עיצוב חיישנים עצביים של הדור הבא מוח ברזולוציה גבוהה מפה

Neuroscience עומד ברגע מרכזי.היכולת להקליט ולפרש את הפעילות החשמלית של המוח ברזולוציה גבוהה היא כבר לא מטרה מרוחקת, אלא מאיץ מציאות.חיישנים עצביים הדור הבא נועדו ללכוד נתונים בקנה מידה מרחבי וזמני חסר תקדים, לחשוף את הריקוד המורכב של נוירונים כי תחת מחשבה, תנועה, ומחלות.

מיפוי המוח של High-Resolution

טכניקות נוירו-אייגנציה קיימות, בעוד חזקות, יש עיוותים בסיסיים של מסחר אלקטרוני (FMRI) הדמיה מגנטית תפקודית (fMRI) מציעה כיסוי מוח שלם עם רזולוציה מרחבית בקנה מידה מילימטר, אך סובל מתשובות איטיות המודינמיקה כי אירועים מטושטשים המתרחשים במילימטריים שניות.אלקטרופילוגרפיה (EEG), אם כי מהר, לא יכול להצביע על מקור הפעילות העצבית עם דיוק כי הם אותות גולגולתיים ואפקטיביים (G) כמו מגנטים עמוק).

מיפוי מוח גבוה של רזולוציה גבוהה נועד למלא את הפערים האלה על ידי הקלטת ישירות מרקמות עצביות עם פתרון מרחבי יחיד ודיוק זמני של מילימטר השני.יכולות כאלה חיוני להבנת האופן שבו מעגלים עצביים מעבדים מידע, עבור אבחון הפרעות כגון אפילפסיה או פרקינסון, ולפתח ממשקי מוח (BCIs) אשר לשחזר את הפונקציה כדי להשתק חולים, במיוחד במחקר בסיסי, שבו דורשות מיפוי של אורגניזמים:0F מ-FD.

עקרונות עיצוב הליבה של חיישנים עצביים הבאים

תכנון חיישן שניתן להשתל במוח ולרשום אותות איכותיים במשך חודשים או שנים דורש מספר מגבלות סותרות.העקרונות הבאים מנחים למחקר ופיתוח הנוכחי.

מינימום ו-Tissue Compatibility

צמצום טביעת הרגל הפיזית של החיישן מפחית את הנזק במהלך ההכנסה ומפחית את הסיכון לדלקת כרונית.בדיקות מודרניות הן רק כמה עשרות מיקרומטרים סמיבים, קטנים מספיק כדי להימנע ממינוף כלי דם גדולים או מזיזים נוירונים. substrates גמישים, כגון פולימרים דקים-סרטים, מאפשרים את הבדיקה להתאים את תנועות הטבע של המוח, צמצום המתח בממשק רקמות.

רגישות גבוהה ורעש נמוך

אותות נוירונאליים - פוטנציאל פעולה ופוטנציאלי שדה מקומיים - הם בטווח המיקרו-וולט ל- מילימטר.החיישנים חייבים להיות רעשים לא רצויים נמוך, תנופה גבוהה מתאימה לרקמות הסובבות, ורווח מספיק כדי לזהות אותות קלים אלה. הנדסה ממשק אלקטרודה-אלקטרוניקה עם חומרים כגון פלטינה שחורה או פולימרים מוליכים יכול לשפר את יחס אותות אותות אותות (NRS) על ידי הגדלת פני השטח אלקטרודה-אלקטרוניקה יעיל.

זמינות ביולוגית ויציבות ארוכת טווח

המכשיר לא צריך לעורר תגובה חיסונית כרונית כי מטביעה אותו רקמת צלקת גלית, אשר מדגמת איכות אות לאורך זמן. חומרים צריך להיות יציב בסביבה האקרוזיבית של המוח ומתנגד הידרוליזה או דלמנציה. ציפויים ביולוגיים, כגון אנטי דלקתיים מזהמים פולימרים או שכבות ביומטיות כי הם לקדם שילוב עצבי, הם להרחיב את החיים פונקציונליים.

