הפיתוח של מערך הקלטה עצבית אולטרה-גבוה מייצג קפיצת טרנספורמציה במדעי המוח, המאפשר לחוקרים להתבונן בפעילות החשמל של המוח בקנה מידה חסר תקדים ורזולוציה.על ידי לכידת אותות מעשרת אלפי נוירונים בו-זמנית, מכשירים אלה פותחים את הדינמיקה המורכבת של מעגלים עצביים ומספקים תובנות חדשות לתפקוד המוח, התנהגות ומחלות.

התפתחות הקרנה נילי

מערך ההקלטות של נילי התפתח באופן דרמטי מאז ימי ההקלטות הבודדות.במשך עשרות שנים, האלקטרופילולוגים התבססו על אלקטרודה חד אחת או על חבילה קטנה של מיקרו-חוטיים כדי לפקח על פעילות קומץ של נוירונים.בעוד ששיטות אלה הניבו ידע בסיסי על פוטנציאל פעולה ופוטנציאלי שדה מקומיים, הם הציעו רק תצוגה מפורצת של רכיבי נוי.

פריצת הדרך האמיתית הגיעה עם הופעתן של מערכות ייצור מיקרואלקטרוניקה (MEMS) (MEMS) טכניקות ייצור.על ידי יישום תהליכים פוטו-ליטיתגרפיים שנלקחו מהתעשייה המוליכים למחצה, החוקרים יכלו ליצור בדיקות מבוססות סיליקון עם עשרות אתרי הקלטה ממולאים בדיוק.הבדיקה של מישיגן ומערך אלקטרודה יוטה היו אבני דרך מוקדמות, המציע עד 100 ערוצי הקלטות.

בעשור האחרון, חידושים בעיצוב וחומרים דחפו ספירת ערוצים לאלפים.מכשירים כגון Neuropixels (שתפתחו על ידי מכון אלן ושותפים) לארוז כמעט אלף אתרי הקלטה על פיסת סלנדר אחת, המסוגלים להקליט מ-700 נוירונים לבדיקות במקוטנטים. יותר אבטיפוסים אחרונים, כולל CMOS מבוססי CMOS ובדיקות פולימרים גמישות, הם עכשיו השגת דגני שיניים של עשרות אלפי אתרים של מיפוי יחידני.

חדשנות טכנולוגית מפתח

האבולוציה כלפי מערך דיוק-גבוהה מונעת על ידי התכנסות של התקדמות במיקרו-פטריבית, חומרים מדע, אלקטרוניקה ותקשורת אלחוטית.

מינימום של אלקטרודות ומגע Pitch

הפחתת הגודל הפיזי של כל אתר הקלטה חיוני כדי להגדיל את צפיפות מבלי לגרום נזק רקמה מופרזת.אלקטרודות המודרנית יש קוטרים על סדר של 10-20 מיקרומטר, שטח רק 20-30 מיקרומטר בנפרד. miniaturization זה מושג באמצעות photolithography מתקדמת, ion ion irreactive ion etching, ו-Vateting טכניקות קישור.

חומרים ביולוגיים גמישים וגמישות

בדיקות סיליקון קשיחות מסורתיות לעתים קרובות לעורר תגובה חיסונית מתמשכת, המוביל לצלקות גלית וירידה אות במשך שבועות.כדי להתגבר על זה, מהנדסים פנו לתתות גמישות כגון פולימריד, parylenelene, ופולימריש נוזלי.חומרים אלה מתאימים להילוך עדין של המוח, צמצום נזקי רקמות הנגרמים מיקרו-תזונה.

עיבוד Active Electronics ו- On-Chip

כמו ספירת ערוצים, האתגר של העברת אותות אנלוגיים גולמיים באמצעות חוטים דקים הופך להיות עצום. Integrated מתכת-חמצני-semiconductor (CMOS) מעגלים, המוטבע ישירות על החקירה העצבית, לטפל בבעיה זו.על-chip מגבר, מסננים, ומספרקסרים להפחית את מספר הפלט תוך שמירה על נאמנות אותות.

