La sfida di ingegneria: costruzione di piccole finestre nel cervello

Per decenni, la registrazione di attività neurale ha significato attrezzature di laboratorio ingombranti, tappi cablati, o array implantari chirurgicamente tethered a amplificatori stazionari. Oggi, la corsa è su per ridurre questi sistemi in dispositivi indossabili e poco invadenti che possono catturare segnali cerebrali continuamente, se l'utente dorme, al lavoro, o muoversi attraverso il mondo.

I dispositivi di registrazione neurale miniaturizzati non sono semplicemente versioni abbagliate dei loro predecessori più grandi. La fisica dell'acquisizione del segnale cambia a piccole scale. L'impedenza elettrode, il rumore termico e le caratteristiche di ingresso dell'amplificatore diventano proporzionalmente più impegnative. Tuttavia il potenziale payoff è enorme: il monitoraggio cerebrale continuo e in tempo reale potrebbe trasformare la diagnostica per i disturbi dell'epilessia e del sonno, consentire interfacce del cervello intuistiche (BCI)

Nucleo sfide in miniaturizzazione dei registratori neurali

La miniaturizzazione non è un unico obiettivo ma un problema di ottimizzazione multidimensionale, ogni vincolo interagisce con gli altri, costringendo gli ingegneri a fare i tradeoff che influiscono direttamente sulle prestazioni del dispositivo e sull'usabilità.

Dimensione fisica e fattore forma

I dispositivi indossabili devono adattarsi comodamente al cuoio capelluto, dietro l'orecchio o al tempio. Per le versioni impiantabili, il volume è spesso misurato in millimetri cubici. Lo spostamento del dispositivo richiede un imballaggio più denso dei componenti, ma componenti passivi come condensatori e induttori non scalano facilmente come transistor.

Gestione del potere negli spazi confusi

Una batteria più piccola contiene meno carica, ma l'elettronica deve amplificare i segnali neurali a livello di microvolt, digitalizzarli e trasmettere i dati in modalità wireless, mentre l'utente è intestato. Molti registratori neurali usurabili utilizzano una batteria ricaricabile che dura poche ore al giorno.

Qualità dei segnali in ambienti rumorosi

I segnali neurali vanno da 10 a 100 microvolti, migliaia di volte più piccoli di un segnale ECG o EEG misurati convenzionalmente. Amplificando tali segnali minuscoli mentre rifiutando l'umorismo principale 50/60 Hz, artefatti muscolari e interferenza radiofrequenza è una sfida di progettazione importante.

Biocompatibilità e stabilità a lungo termine

Per i dispositivi che contattano la pelle o sono impiantati, i materiali non devono causare irritazione, infiammazione o reazioni tossiche. L'oro, il platino e l'ossido di iridio sono materiali elettrodi comuni, ma differiscono per la capacità di iniezione di carica e la resistenza alla corrosione a lungo termine.

Strategie di progettazione per la registrazione neurale indossabile

Attingendo alle sfide sopra descritte, gli ingegneri hanno convergeto su una serie di strategie di progettazione che bilanciano le prestazioni con la miniaturizzazione, che non sono reciprocamente esclusive; molti dispositivi di successo combinano diversi.

Circuito integrato e Sistema-on-Chip (SoC) Design

La prima strategia è quella di integrare il maggior numero di funzioni possibile in un unico die in silicio. I moderni soc neurali imballano la fase di amplificazione, il convertitore analogico-digitale (ADC), la elaborazione digitale del segnale e il transceiver wireless in un chip, spesso meno di 5 mm2. Questo elimina il cablaggio inter-chip, riduce la capacità parassitaria e abbassa la potenza.

Elettronica flessibile e elastica

Rigido stampato circuiti limitano il comfort e può causare artefatti di movimento. Ridurre con substrati flessibili permette al dispositivo di piegarsi con la pelle. Poliimide e poliestere sono scelte comuni, ma materiali più recenti come polidimetilsiloxane (PDMS) e Ecoflex consentono la stretchability, che è importante per i dispositivi che saranno impiantati in tessuto commovente come il cervello o il midollo spinale.

Protocolli wireless a bassa potenza e compressione dei dati

La trasmissione wireless dei dati neurali a 1 kHz campionamento su 16 canali può richiedere i tassi di dati di 256 kbps o più. Bluetooth Low Energy (BLE) è una scelta comune, ma il suo consumo di energia è ancora uno scarico importante.

Gestione di potere adattativa e bici a dovere

Per applicazioni come la messa a riposo del sonno o il rilevamento epilettico del sequestro, il dispositivo può operare in una modalità "sensazione" a bassa potenza che solo sveglia la catena di registrazione completa quando una soglia è attraversata. Questo dovere ciclistico può prolungare la durata della batteria da ore a giorni. Un piccolo amplificatore sempre-on rileva cambiamenti lordi nella busta del segnale neurale, come oscillazioni ad alta frequenza durante un attacco, record di inne e trigger.