העברת נתונים ועוצמה

העברת חיה או אדם לכבל מגבילה התנהגות טבעית ותנועה.התמכה אינדוקטיבית, שידור רדיו קידוד ואולטרסאונד הוכחו כולם כשיטות להעברת כוח ולאחזר נתונים אלחוטיים.יעילות כוח היא קריטית כי חום שנוצר על ידי האלקטרוניקה יכול להזיק רקמות הסובבת גם אם החיישן עצמו אינו תואם את עצמו.

חומרים מדע פורץ דרך

בחירת החומרים לחיישנים עצביים השתנתה ממתכות מסורתיות וסיליקון לעבר תרכובות המשלבות ביצועים חשמליים עם גמישות מכנית.FLT:0GraphenephFLT:1, שכבה אחת של אטומי פחמן, מציעה מוליכות יוצאת דופן, כוח מכני, ושקיפות אופטית. זה יכול להיות דפוס לתוך מערך אלקטרודה גבוהה שנרשמ ממאות אתרים על בדיקה אחת.

אלקטרוניקה אורגנית, כגון פולי(3,4-ethylenedioxythiophene) תערובת (PEDOT) הם גם צוברים מתחזים.חומרים אלה ניתן להפקיד על תת-שכבות גמישות באמצעות הדפסה או אלקטרודה, המאפשר ייצור בקנה מידה גדול. pEDOT-based אלקטרודות יש תנופה נמוכה יותר וכובע ספציפי גבוה יותר מאשר מתכת, מה שהופך אותם אידיאליים עבור אותות הדבקה נמוכה, בנוסף לדלקת המוח שלהם.

כיוון מבטיח נוסף הוא השימוש של פולימרים פולימרים פולימרים צמאים 1FLT (FLT:0) אשר משנים נוקשות על ההחדרה.אלה יכולים להיות נוקשים מספיק כדי לחדור את המחפר ולאחר מכן לרכך כדי להתאים את המודולולים של המוח, צמצום הנזק.שלב חומרים כאלה עם ציפויים מסולקים או פולימרים כהים כי באופן זמני את הבדיקה עבור שדה פעיל של מחקר הוא תחום מחקר פעיל.

מיקרו-תזונה ואלקטרו-דינס גבוהה

טכניקות פוטו-תרמיות הלווה מתעשיית המוליכים למחצה אפשרו יצירת בדיקות עם מאות עד אלפי אתרי הקלטה על סף יחיד:0;0;NeuropixelssofFLT:1, שפותחה על ידי מכון אלן ו-IMEC, חבילות 384 ערוצי הקלטה באופן דרסטי על 10 מ"מ ארוך, 70 מיקרומטר רחב סיליקון.

מערך אלקטרודה תלת-ממדי, כגון:0;0; Michigan-סגנון חקירות של sert1 עם מספר רב של סדקים או מערך יוטה עם רשת של מחטים, מאפשר כיסוי נפח של אזורי המוח.שלב מספר רב של שפחות עם חיבורים גמישים יכול ליצור "מטריקס" אשר תואם משטחים עצביים מעוקלים.

חשמל אלחוטי וניהול נתונים

כוח חיישן מושתל ללא חוטים נשאר אחד האתגרים ההנדסיים הקשים ביותר.ההפיכה אינדוקטיבית, שבו סליל חיצוני משדר אנרגיה ל סליל מושתל באמצעות שדות מגנטיים, היא הגישה הבוגרת ביותר.עם זאת, יעילות נופלת במהירות עם מרחק וטענות יתר (FLT:0Ultrasonic power transferFLT:1, באמצעות גלים גבוהים, יכול לחדור במהירות עם מעט יותר והופכת את הקלט של כוח LT2.