העברת נתונים ואספקת חשמל

ביטול tethers הוא חיוני ללימוד התנהגויות טבעיות.ערכים אחרונים מעסיקים ליד שדה תקשורת, הפיכה אינדוקטיבית, או משדרי גל מ"מ כדי לייעל נתונים עצביים למקלט סמוך. Power ניתן להעביר באופן אלחוטי באמצעות אינדוקציה אלקטרומגנטית או באמצעות סוללות קטנות, טעינה משולבת לתוך השתל. לדוגמה, חוקרים באוניברסיטת קליפורניה, ברקלי הוכיחו הקלטה אלחוטית מלאה עם יותר מ-1,000 ערוצים, המאפשרים לפעילות המוח שלהם באופן חופשי, תוך מעקב אחר זמן פנוי.

מרקם מקבילים ו Scalability

כדי לייצר מכשירים עם עשרות אלפי אתרים, יצרנים עברו מ-Perthography יחיד-פרוב לתהליכים בקנה מידה. סיליקון ויפר יכולים לארח מאות בדיקות זהות, כל אחת עם אלפי אלקטרודות, צמצום דרמטי בעלויות ליחידות. חלק מהקבוצות חוקרות טכניקות ערימה 3D, שבו שכבות מרובות של אלקטרודות משולבים אנכית, עלייה בצפיפות ללא הרחבת הגישות הדרגתיות הללו הן חיוניות עבור מעבר זמין לכלי אבטיפוס מסחריים.

יישומים במדעי המוח המודרניים

מערך שקיפות גבוהה אולטרה-גבוה כבר מעצב מחדש מחקר על פני תחומים מרובים של מדעי המוח, מניתוח מעגלים יסודי למחקרי תרגום של הפרעות המוח.

ממפה של מעגל עצבי במהלך התנהגויות מורכבות

אחת האפליקציות החזקות ביותר היא להקליט מאוכלוסיות עצביות גדולות בעוד בעלי חיים העוסקים בלמידה, קבלת החלטות או אינטראקציות חברתיות.לדוגמה, על ידי השתלת בדיקות בעלות גבוהה על פני קליפת המוח הקדמית והיפוקמפוס של חולדות, מדענים החלו לפענח כיצד האנסמבלים העצביים מקודמים במרחבי ניווט וזיכרון.היכולת לפקח בו זמנית על אלפי נוירונים מאפשרת לחוקרים לזהות תא כניגודים - קבוצות של נוירונים שעוקבים מדויקים בתבניות למידה אלה.

חקירת הפרעות נוירולוגיות ופסיכיאטריות

מערך שקיפות גבוהה של אולטרה גבוהה מספק חלון לתוך פעילות aberrant תנאים בסיסיים כגון אפילפסיה, מחלת פרקינסון, ודיכאון. באפילפסיה, למשל, מערךים יכולים להצביע על אזור ההתקפים עם דיוק גדול יותר מאשר אלקטרודות קליניות מסורתיות, המנחה ניתוח ניתוחי מחדש. במודלים של הפארקינסון, החוקרים צפו בסינכרון חריג בכנופיות הבבליות, אשר יכול להיות מקטעי לוואי (DSDBS) באופן פוטנציאלי, חומרים מתקדמים.

‹ Advanced Brain-Computer Interfaces

ממשקי המוח (BCIs) מסתמכים על אותות עצביים מרתיעים כדי לשלוט במכשירים חיצוניים.מערךים של אולטרה-גבוה מגבירים באופן דרמטי את רוחב הפס של המידע הזמין לפירוק.הפגנות האחרונות הראו מטופלים שעברו שיתוק אנושי באמצעות מערך מיקרו-קודדות בעל רגישות גבוהה כדי לשלוט בנשק רובוטי עם דרגות מרובות של חופש ואפילו כדי ליצור דיבור מפעילות עצבית.

