Ultra yüksek çözünürlükteki Neural Kayıt Dizileri Ayrıntılı Beyin Haritası için Geliştirme

ultra yüksek seviyeli sinir kayıt dizilerinin gelişimi, sinir devrelerinin karmaşık dinamiklerini ve beyin fonksiyonunu, davranışları ve hastalığı gözlemlemelerini sağlar. Bu makale, bu olağanüstü araçların teknolojik atılımlarını, mevcut uygulamaları, kalan zorlukları ve geleceklerini keşfeder.

Neural Record Dizilerinin Evrimi

Neural kayıt dizileri, tek parçalı kayıt kayıtlarının ilk günlerinden beri dramatik bir şekilde gelişti. On yıllardır, elektrofizikçiler tek bir keskin elektrod veya küçük bir mikro disko dizilerini izlemek için 1970'lerde ve 1980'lerde gelişmiştir, ancak bu yöntemler eylem potansiyelleri ve yerel alan potansiyelleri hakkında bilgi verirken, sadece bir parçalanmış bir sinirsel ensemblleri sundular.

Gerçek atılım, mikroelektiyomekanik sistemlerin (MEMS) üretim tekniklerini kullanarak geldi. Yarı iletken endüstriden ödünç alınan fotolitoloji süreçleri uygulayarak araştırmacılar, onlarca tam uzaylı kayıt siteleri ile silikon bazlı araştırmalar yaratabilirler. Michigan Pro ve Utah elektrode serisi erken kilometrelerce, 100 kayıt kanalına teklif etti.

Son on yılda, tasarım ve malzemelerdeki yenilikler kanallarını, CMOS tabanlı diziler ve esnek polimer prototipleri gibi binlerce cihaza itti, on binlerce siteden neredeyse binlerce kayıt sitesi, tek bir hatayla ilgili olarak, tek bir hatanın çözümünde 700'den fazla nörondan kayıt yaptırdı.

Key Teknolojik Yenilikler

ultra yüksek seviyeli dizilere yönelik evrim mikrofabrikasyon, malzeme bilimi, elektronik ve kablosuz iletişimdeki gelişmelerin bir aradan geçiyor. Aşağıda en kritik yenilikleri inceliyoruz.

Elektronların ve İletişim Sahalarının Miniaturizasyonu

Her kayıt sitesinin fiziksel boyutunun aşırı doku hasarına neden olmadan yoğunluğu artırmak önemlidir. Modern elektrotlar 10-20 mikrometrenin sıralanmasında, hippocamp veya kortektasyon gibi yoğun olarak doldurulmuş beyin bölgelerinden bile sinyalleri ayırt etmek için.

Bio uyumlu ve Esnek Malzemeler

Geleneksel katı silikon probları genellikle kalıcı bir bağışıklık yanıtı tetikler, haftalar boyunca aksan ve sinyal bozulmasına yol açıyorlar.Bu nedenle mühendisler poliimide, parylene ve sıvı kristal polimer gibi esnek substratlara döndüler. Bu malzemeler, esnek ve biyokompatlanabilirlik kombinasyonunun birleşimi, bazı aylar boyunca implantların ömrünü uzatır - hatta bazı durumlarda bile.

Aktif Elektronik ve On-Chip Processing

Kanal bu kadarar olarak, ince teller aracılığıyla ham analog sinyalleri iletme zorluğu, sinyal bağımlılığını korurken gerçekleşir. Tümleşik tamamlayıcı metal-kömücü devreler, doğrudan siniraltına yapıştırılır, bu probleme doğru ilerler.In-çip yükselticiler, filtreler ve çokluxers, sinyal bağımlılığını korurken gerçekleşir. Bazı gelişmiş diziler analog-dijik dönüştürücüler (ADCs) ve çatlakları kendi başına büyük analog akışlara dönüştürürler.

Kablosuz Data Transmission ve Power Delivery

Elited tethers, doğal davranışları incelemek için çok önemlidir. Son zamanlarda Kaliforniya Üniversitesi'nde araştırmacılar, 1000 kanaldan fazla kanalda tam kablosuz bir sinir kayıt sistemi sergilediler, beyin aktiviteleri gerçek zamanlı olarak izlenebilirken, manyetik indüksiyon veya küçük, şarj edilebilir bataryalar implanta entegre edilebilir. Örneğin, Kaliforniya Üniversitesi'nde araştırmacılar, 1.000'den fazla kanaldan tamamen kablosuz bir sinir kayıt sistemi gösterdiler, beyin aktivitelerini özgürce boamabilmelerini sağlıyorlar.