רוחב פס העברת נתונים הוא עוד צוואר בקבוק.הקלטה מאלפי ערוצים מייצרת שיעורי נתונים של כמה ג'יגה-ביט לשנייה.ל שידור בקצב זה על מרחק קצר בעת שהייה בתוך גבולות כוח בטוח דורש תוכניות מודולציה מתקדמות ואלגוריתמים דחיסה.על שבב עצביים מיון, המזההה ומקצה כל פעולה אפשרית לביצוע נוירון ספציפי, מקטין את זרם הנתונים היוצא לכמה קילוביט לשנייה, ומגדיר אותות חיצוניים, כגון דחיסים, או מחוספסים, כגון דחיסים, או ממין, כגון דחיסים, או ממין, כגון דחיסים, ומקרינים, או ממין, כדי להעביר כמה שגיאות קלות, או ממין, או ממין, כדי להעביר כמה שגיאות קלות, או ממין, או ממין, כדי להעביר כמה שגיאות קלות, או ממין, או ממין, או ממין, כדי להעביר כמה שגיאות קלות, או ממין, כדי להעביר כמה שגיאות קלות לשגיאות חיצוניות, או לשגיאות חיצוניות, כדי להעביר כמה שגיאות קלות, כדי להעביר כמה שגיאות קלות עבור כמה.

התמודדות עם אתגרים מרכזיים

יציבות לטווח ארוך וירידה

אפילו את המחקר האיתול ביותר יכול לסבול מהשפלה חומרית במשך חודשים.אלקטרודות מתכת יכול corrode, וציפוי פולימרים יכולים להרוס.אסטרטגיות כוללות שימוש מתכות אציליות (platinum, irdium oxide) עבור אלקטרודות, encapsulating את המעגל ב parylene-C או נוזל גבישי פולימר, והפעלה מחדש של תגובות to reverseated אלקטרודות generatedmonds כגון ציפויים:

תגובה ראשונה וגליל סקרינג

כאשר אובייקט זר מושתל, תאי החיסון של המוח (מיקרוglia ו אסטרוציטים) מקיף אותו, ויצר צלקת גלית המבודדת המבודדת את אלקטרודות ומפחיתה את האות Amplitude. Anti-inflammatory שחרור, ציפויי פני השטח המחקים את הממטריקס הנוסף, ולהגדיל את התהליכים הנוירונאליים באמצעות המכשיר הם כולם תחת חקירה אחת מבטיחה לשימוש:0neuroneuricericericericerto-to-to-tortorto-to-to-to-toricials.

עיבוד נתונים ודרישות אלגוריות

נפח הנתונים של מערך זיהוי גבוה דורש צינורות עיבוד אותות חזקים. הסרת Artifact (הנעה, רעש חשמלי), גילוי ספייק, ומיין חייב להתבצע בזמן אמת עבור יישומים סגורים-loop טכניקות למידה מכונה, במיוחד רשתות עצביות עמוקות, משמשים יותר ויותר כדי להתאים את המשימות האלה.על שבבים אשר ליישם אלגוריתמים אלה עם צריכת חשמל מינימלית הם, המאפשרים מכשירים אוטונומיים באמת.

טכנולוגיות מתפתחות וכיוונים עתידיים

שילוב עם Optogenetics

שילוב של הקלטה חשמלית עם גירוי אופטי מאפשר קריאה ומניפולציה של פעילות עצבית.חיישנים עצבית אחרונים משלבים דיודות אור בקנה מידה מיקרו-תכליתי (μLEDs) ישירות על סף בדיקה, המאפשרת ביטוי אופטי מדויק או מעכב של נוירונים ממוקדים.

חיישן היברידי: ננומטרי וכימיקלים

מעבר אותות חשמליים, המוח מתקשר דרך נוירוטרנסמיטורים ונוירומודולטורים.חיישנים שמקרינים דופמין, סרוטונין, גלוטמט, או מולקולות אחרות בזמן אמת משולבים עם בדיקות אלקטרופיזיולוגיה קלאסיות.מכשירים רב-תפקודיים אלה יכולים לקשור פעילות חשמלית עם תנודות כימיות, המציעים תמונה מלאה יותר של חישוב עצבי פחמן.

