Některé z těch vůbec nejexotičtějších výzkumů současnosti zahrnujících magnetismus jsou dnes sponzorovány americkou agenturou pro obranné pokročilé výzkumné projekty, nechvalně známou jako DARPA. Jeden z jejich programů je ale doslova zarážející, když se ponoříme do oblastí, které byly kdysi považovány za oblast ryzího sci-fi, ale přitom by mohl vést k novým průlomům v lékařství, pochopitel
V rámci svého programu Next-Generation Nonsurgical Neurotechnology (N3) vědci z prestižních výzkumných laboratoří zkoumají, jak vytvořit nositelná rozhraní mozek-stroj, která by v konečném důsledku mohla umožnit různé aplikace národní bezpečnosti, jako je řízení aktivních systémů kybernetické obrany a rojů bezpilotních vzdušných prostředků, nebo spojení s počítačovými systémy pro multitasking během složitých misí.
Agentura nedávno udělila finanční prostředky šesti organizacím na druhou fázi programu, která začala v roce 2018. Vedení se ujali Battelle Memorial Institute, Carnegie Mellon University, Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, Palo Alto Research Center (PARC), Rice University a Teledyne Scientific spolu s dalšími institucemi sloužícími jako spolupracovníci.
Několik projektů je úzce spojeno s efekty magnetismu a technologií. Oslovili jsme DARPA a projektové týmy, abychom získali podrobnosti o dvou z nich, zejména o projektu – Brainstorm vedeném Battelle a projektu MOANA od Rice University.
“DARPA se připravuje na budoucnost, ve které kombinace bezpilotních systémů, umělé inteligence a kybernetických operací může způsobit konflikty na časových liniích, které jsou příliš krátké na to, aby je lidé mohli efektivně zvládnout pouze současnou technologií, řekl Al Emondi, program N3. manažer. “Vytvořením dostupnějšího rozhraní mozek-stroj, jehož použití nevyžaduje operaci, by DARPA mohla dodat nástroje, které velitelům misí umožní zůstat smysluplně zapojeni do dynamických operací, které se vyvíjejí vysokou rychlostí.”
Aby mohla primárně schopná populace armády těžit z neurotechnologie, jsou vyžadována nechirurgická rozhraní. Ve skutečnosti by však podobná technologie mohla být velkým přínosem i pro klinické populace. Odstraněním potřeby chirurgického zákroku se systémy N3 snaží rozšířit okruh pacientů, kteří mají přístup k léčbě, jako je hluboká mozková stimulace, aby zvládli neurologická onemocnění.
Týmy N3 uplatňují řadu přístupů, které využívají optiku, akustiku a elektromagnetiku k záznamu nervové aktivity a odesílání signálů zpět do mozku vysokou rychlostí a rozlišením. Výzkum je rozdělen mezi dvě stopy. Týmy sledují buď zcela neinvazivní rozhraní, která jsou zcela mimo tělo, nebo nepatrně invazivní systémy rozhraní, které zahrnují nanotransduktory, které mohou být dočasně a nechirurgicky dodány do mozku, aby se zlepšilo rozlišení signálu.
Neinvazivní neurotechnologie, jako je elektroencefalogram a transkraniální stimulace stejnosměrným proudem, již existují, ale nenabízejí přesnost, rozlišení signálu a přenositelnost vyžadovanou pro pokročilé aplikace lidmi pracujícími v reálném prostředí. Předpokládaná technologie N3 prolomí omezení stávající technologie dodáním integrovaného zařízení, které nevyžaduje chirurgickou implantaci, ale má přesnost čtení a zápisu do 16 nezávislých kanálů v rámci objemu 16 mm3 nervové tkáně během 50 ms.
Každý kanál je schopen specificky interagovat se submilimetrovými oblastmi mozku s prostorovou a časovou specificitou, která je srovnatelná s existujícími invazivními přístupy. Jednotlivá zařízení lze kombinovat, aby byla zajištěna schopnost rozhraní k více bodům v mozku najednou. Aby bylo možné budoucí neinvazivní rozhraní mozek-stroj, výzkumníci N3 pracují na vývoji řešení, která řeší výzvy, jako je fyzika rozptylu a oslabení signálů při jejich průchodu kůží, lebkou a mozkovou tkání, a také navrhují algoritmy pro dekódování. a kódování nervových signálů, které jsou reprezentovány modalitami, jako je světlo, akustická nebo elektromagnetická energie.