Massally Paralel Kumaş ve Scalability

On binlerce site ile cihazlar üretmek için, üreticiler tek tip elektrotlardan dikey olarak entegre edilmiş, artan yoğunluk ayak izi olmadan elde edilebilir yüzlerce aynı probu, binlerce elektrotla, dramatik olarak düşük maliyetle azaltabilmektedir. Bazı gruplar, üç boyutlu çöpleme tekniklerini keşfediyorlar, bu ölçeklenebilir yaklaşımlar genişleyen ölçümler, genişleyen prototiplerden yaygın olarak mevcut ticari araçlardan geçiş için gereklidir.

Modern Nörobilim Uygulamaları

Ultra yüksek çözünürlük dizileri, beyin bozukluklarının çeviri çalışmaları için temel devre analizinden önce multi-profesyonel nörobilim domainleri arasında araştırmayı yeniden şekillendiriyor.

Kompleks Davranışlar sırasında Neural Devreleri

En güçlü uygulamalardan biri, hayvanat bahçesinden öğrenme, karar verme veya sosyal etkileşimler ile ilgili olarak, yüksek oranda korelasyon ve hippocampus'un ön cephede bulunan ve hippocampusu ile ilgili olarak, bilim adamları, sinir bozucu navigasyon ve hafıza formlarının nasıl yeniden tanımlanmasına başladılar.Örneğin binlerce nöronyu tespit etme yeteneğine sahipler hücre toplantılarını -grupları hassas zaman zaman zaman zaman zaman zaman zaman zaman zaman zaman zaman zaman zaman zaman zaman zaman zaman zaman zaman zaman zaman zaman içinde birlikte ateş eden nöronların gruplarını takip etmeye başladılar.

Nörolojik ve Psikiyatrik Bozuklukları Araştırmayı

Ultra yüksek çözünürlükte, geleneksel klinik elektrotlardan daha yüksek bir pencere sağlar, parkinson modellerinde, araştırmacılar bazal ganglia'da anormal osilasyon ve depresyon gözlemler gözlemler. Örneğin, diziler, derin beyin uyarıları (DBS) ile kesintiye uğratılabilir DBS parametrelerini gerçek zamanlı olarak optimize eder, potansiyel olarak tedavi sonuçları geliştirir.

Beyin-Bilgisayar Interfaces'leri teşvik ediyor

Beyin-bilgisayar arayüzleri (BCIs) dış cihazları kontrol etmek için sinir bozucu sinyalleri teşvik etmeye güveniyor. Ultra-high-density dizileri, kişisel parmakların amaçlanan hareketleri arasında mümkün olan bilgileri çarpıcı bir şekilde artırmayı sağlar, yüksek seviyeli mikroeleküler dizileri kullanarak, robotik kolları birden fazla özgürlük derecelerini kontrol etmek ve hatta sinir aktiviteden konuşma yapmak için daha yüksek alan çözünürlüğünü sağlar.

Büyük Beyin Girişimleri ve Collaborative Science

Amerika Birleşik Devletleri'ndeki BRAIN Girişimi gibi küresel projeler, Avrupa'daki İnsan Beyin Projesi ve Çin Beyin Projesi, ultra yüksek performanslı kayıt teknolojisi dahil olmak üzere, şimdi iki radyo yayınını sunan yeni dizi mimarinin geliştirilmesini doğrudan finanse ediyor.

Overcoming Persistent Challenges

Dikkat çekici ilerlemeye rağmen, birkaç engel ultra yüksek seviyeli diziler her iki araştırma ve klinik ortamlarda tam potansiyellerini elde ederler.

Data Volume and Processing Şişenecks

Tek yüksek çözünürlükte bir araştırma, bu tür büyük veri kümelerini analiz edebilir. Bulut tabanlı platformlar ve özel donanım hızlandırıcıları (örneğin, GPU ve FPGA'lar) hızlı bir şekilde terabaylara ulaşabilir.Ancak, birçok laboratuvar hala bu kadar büyük veri kümesini analiz eder ve analiz eder. Cloud tabanlı platformlar ve özel donanım hızlandırıcıları geliştirir (örneğin, GPU ve FPGAs) gerçek zamanlı olarak hızlı bir şekilde hızlı bir şekilde hızlı bir şekilde hızlı bir şekilde analiz eder.