Applicazioni della registrazione neurale miniaturizzata

La capacità di registrare l'attività cerebrale al di fuori del laboratorio sblocca una vasta gamma di applicazioni che erano in precedenza poco pratiche, che abbracciano la medicina, la ricerca, l'interazione tra umano e computer e il benessere personale.

Diagnostica medica e monitoraggio cronico

Per i pazienti con epilessia, il monitoraggio continuo dell'EEG ambulatorio è lo standard d'oro per catturare l'attività di sequestro che può verificarsi solo alcune volte al mese. Il monitoraggio tradizionale dell'ospedale richiede ai pazienti di rimanere in un letto con un tappo cablato per giorni.

I dispositivi implantable offrono una visione ancora più profonda. Stentrode, un registratore neurale a base stent collocato all'interno di un vaso sanguigno vicino alla corteccia motore, è stato utilizzato per abilitare la digitazione controllata dal pensiero nei pazienti paralizzati. Nonostante sia stato impiantato tramite un catetere, il dispositivo è solo pochi millimetri di diametro e non richiede un'accesso drammatico al cervello.

Ricerca in Neuroscienze in Impostazioni Naturali

Gli studi di fMRI e MEG tradizionali richiedono che i soggetti si trovino ancora in un foro o un casco confinato. Questo limita severamente i tipi di comportamenti che possono essere studiati - camminando, interazione sociale e movimenti di mano complessi sono quasi impossibili.

Interfacce di cervello-Computer per la tecnologia assistiva

I BCI non invasivi che utilizzano EEG da cuffie miniaturizzate indossabili permettono già agli utenti di controllare i cursori, le parole incantesimi, o giocare giochi semplici. Aziende come Neurable hanno sviluppato cuffie EEG wireless che integrano elettrodi a secco e l'elaborazione in tempo reale per applicazioni VR e produttività.

Benessere personale e miglioramento cognitivo

I dispositivi EEG indossabili di livello consumer sono disponibili per anni (ad esempio Muse, NeuroSky), ma in genere utilizzano solo pochi elettrodi a secco e si basano sull'elaborazione in massa in un'app per smartphone. La miniaturizzazione permette di avere più canali e un migliore rapporto segnale-rumore senza la massa.

Le direzioni e le tecnologie emergenti

Il campo sta avanzando rapidamente, guidato da miglioramenti paralleli nella fabbricazione dei semiconduttori, dei materiali e dell'apprendimento automatico. La prossima generazione di dispositivi probabilmente integra caratteristiche che oggi sembrano fantascienza.

Microsistemi completamente impalcabili con potenza wireless

Un obiettivo importante è quello di creare dispositivi abbastanza piccoli da essere iniettati attraverso un ago e alimentato in modalità wireless da una bobina esterna indossabile. I ricercatori UC San Diego hanno sviluppato moti di polvere neurale, nodi di dimensioni sub-millimetri che possono essere dispersi attraverso la corteccia, ciascuno contenente un elettrodo, un amplificatore e un trasmettitore di rifiuti.

Intelligenza artificiale on-Chip per la lavorazione in tempo reale

Trasferirsi dalla trasmissione dei dati grezzi all'interpretazione on-device ridurrà la potenza e la latenza. Gli acceleratori di rete neurali personalizzati che si adattano all'interno del front-end analogico del chip possono classificare le fasi del sonno, rilevare le convulsioni o decodificare i movimenti previsti entro i millisecondi. Questi acceleratori hardware consumano solo microwatts durante l'esecuzione dell'inferenza. La sfida è formarli per generalizzare i pazienti senza richiedere grandi set di dati per generalizzare i pazienti senza bisogno di un dispositivo terapeutico per ogni nuovo utente.

Rivestimento energetico da energia corporea

Le batterie rimangono il più debole collegamento in dispositivi indossabili. Sono ingombranti, hanno cicli limitati e richiedono una sostituzione periodica. La raccolta di energia dal calore corporeo (termoelettrico), il movimento (piezoelettrico o triboelettrico), o le cellule biocarburanti (utilizzando il glucosio nei fluidi corporei) potrebbero consentire un funzionamento continuo.

Materiali Biocompatibili avanzati

La scienza dei materiali sta creando nuovi rivestimenti elettrodi che riducono la risposta del corpo estraneo e mantengono bassa impedenza nel corso degli anni. I polimeri conduttivi come PEDOT:PSS hanno una capacità di iniezione più elevata rispetto ai metalli nobili e sono più morbidi, abbinando il modulo del tessuto cerebrale. I nanotubi del carbonio e il grafo offrono un'area di superficie elevata e flessibilità.

Conclusioni

Con la compressione di amplificatori, radio e processori in pacchetti che possono essere indossati sotto un cappello o impiantati attraverso un vaso di sangue, gli ingegneri stanno rimuovendo le barriere tra il cervello e il mondo esterno. Le sfide sono formidabili: potenza, rumore, biocompatibilità e scala, ma ogni progresso incrementale apre nuove possibilità per diagnosticare la malattia, ripristinare la mente e la medicina.