יוזמות מוח גדולות ומדע משותף

פרויקטים גלובליים כגון יוזמת BRAIN בארצות הברית, פרויקט המוח האנושי באירופה, ופרויקט המוח של סין משקיעים בכבדות בטכנולוגיית ההקלטות אולטרה גבוהה של דיוק גבוה.המטרה היא ליצור דיאגרמות מתפתלות ומפות פעילות של אזורי מוח שלמים.TheFLT:0BRAIN InitiativeFLT:1 מממנת ישירות את הפיתוח של ארכיטקטורות חדשות, כולל ששיתרי המוח 2.0, שמציעים כיום פלטפורמות משותפות עם 5,000 כלים.

אתגרים עקביים

למרות התקדמות יוצאת דופן, כמה מהמכשולים נשארים לפני מערך דיוק גבוה להשיג את מלוא הפוטנציאל שלהם הן במחקר והן בהגדרות קליניות.

נפח עיבוד וצווארי בקבוק

בדיקה חד-שנתית אחת יכולה לייצר עשרות ג'יגה-בייטים של נתונים לשעה.התפוקה הכוללת מניסוי רב-פרובה יכולה להגיע במהירות ל- terabytes. Storing, העברה וניתוח נתונים מסיביים כאלה דורשות תשתיות חישוביות מתוחכמת.ענן פלטפורמות מבוססות פלטפורמות ומחסני חומרה מיוחדים עדיין אלגוריתמים (למשל, GPUs ו- FPGAs) הם פרוסים לטיפול אמיתי-מדיום מתקדם ו-pacting-pancy-buting.

זמינות ביולוגית ויציבות ארוכת טווח

גם עם חומרים גמישים, התגובה של גוף זר כרוני נותרה בעייתית.במשך חודשים, מיקרו-glia ואסטרולוגים מחלחלים את החקירה, הגדלת זיהום אלקטרודה וצמצום מספר הנוירונים שניתן להקליט.חלק מהקבוצות חוקרות ציפויים של תרופות נגד תרופות המשחררות סוכנים נגד דלקתיים או גורמים נוירוטרופיים. אחרים מעצבים בדיקות המחקות את התכונות המכאניות של המוח, באופן הדוק, תוך שימוש ברקמות או סטיות, במיוחד עבור מיפוי עצבי, כגון אתגרים.

הכנס פולשני וטכניקה כירורגית

שילוב מערך נוקשה או גמיש למחצה ללא גרימת נזק פולשני או דחיסה של רקמות עצבית דורש דיוק קיצוני. מכשירים רבים מועברים באמצעות כלים לזריקה pneumatic או מזריקים מהירים במהירות גבוהה. גישות חדשות כוללות באמצעות מיקרו-בקרים או סוכנים נוקשות זמניים (למשל, משי ביוסרברלי או פוליאתילן גליקול) כי לאחר השתלת המטרה היא להפוך את המוח באופן נרחב ככל האפשר, כמוצרת המוח, באופן מיידי, כמו גם הוא מתחיל להיות מסוגל.

חשמל אלחוטי ו-Data Bandwidth Constraints

בעוד שפעולה אלחוטית רצויה, העברת אלפי אותות עצביים ברזולוציה גבוהה דרך הגולגולת מציגה מגבלות רוחב פס בסיסיות.מערכות ליד שדה יכולות להתמודד עד כמה מאות ערוצים בשיעורי נתונים מקובלים. מילימטר-גליל וקישורים אופטיים מציעים יכולת גבוהה יותר אבל להציג אתגרים הנדסיים חדשים, כגון חימום ושורה של דרישות פיקוח. עבור שתלים קליניים, התחזוקה הנוספת של תקציבי חשמל נוקשים (כדי להימנע מהתחממות) היא עוד יותר, כמו חימום ומגבלות על מנת לפתח רוחב פסים מתקדמים.

כיוונים עתידיים ומושגים מתעוררים

הדור הבא של מערךי הקלטות עצביות הוא צפוי להיות אפילו יותר מתוחכם, שילוב של מספר רב של שיטות וסגירה של הלולאה בין הקלטה לגירוי.