Biocompatability ve Long-Term Stability

Esnek malzemelerle bile, kronik yabancı yanıt sorunlu kalır. aylarca, mikroglia ve astrositler, beyin dokusunun mekanik özelliklerini daha yakından veya eklemeden sonra absorbe edilen dislokasyonları kullanarak. Bazı gruplar, özellikle de anti-inflamatuar ajanlar veya nörotrofik faktörler olarak salıveren kaplamaları takip eder.

Minimally Invasive ion ve Cerrahi Teknikler

Mikro-shuttles veya geçici sertleştirme ajanlarını kullanarak birçok cihaz aşırı hassas ekleme aletleri veya yüksek hızlı enjekte eder. Yeni yaklaşımlar mikro-shuttles veya geçici sertleştirme ajanlarını içerir (örneğin, biyoresorbable ipek veya polipikürüz glycol) implantasyondan sonra çözülecektir.

Kablosuz Güç ve Data Band geniş Constraints

Kablosuz operasyon arzu edilirken, kafatası aracılığıyla binlerce yüksek çözünürlüklü sinir sinyalleri temel bant sınırlamaları sunar. Yakındaki sistemler, kabul edilebilir veri oranlarında birkaç yüz kanala kadar baş edebilir. Millimeter- dalgası ve optik bağlantıları, yüksek kapasiteli ancak yeni mühendislik zorlukları sunar, örneğin klinik implantlar için, ek miktardaki sert güç bütçelerinin kısıtlaması (tokuz ısıtmadan kaçınmak için) daha kısıtlanır.

Future Yol ve Gelişen Kavramlar

Bir sonraki sinir kayıt dizileri daha sofistike, birden fazla modayı entegre etmek ve kayıt ve uyarı arasındaki döngüyü kapatmak için hazırlanmaktadır.

Sonraki -Generation Probe Architectures

Araştırmacılar 100.000'den fazla kayıt sitesi ile dizilere doğru itiyorlar. Bu, nanofotozlu devreler gibi yeni bir üretim yöntemleri gerektirecektir, ya da üçD birden fazla elektrot tabakalarının yığılması. Bazı tasarımları yerel ilaç teslimatları için mikrofluidic kanalları içeriyor, aynı anda kayıt ve farmakolojik manipülasyonu sağlar.

Optogenetik ve Diğer Modalitelerle entegrasyon

Optik uyarı ile yüksek çözünürlükte elektrik kaydının toplanması (optojenetik) araştırmacıların hem yüksek hassasiyetle okumalarına ve yazmalarına izin verir. "optrodes" olarak adlandırılan ışık-eating diyots or optik fibers into the probe structure. These hybrid devices enable causal testing of sinir devre fonksiyonu: enable a specific subset of nöroscience community.

Kapalı-Loop ve Adaptive Interfaces

Nihai BCI veya tedavi sistemi sadece kayıt değil, aynı zamanda devam eden sinir aktivitesine yanıt verir. Örneğin, epilepside, kapalı-loop serisi, tam zamanlı olarak bir elektrik darbesini birbort'a teslim edebilir ve tam olarak zamanlayıcı bir beyin uyarısını sağlayabilir.In Parkinson hastalığı, derin bir adaptif beyin uyarımları gerçek zamanlı beta oscillations'un kayıtlarına dayanan parametreleri sürekli olarak ayarlayabilir. Ultra-yüksek çözünürlükte, bu tür bir uyarlanabilir algoritmaları etkili bir şekilde uygulamak için gerekli olan zamansal ve zamansal kararlarını tespit edebilir.

İnsan Klinikleri için Çeviri

Çoğu mevcut diziler hayvan modellerinde kullanılıyor olsa da, insan uygulamaları için ivme büyüyor.Uyo serisi zaten BCI çalışmalarında kısa vadeli insan kullanımı için onaylanmıştır ve yeni diziler, binlerce kayıt sitesi ile tasarlanmıştır. Key dikkate alındığında, düzenleyici engeller en aza indirmek için robotik bir cihaz tarafından yapıştırılır ve klinik çeviriler ).