“Pokud bude N3 úspěšná, skončíme s nositelnými systémy nervového rozhraní, které dokážou komunikovat s mozkem z rozsahu pouhých několika milimetrů, čímž přesunou neurotechnologii mimo kliniku a do praktického využití pro národní bezpečnost, řekl” Emondi. “Stejně jako členové služby nasazují ochranné a taktické vybavení při přípravě na misi, v budoucnu si mohou nasadit náhlavní soupravu obsahující neurální rozhraní, používat technologii, jak je potřeba, a poté nástroj odložit, až bude mise dokončena.”
Projekt BrainSTORMS od Battelle pro EM převodníky
Pro projekt BrainSTORMS si tým Battelle pod vedením hlavního výzkumníka Dr. Patricka Ganzera klade za cíl vyvinout nepatrně invazivní systém rozhraní, který spojuje externí transceiver s elektromagnetickými nanotransduktory, které jsou nechirurgicky dodávány do zájmových neuronů. Nanotransduktory by převáděly elektrické signály z neuronů na magnetické signály, které mohou být zaznamenávány a zpracovávány externím transceiverem a naopak, aby umožnily obousměrnou komunikaci.
“V Battelle jsme nadšení z programu BrainSTORMS (Brain System to Transmit Or Receive Magnetoelectric Signals), komentoval Ganzer. “Pokračujeme v práci na druhé fázi vývoje vysoce výkonného, obousměrného rozhraní mozek-počítač (BCI) pro klinické aplikace nebo pro použití zdatnými příslušníky armády.”
“Naše práce se soustředí kolem magnetoelektrických nanotransduktorů (MEnT) lokalizovaných v nervové tkáni pro následné obousměrné nervové rozhraní. Náš předběžný výzkum nám dává vysokou míru důvěry v programový úspěch a byli bychom nedbalí, kdybychom neudělili uznání našemu neuvěřitelnému týmu, který zahrnuje Cellular Nanomed Inc., University of Miami, Indiana University-Purdue University Indianapolis, Carnegie Mellon University, University of Pittsburgh a Air Force Research Laboratory.”
Obrázek 1 nastiňuje původní přístup fáze 1, ve kterém jsou MEnT nejprve injikovány do oběhového systému, lokalizovány do mozkové tkáně pomocí gradientu magnetického pole a poté interagují s nervovou tkání a aplikovanými magnetickými poli, aby se zajistilo nechirurgické nervové rozhraní. Několik těchto cílů a
Metriky programu N3 byly dosaženy během fáze 1 s využitím multimodálních odborných znalostí týmu BrainSTORMS v oblastech elektromagnetiky, materiálů v nanoměřítku a neurofyziologie. Úsilí fáze 2 se zaměří na vývoj MEnT pro psaní informací do mozku.
Většina současného výzkumu BCI, včetně technologie NeuroLife společnosti Battelle, se zaměřuje na pomoc lidem s postižením, kteří musí podstoupit invazivní implantační procedury včetně operace mozku, aby bylo možné BCI obnovit ztracenou funkci.
V přístupu BrainSTORMS by však nanotransduktor mohl být dočasně zaveden do těla injekcí a poté nasměrován do specifické oblasti mozku, aby pomohl dokončit úkol prostřednictvím komunikace s transceiverem založeným na helmě. Po dokončení mohl být nanotransduktor magneticky veden ven z mozku do krevního řečiště, aby byl zpracován z těla.
Nanotransduktor by používal magnetoelektrické nanočástice k vytvoření obousměrného komunikačního kanálu s mozkem. Neurony v mozku fungují prostřednictvím elektrických signálů. Magnetické jádro nanotransduktorů by přeměnilo nervové elektrické signály na magnetické, které by byly posílány přes lebku do transceiveru na bázi helmy, který nosí uživatel. Helmový transceiver by také mohl posílat magnetické signály zpět do nanotransduktorů, kde by byly převedeny na elektrické impulsy schopné zpracování neurony, což by umožnilo obousměrnou komunikaci do az mozku.
Mezi spolupracovníky je Sakhrat Khizroev z University of Miami, který vede úsilí v syntéze a charakterizaci nanočástic. Spolu s Ping Liangem je Khizroev průkopníkem magnetoelektrických nanopřevodníků pro lékařské aplikace. Cellular Nanomed Inc., malá firma se sídlem v Kalifornii vedená společností Liang, vyvíjí technologii externího transceiveru.
MOANA (Magnetic, Optical, and Acoustic Neural Access) vedená Rice University
Projekt Moana, vedený týmem týmu Rice University pod vedením hlavního výzkumníka Dr. Jacoba Robinsona, si klade za cíl vyvinout nepatrně invazivní, obousměrný systém pro nahrávání a zápis do mozku. Pro záznamovou funkci bude rozhraní používat difúzní optickou tomografii k odvození nervové aktivity měřením rozptylu světla v nervové tkáni. Aby tým umožnil funkci zápisu, použije magnetogenetický přístup k tomu, aby neurony byly citlivé na magnetická pole.
