as easily as transistors.

إدارة الطاقة في الفضاءات المؤمنة

(ب) [ربما تكون القوة هي أكثر الاختناقات عنيداً، وتتحمل بطارية أصغر تكلفة أقل، ومع ذلك يجب أن تضخّم الإشارات العصبية ذات المستوى الجزئي، وتضفي عليها طابعاً رقمياً، وتُنقل جميع البيانات دون معالجة، ويستخدم العديد من المُسجلات العصبية ذات الصبغة الارتقاء البطارية التي تستغرق ساعات قليلة حتى يوم واحد.

الإشارة النوعية في البيئات المزعجة

وتراوحت الإشارات العصبية بين 10 و100 فولت - اثنا عشر آلاف المرات من مجموع النقد الأوروبي أو إشارة EEG قياساً تقليدياً، وتضاعف هذه الإشارات الصغيرة بينما تُرفض التداخلات الواعدة بين 50/60 هرتز، وتُحدث تداخلاً في عضلات الأعضاء، وتُعدّل الترددات اللاسلكية تحدياً كبيراً في التصميم.

التكافؤ البيولوجي والاستقرار الطويل الأجل

وبالنسبة للأجهزة التي تُستخدم في الجلد أو التي تُزرع، يجب ألا تتسبب المواد في التهيج أو التهاب أو ردود الفعل السامة.() إن الخلايا الذهبية والبلاتينيوم وأكسيد الإيريديوم هي مواد كهربية مشتركة، ولكنها تختلف في القدرة على الحقن ومقاومة التآكل الطويلة الأجل.() وتُحدث الندوب السائلة مثل البوليميدية، وبوليمرات السائلة تسمح للجهاز

استراتيجيات التصميم الخاصة بالسجل الطبيعي القابل للزراعة

واستنادا إلى التحديات المذكورة أعلاه، نسق المهندسون مجموعة من استراتيجيات التصميم التي تتوازن الأداء مع التقليل إلى أدنى حد، وهذه الاستراتيجيات ليست حصرية على نحو متبادل؛ ويجمع العديد من الأجهزة الناجحة بين عدة أجهزة.

الدائرة المتكاملة والتصميم على النظام

The first strategy is to integrate as many functions as possible on a single silicon die. Modern neural SoCs pack the amplifying stage, analog-to-digital converter (ADC), digital signal processing, and wireless transceiver into oneرق, often less than 5 mm2. This eliminates inter-chip-s parasitic capacitance, and lowers power.

الإلكترونيات المرنة والثابتة

إنّ أجهزة السحب المطبوعة تحدّ من الراحة ويمكن أن تسبب حركية، وترميمها بمحطات فرعية مرنة، تسمح للجهاز بالنحني مع الجلد، وكلاهما من البوليميتيد وبوليستر خيارات مشتركة، لكنّ مواد جديدة مثل الأوشام المتعددة الديثيل سيلوكسين وأجهزة التكفير الإلكترونية، التي تُحدّد، والتي هي مهمة بالنسبة للأجهزة التي ستُزرع في الأنسجة المتحركة.

بروتوكولات اللاسلكيات ذات القوى المنخفضة وضغط البيانات

ولا يمكن أن يتطلب نقل البيانات العصبية الخام بدون قيد في 1 كيلوهرتز في 16 قناة معدلات بيانات تبلغ 256 كيلوبت أو أكثر.() ويُعتبر استخدام نظم الطاقة المنخفضة الحجم أو ذات الحجم المنخفض خياراً مشتركاً، ولكن استهلاكها من الطاقة لا يزال مستنفداً رئيسياً، ولخفض البيانات المتعلقة بالأجهزة اللاسلكية في الوقت المناسب، وتشمل التقنيات ضغطاً لا يُحتمل مثل فقدان الموجات المستخرجة.

إدارة السلطة التأديبية وكتابة الواجبات

لا يجب تسجيل جميع النشاط العصبي باستمرار، بالنسبة لتطبيقات مثل التلقيم النائم أو الكشف عن المضبوطات الوبائية، يمكن للجهاز أن يعمل في طريقة " تحسيس " منخفضة القوة لا تصلح إلا لسلسلة التسجيل الكاملة عندما تجتاز عتبة، ويمكن أن يمتد هذا التدوير من ساعات إلى أيام، ويكشف جهاز صغير مكثف عن التغيرات الإجمالية في مضبوطات الاشارات العصبية، مثل التكييف المستمر

طلبات التسجيل العصبي المصغر

القدرة على تسجيل نشاط الدماغ خارج المختبر تفتح مجموعة واسعة من التطبيقات التي كانت غير عملية سابقاً، وتشمل هذه التطبيقات الطب والبحوث والتفاعل بين الحواسيب البشرية والخير الشخصي.