אדריכלות: Probe Architectures

החוקרים דוחפים למערךים עם למעלה מ-100,000 אתרי הקלטה.זה ידרוש שיטות ייצור חדשות, כגון מעגלים ננופוטניים עבור מידע אופטי קראט, או ערימה 3D של שכבות אלקטרודה מרובות. חלק מהעיצובים משלבים ערוצי מיקרו-השפעה עבור אספקת סמים מקומית, המאפשרים הקלטה בו זמנית ומניפולציות פרמקולוגיות.ה מושג "אבק עצבי" - חיישנים אלחוטיים לאורך כל המוח - הוא גם ממשיך לצבור מערכת ראייה ארוכה.

שילוב עם אופטיקוגניות ושינויים אחרים

שילוב של הקלטה חשמלית עם גירוי אופטי (optogenetics) מאפשר לחוקרים לקרוא ולכתוב פעילות עצבית עם דיוק גבוה. So- מה שנקרא "optrodes" לשלב דיודות אור או סיבים אופטיים לתוך מבנה החקירה.המכשירים ההיברידיים האלה מאפשרים בדיקות סיבתיות של תפקוד עצבי: הפעלת תת-קבוצה מסוימת של נוירונים והתבוננות בשינויים הנובעים מפעילות ברשת על פני אלפי ערוצי תצוגה מסוג זהים.

סגור-Loop ו- Adaptive Interfaces

המערכת הטיפולית האולטימטיבית של BCI או מערכת טיפולית לא רק להקליט אלא גם לעורר תגובה לפעילות עצבית מתמשכת.לדוגמה, באפילפסיה, מערך סגפני סגור יכול לזהות את תחילת ההתקפים ולספק דופק חשמלי בזמן בדיוק לבורט אותו.במחלת פרקינסון, גירוי מוח עמוק הסתגלות יכול להתאים את הפרמטרים באופן קבוע בהתבסס על הקלטות בזמן אמת של osciations.

תרגום לשימוש קליני בבני אדם

בעוד שרוב המערךים הנוכחיים משמשים במודלים של בעלי חיים, יש תנופה גוברת ליישומים אנושיים.המערך יוטה כבר אושר לשימוש אנושי לטווח קצר במחקרי BCI, וערכים חדשים יותר מתוכננים עם בטיחות האדם בראש שיקולים מרכזיים כוללים זמינות ביולוגית ארוכת טווח, האריזה האמפטית שלה, והתאמה ל-MRI.

מסקנה

מערך הקלטה עצבית אולטרה-גבוה שינתה את הנוף של מדעי המוח, המציע חלון לסימפוניה החשמלית של המוח ברמה של פרטים פעם בלתי אפשרי.באמצעות אלקטרודות מחוסמות, חומרים ביו-תואמים גמישים, אלקטרוניקה על שבב, ותקשורת אלחוטית גבוהה, מכשירים אלה מתעדים כעת גם מעשרות אלפי נוירונים בו-זמנית, וחושף את הכוריאוגרף הדינמי של מעגלים עצביים במהלך התנהגות, למידה, ופתים, סביב מיפוי נתונים פולשני, אך לא-טווח קצר-טווחי, אלא גם כן, אלא גם כן, אך ורק מהירויות אבטחה קצרות-טראומה, אך לא-טווח קצר-טווח קצר-טווח קצר-טווח, אך ורק של מהירויות של התחממות-תרגול, הן עדיין סגורות, הן יישארו סודיות, אך ורק של סודיות, אך ורק של מהירויות של מהירויות של סודיות, אך ורק של מהירויות של התחממות-תרגול, אך ורק של סודיות, אך ורק של סודיות, אך ורק של סודיות, אך ורק מהירויות של סודיות, הן יכולות-טווח קצר-טווח קצר-טווח קצר-טווח קצר-טווח קצר-טווח קצר-טווח קצר-טווח קצר-טווח קצר-טווח קצר-ידי התחממות-טווח קצר-ידי התחממות-טווח