“Vlastní výkonová elektronika vyvinutá našimi spolupracovníky Angelem Peterchevem a Stefanem Goetzem z Duke University nám umožňuje mírně zvýšit teplotu specifických nanočástic, které lze vstřikovat do zvířecího modelu, vysvětluje Robinson, docent ECE a BioE z Rice. “Při zahřátí mohou tyto nanočástice vyrobené laboratoří Gang Bao v Rice aktivovat vybrané geneticky modifikované hmyzí mozkové buňky. Pomocí různé amplitudy a intenzity pole magnetických polí jsme ukázali, že můžeme rychle zapnout a vypnout specifické chování ovocných mušek pomocí vzdáleně aplikovaného magnetického pole. Doufáme, že v budoucnu a ve spojení s americkou FDA použijeme podobné technologie třeba k dálkové aktivaci specifických neuronů ve zrakové kůře lidí, abychom takto pomohli obnovit zrak lidem, kteří trpí slepotou.”
Projekt MOANA obr.2
Cílem je navrhnout tak, aby poskytovalo rozhraní mozek-počítač s vysokou šířkou pásma bez potřeby chirurgicky implantovaného zařízení. Zařízení se bude skládat z řady flexibilních komplementárních kovových –oxid–polovodičových (CMOS) čipletů, které se mohou přizpůsobit povrchu pokožky hlavy a implementovat naši technologii optického čtení založenou na funkční difúzní optické tomografii Time-of-Flight (ToFF-DOT).
Kromě toho bude pole magnetické stimulace namontováno do uzávěru hlavy pro aktivaci geneticky upravených magneticky citlivých iontových kanálů. Tato technologie stimulace a čtení bude bezdrátově komunikovat se základnovou stanicí a složí se do objemu < 125 cm3. Modulární systém je plánován tak, aby byl konfigurovatelný tak, aby pokryl jakoukoli část hlavy pro rozhraní s více kortikálními oblastmi.
Ve fázi 1 tým identifikoval geneticky cílenou technologii magnetické stimulace, která může dosáhnout stimulace specifické pro buněčný typ s prostorovým rozlišením definovaným distribucí geneticky modifikovaných buněk (< 1 mm) a s časovým rozlišením blížícím se 10 ms, jak je znázorněno na Obr. 1. Jejich práce prokázala více než 10 násobné zlepšení časového rozlišení ve srovnání s nejmodernější magnetogenetickou stimulací.
Dosáhli také, jak je znázorněno na obr. 2, úspěšného vytažení čipletu MOANA a návrhu prototypu flexibilní náplasti pro zobrazení fantomu mozku přes fantom lebky 5 mm. Schopnost počítání fotonů splňovala konstrukční specifikace pro integrovaný systém ToFF-DOT.
Mezi další úspěchy ve fázi 1 patřilo úsilí v technologii zápisu, které dosáhlo cíleného a neinvazivního dodávání virů u myší, což prokázalo rychlou magnetickou stimulaci v savčích buňkách; také při virovém dodávání pomocí magnetických nanokrystalových shluků oxidu železa jádra/skořápky s vysokou účinností magnetického ohřevu a magnetotermálním multiplexováním.
Ve fázi 2 se tým snaží pokročit ve své práci dále směrem k cíli dosáhnout demonstrace u lidí ve fázi 3. Mezi cíle pro fázi 3 patří provádění nechirurgických čtení, psaní pomocí magnetogenetiky a demonstrace uzavřené smyčky MOANA mezi mozkem a mozkem u lidí.
Další projekty N3 zahrnují také magnetickou vědu a techniku:
- Tým PARC pod vedením hlavního výzkumníka Dr. Krishnana Thyagarajana si klade za cíl vyvinout zcela neinvazivní akusticko-magnetické zařízení pro psaní do mozku. Jejich přístup spojuje ultrazvukové vlny s magnetickými poli, aby generovaly lokalizované elektrické proudy pro neuromodulaci. Hybridní přístup nabízí potenciál pro lokalizovanou neuromodulaci hlouběji v mozku.
- Tým Teledyne pod vedením hlavního výzkumníka Dr. Patricka Connollyho si klade za cíl vyvinout zcela neinvazivní integrované zařízení, které využívá mikro opticky čerpané magnetometry k detekci malých lokalizovaných magnetických polí, která korelují s nervovou aktivitou. Tým k tomu bude používat přesně zaostřený ultrazvuk pro zápis do neuronů.
Další informace viz www.darpa.mil.
Napsat komentář