التشخيص الطبي ورصد الزمان

"للمرضى المصابين بالمرض" "الإنذار المستمر" "الإنعاش" هو معيار الذهب لضبط نشاط الضبط الذي قد يحدث فقط بضع مرات في الشهر" "الرصد التقليدي في المستشفى" يتطلب من المرضى البقاء في سرير مع غطاء مُستشفي لأيام" "والسجلات المُستَعَدّة تسمح لهم بالذهاب إلى الحياة اليومية" "بينما بيانات جهاز "إكس بي جي"

وتعطي الأجهزة التي تُستخدم في غمارها نظرة أعمق، أما Stentrode]، وهو سجل عصبي متصلب داخل وعاء دم بالقرب من القشرة النارية، فقد استخدم لتمكين الطاغية التي يتحكم فيها الفكر في المرضى المشللين، ورغم زرعه بواسطة جهاز تصوير، فإن الجهاز لا يحتاج إلا إلى جراحة سريعة.

بحوث علوم الإدمان في المستوطنات الطبيعية

وتحتاج الدراسات التقليدية التي تجريها مؤسسة " FMRI " و " MEG " إلى أن تكون موضوعات لا تزال في حالة محصورة أو خوذة، مما يحد بشدة من أنواع السلوك التي يمكن دراستها، والتفاعل الاجتماعي، وحركات اليد المعقدة، وهي حركات شبه مستحيلة، ويسمح المسجلون العصبيون بالمشاهدة في نشاط الدماغ بينما يؤدي الموضوعون مهاماً في عالم الواقع، وعلى سبيل المثال، يمكن أن يكون المشاركون في دراسة عن طريقها في المركب في المركب في حين تُتُتُها.

أوجه المساعدة في التكنولوجيا

وقد تؤدي هذه المركبات غير المفرغة التي تستخدم الرؤوس القابلة للزراعة إلى الحد الأدنى من الرؤوس القابلة للزراعة إلى تمكين المستعملين من التحكم في الوساعات أو الكلمات الميكانيكية أو اللعب البساطية.

تحسين الشخصية والمعرفة

وقد أتيحت أجهزة EEG القابلة للارتداء من الدرجة الاستهلاكية لسنوات (مثلا، Muse، NeuroSky)، ولكنها تستخدم عادة بضعة كهروود جاف وتعتمد على تجهيزات السائب في جهاز هاتف ذكي، ويتيح التنميط قنوات أكثر، ويزيد من نسبة الإشارات إلى المصابيح دون الكبر، وتشمل التطبيقات إعادة التغذية العصبية في الوقت الحقيقي لتحسين التركيز أو الحد من عبء العمل العقلي أثناء المهام المعقدة.

الاتجاهات المستقبلية والتكنولوجيات الناشئة

ويتقدم الميدان بسرعة، مدفوعاً بتحسينات موازية في تركيبات شبه الموصلات والمواد والتعلم الآلي، ومن المرجح أن يدمج الجيل القادم من الأجهزة سمات تبدو اليوم خيالاً علمياً.

كامل الميكروستات المصغرة مع طاقة لاسلكية

ويتمثل أحد الأهداف الرئيسية في إيجاد أجهزة صغيرة بما يكفي لتحقن من خلال إبرة وأجهزة لاسلكية من قشرة خارجية قابلة للزراعة، وقد قام الباحثون في UC San Diego باستحداث سلاسل غبارية عصبية، وأجهزة نقل ذات مقياس فرعي يمكن تفريقها عبر القشرة، وكلها تحتوي على نسيج كهربائي، وفي وقت واحد.

On-Chip Artificial Intelligence for Real-Time Processing

ومن شأن الانتقال من نقل البيانات الخام إلى الترجمة الشفوية في المستقبل أن يقلل من الطاقة والارتطام، إذ يمكن لمسرّع الشبكة العصبية التي تلائم في إطار نظام التناظر الأمامي للرقاقة أن يصنف مراحل النوم، أو يكشف المضبوطات، أو يُستخدم في الحركات المصممة في غضون ثوان، ولا تستهلك هذه الأجهزة سوى المايكرويوتات أثناء أداءها في شكل متغيرات، والتحدّد في تدريب كلّة على تقنيات التحويل الشاملة.

Energy Harvesting from Body Energy

ولا تزال البطاريات هي أضعف حلقة في الأجهزة القابلة للارتداء، إذ إن هذه المركبات ذات دورات محدودة، وتتطلب استبدالا دوريا، إذ أن جني الطاقة من حرارة الجسم (الكهرباء الحرارية)، أو الحركة (الكهرباء أو التريبوئية)، أو خلايا الوقود الأحيائي (التي تستخدم غاز البلوكو في سوائل الجسم) يمكن أن يؤدي إلى التشغيل الدائم.

المواد المتطورة المتوافقة مع البيئة

إن علم المواد يخلق طلاءات كهربائية جديدة تقلل من استجابة الجسم الأجنبي وتحافظ على انخفاض الضغط على مر السنين، وجهاز البوليمرات السائلة مثل PEDOT:

خاتمة

إن أجهزة التسجيل العصبي المصغرة تعمل على تحويل كيفية تفاعلنا مع الدماغ، وذلك بضغط المضخمات والراديو والمعالجات إلى مجموعات يمكن أن تُرتدى تحت قبعة أو تُزرع من خلال سفينة دم، يقوم المهندسون بإزالة الحواجز بين الدماغ والعالم الخارجي، ويواجهون تحديات هائلة، وضوضاء، وقابلية العلاج من الأمراض الحيوية، وإمكانيات جديدة من حيث التقدم.