אינטליגנציה מלאכותית על צ'יפ

חיישנים עתידיים כנראה יהטמיעו מאיצים AI שיכולים לנתח נתונים עצביים בזמן אמת, לזהות את הופעת ההתקפים, או לפענח תנועות המיועדות עבור BCIs. על ידי ביצוע ההפרעה מקומית, המכשיר יכול לספק משוב מיידי למטופל ורק לשדר נתונים סיכום למכשירים חיצוניים, לחסוך כוח ורוחב הפס.

יישומים קליניים ומחקריים

חיישנים עצביים ברזולוציה גבוהה כבר משנים מספר תחומים.במדע המוח הבסיסי, הם מאפשרים לחוקרים למפות את הארכיטקטורה התפקודית של עמודות קורטיות, לעקוב אחר ההתפשטות של ההתקפים דרך המוח, וללמוד את הדינמיקה של קונסולת זיכרון במהלך השינה.TheFLT:0BRAIN InitiativeFLT:1 יש פרויקטים בקנה מידה גדול כדי להקליט מאלפי נוירונים מרובים באזורים במוח, בו זמנית מגלה כיצד מערכות נתונים מבוזרות.

מבחינה קלינית, חיישנים אלה משמשים למיפוי טרום ניתוחי בחולי אפילפסיה, שבו רשתות רגישות גבוהה שמונחות על קליפת המוח יכולות להצביע על אזור ההתקפים עם דיוק תת-מילימטרי. במחלת פרקינסון, אלקטרודות מוח עמוק כי גם להקליט פוטנציאלי שדה מקומיים הופכים סטנדרטיים, המאפשרים גירוי הסתגלות להסתגל להסתגל להסתגל למצב של המטופל.

שיקולים אתיים והמשפטיים

כאשר חיישנים עצביים הופכים להיות יותר מסוגלים, שאלות אתיות מעצימות את ה-FLT:0 (פרטיות של נתונים עצביים FLT:1) הוא רב-חשיבות - יכול שחקן זדוני ליירט אות מוח אלחוטי ולפענח את המחשבות הפרטיות של האדם? מסגרות תגמול כגון הדרכת ה- FDA על בטיחות עצביים מותאמים אישית ויעילות, אך תקני אבטחה הם עדיין לאנטנטים.

מחקר בבעלי חיים באמצעות חיישנים אלה מעלה גם חששות אתיים.שימוש בעקרונות לא אנושיים במחקרים של BCI הוא שנוי במחלוקת במיוחד.הקהילה המדעית ממשיכה לחדד את 3Rs (הפחתת, הזיכוך, החלפת) ולפתח הנחיות לטיפול אנושי בבעלי חיים מחקר.הפיתוח של FLT:0in vitroFLT:1 מודלים (in vitroFLT:1) וסימולציות סיליקון עלול בסופו של דבר להפחית את הצורך בבדיקת בעלי חיים.

מסקנה

העיצוב של חיישני העצביים הבאים הוא מאמץ רב תחומי, ציור מ nanoscience, הנדסה חשמלית, נוירוביולוגיה וחומרים כימיה.ההתקדמות שנעשתה בעשור האחרון - מחקירה עם קומץ אלקטרודות למכשירים שיא של אלפי אתרים אלחוטיים - מאיץ את ההבנה שלנו של העבודה הפנימית של המוח, אך אתגרים משמעותיים נשארים: לטווח ארוך, כוח, ניהול רוחב פס, שניהם, ובדיקה מקיפה של נתונים עצביים, בסופו של דבר, הם מתקדמים, כמו גם על פני כדור הארץ, ובדיקה אנושית, כמו גם על פני כדור הארץ, יש צורך, ובדיקה אנושית, כמו גם על פני כדור הארץ, ובדיקה מורכבת, כמו גם על פני השטח, ובדיקה של מחקר חדש, ובדיקה של הגוף האנושי, יש צורך, כמו גם על פני כדור הארץ, ובדיקה מורכבת, יש צורך, ובדיקה של תהליכי מחקר חדש, אך ורקפת.