Созданы новые кремниевые вычислительные мощности для исследования мозга

Исследователи из Стэнфордского университета разработали новое устройство на основе кремния для непосредственного подключения к головному мозгу. Хотя устройства с интерфейсом мозг-машина уже существуют и успешно используются для протезирования, лечения заболеваний и исследования мозга, это последнее устройство может записывать больше данных, будучи в то же время менее навязчивым, чем существующие варианты.

“Никто не использовал эту двумерную кремниевую электронику и не сопоставлял ее с трехмерной архитектурой мозга”, – сказал Абдулмалик Обейд, аспирант в области материаловедения и инженерии в Стэнфорде. “Нам пришлось отбросить то, что мы уже знаем о традиционном изготовлении микросхем, и разработать новые процессы, чтобы вывести кремниевую электронику в третье измерение. И мы должны были сделать это так, чтобы ее можно было легко подстраивать под новые условия использования”.

Устройство, которое является предметом статьи, опубликованной 20 марта в журнале Science Advances, содержит пучок микропроводов, каждый из которых составляет менее половины ширины самого тонкого человеческого волоса. Эти тонкие провода могут быть аккуратно вставлены в мозг и подключены снаружи непосредственно к кремниевой микросхеме, которая записывает электрические сигналы мозга, проходящие по каждому проводу, подобно фантастическим фильмам о нейронной электрической активности. Текущие версии устройства включают в себя сотни микропроводов, но будущие версии могут содержать тысячи.

“Электрическая активность – это один из способов оценки мозговой активности с самым высоким разрешением”, – сказал Ник Мелош, профессор материаловедения и инженерии в Стэнфорде и соавтор статьи. “С помощью этого набора микропроводов мы можем видеть, что происходит на уровне одного нейрона”.

Исследователи проверили созданный интерфейс мозг-машина на изолированных клетках сетчатки глаз крыс и в мозге живых мышей. В обоих случаях они успешно получили значимые сигналы через сотни каналов. Текущие исследования также определят, как долго устройство может оставаться в мозге и что могут показать эти сигналы. Исследователи также работают над приложениями в протезировании, в частности, в речевой сфере.

Чего стоит ожидать от этого открытия?

Исследователи знали, что для достижения своих целей им нужно было создать интерфейс мозг-машина, который был бы не только долговременным, но и способным устанавливать тесную связь с мозгом, причиняя при этом минимальный ущерб. Они сосредоточились на подключении к устройствам на основе кремния, чтобы воспользоваться преимуществами этих технологий.

“Кремниевые чипы настолько мощные и обладают невероятной способностью к масштабированию”, – сказал Мелош. “Наше устройство объединяется с технологией подключения к мозгу очень просто. Вы можете просто взять чип, прижать его к незащищенному концу и получить сигналы”.

Одна из главных задач, с которой столкнулись исследователи, заключалась в том, чтобы выяснить, как структурировать комплкекс. Он должен был быть прочным и долговечным, хотя его основными компонентами являются сотни крошечных проводов. Решение состояло в том, чтобы обернуть каждую проволоку в биологически безопасный полимер, а затем связать их вместе в металлический корпус. Это гарантирует, что провода разнесены и правильно ориентированы для выполнения определенных задач. Ниже корпуса полимер удаляется, так что провода могут быть индивидуально направлены в мозг.

Существующие устройства интерфейса мозг-машина ограничены примерно 100 проводами, обеспечивающими 100 каналов сигнала, и каждое из них должно быть тщательно установлено вручную в комплексе. Исследователи потратили годы на совершенствование своих методов проектирования и изготовления, чтобы создать комплекс с тысячами каналов – их усилия были частично поддержаны грантом Института нейробиологии Ву Цая.

Абдулмалик Обейд (слева) и Ник Мелош со своим микропроводным комплексом. Эта связка микропроводов может позволить исследователям наблюдать за активностью сотен нейронов в мозге в режиме реального времени.

“Конструкция этого устройства полностью отличается от любых существующих записывающих устройств высокой плотности, а форма, размер и плотность комплекса проводов могут быть изменены во время изготовления. Это означает, что мы можем одновременно записывать разные области мозга на разных глубинах, используя трехмерное позиционирование”, – сказал Джун Дин, доцент кафедры нейрохирургии и неврологии, соавтор статьи. – “При широком применении эта технология значительно улучшит наше понимание функций мозга в определенном состоянии здоровья и при заболеваниях”.

Потратив годы на реализацию этой амбициозной, но простой идеи, только в самом конце процесса изготовления у них появилось устройство, которое можно было протестировать на живых тканях.

“Нам пришлось взять километры микропроводов и произвести в более крупные комплексы, а затем напрямую подключить их к кремниевым чипам”, – сказал Обейд, ведущий автор статьи. – “После многих лет работы над этим устройством мы впервые протестировали его на сетчатке, и он сразу заработал. Это было чрезвычайно обнадеживающе”.

После своих первых испытаний на сетчатке и на мышах, исследователи в настоящее время проводят долгосрочные исследования на животных, чтобы проверить дальнейшие догадки относительно возможностей устройства.