Neuralink: نظام متكامل لواجهة الدماغ الحاسوبية مع آلاف القنوات

المذكرة. 16 يوليو 2019 قدم Elon Musk هذه التكنولوجيا ، التي كانت واحدة من أولى المحاولات الجادة لإدخال واجهات العصبية في الممارسة السريرية ولوجود أهداف حقيقية غير إنسانية على المدى الطويل. هذه المقالة هي ترجمة ، مع بعض الملاحظات ، للمقالة الأصلية التي تصف تقنية واجهة الكمبيوتر العصبي ، وهي رابط يتم نشره أيضًا على الموقع الإلكتروني لشركة مطور Neuralink . توضح هذه المقالة ميزات وخصائص الوحدات الرئيسية التي تقوم عليها هذه التقنية ، بما في ذلك: أقطاب كهربائية دقيقة متوافقة حيوياً ، مناور جراحي عصبي روبوتي لإدخال الأقطاب الكهربائية في الدماغ ، بالإضافة إلى الإلكترونيات الدقيقة المتخصصة التي توفر استقبال وتضخيم ورقمنة الإشارة من النشاط العصبي.

ملخص

توفر واجهات الكمبيوتر العصبي (BMI - inteface لآلة الدماغ) فرصة لاستعادة الوظيفة الحسية والحركية ، وكذلك علاج الاضطرابات العصبية ، لكن حتى الآن لم يتلق BMI توزيعًا سريريًا واسعًا ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى العدد غير الكافي من القنوات التي حدت من إمكاناتها. في هذه الورقة البيضاء ، وصفنا خطوات Neuralink الأولى نحو نظام BMI واسع النطاق قابل للتوسعة. أنشأنا صفائف من "خيوط" صغيرة ومرنة - أقطاب ، حيث يتم توزيع ما يصل إلى 3072 قطب كهربائي على أكثر من 96 خيوط. أنشأنا أيضًا روبوتًا للجراحة العصبية قادرًا على زرع ستة فروع (192 قطبًا) في الدقيقة. يمكن إدخال كل خيط بشكل فردي في الدماغ بدقة ميكرون لتجنب تلف الشبكة الوعائية السطحية وتحقيق هدف في منطقة محددة بدقة من الدماغ. يتم تعبئة مجموعة الأقطاب الكهربائية في جهاز صغير قابل للزرع يحتوي على دوائر دقيقة خاصة لتضخيم الإشارة الرقمية منخفضة الطاقة ورقمنة الإشارة: الحزمة الخاصة بـ 3072 قناة لها أبعاد 23 × 18.5 × 2 مم وحجم 0.851 سم 3. يتيح كابل USB-C واحد تدفق البيانات من جهاز مزود بنطاق ترددي كامل وتسجيل متزامن من جميع القنوات. ما يصل إلى 85.5 ٪ من الأقطاب الكهربائية المزروعة سجلت مباشرة قمم نشاط الخلايا العصبية. يحتوي نهج Neuralink تجاه مؤشر كتلة الجسم على كثافة غير مسبوقة وقابلية للتوسع ، مما يتيح الاستخدام السريري في التجمع.

1. مقدمة

يمكن أن تساعد واجهة الدماغ والآلة (BMI) الأشخاص الذين يعانون من مجموعة كبيرة من الاضطرابات السريرية. على سبيل المثال ، أثبت الباحثون القدرة على التحكم باستخدام مؤشرات الكمبيوتر للأطراف الاصطناعية [1 ، 2 ، 3] ، والأطراف الآلية [4 ، 5] ومزج الكلام [6] باستخدام ، في كل هذه الأمثلة ، ما لا يزيد عن 256 قطب كهربائي. بينما تشير هذه التطورات إلى أن نقل المعلومات عالية الدقة بين الدماغ والآلات أمر ممكن ، فإن تطوير مؤشر كتلة الجسم كان محدودًا جدًا بسبب عدم القدرة على تسجيل الإشارات من عدد كبير من الخلايا العصبية. يمكن للنُهج غير الغازية تسجيل ما متوسطه ملايين الخلايا العصبية عبر الجمجمة ، لكن هذه الإشارة مشوهة وغير محددة [7 ، 8]. يمكن للأقطاب الغازية الموجودة على سطح القشرة تسجيل إشارات مفيدة ، لكنها محدودة من حيث أنها تقيس نشاط الآلاف من الخلايا العصبية ولا يمكنها تسجيل الإشارات بعمق في الدماغ [9]. يستخدم معظم مؤشر كتلة الجسم طرقًا مجتاحة لأن القراءة الأكثر دقة للتمثيلات العصبية تتطلب تسجيل إمكانات عمل الخلايا العصبية الفردية في الفرق الموزعة ذات الصلة وظيفياً [10].

تعتبر Microelectrodes هي المعيار الذهبي للتكنولوجيا لتسجيل إمكانات الحركة ، لكن حتى الآن لم تكن هناك تقنية microelectrode تم تطويرها سريريًا ويمكن تحجيمها لتسجيل نشاط عدد كبير من الخلايا العصبية [11]. سيتطلب ذلك نظامًا تم إنشاؤه من مواد ذات خصائص خاصة توفر توافقًا عاليًا مع السلامة والأمان والمتانة. بالإضافة إلى ذلك ، سيتطلب هذا الجهاز أيضًا اتباع نهج جراحي عملي ومعدات إلكترونية منخفضة الطاقة وعالية الكثافة لتوفير أداء غرس لاسلكي بالكامل في نهاية المطاف.

معظم الأجهزة للتسجيل العصبي طويل المدى عبارة عن صفيفات من الأقطاب الكهربائية المصنوعة من المعادن الصلبة أو أشباه الموصلات [12 ، 13 ، 14 ، 15 ، 16 ، 17 ، 18]. في حين أن حواجز شبكية صلبة تسهل اختراق الدماغ وحجمه ، فإن معامل يونغ ، وعدم التوافق في الانحناء بين تحقيقات شديدة وأنسجة المخ يمكن أن يحفز الاستجابات المناعية التي تحد من وظيفة ومتانة هذه الأجهزة [19 ، 11]. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الهندسة الثابتة لهذه المصفوفات تحد من تجمعات الخلايا العصبية التي يمكن الوصول إليها ، وخاصة بسبب وجود الأوعية الدموية.

نهج بديل هو استخدام تحقيقات رقيقة مرنة البوليمر متعدد القطب [20 ، 21]. يجب أن يوفر الحجم الأصغر والمرونة المتزايدة لهذه المجسات توافقًا حيويًا أكبر. ومع ذلك ، فإن عيب هذا النهج هو أن تحقيقات البوليمر الرقيقة ليست جامدة بما يكفي لإدراجها مباشرة في الدماغ ؛ يجب أن يتم تزويدهم بمصنّعات [22 ، 21] ، حقن [23 ، 24] أو طرق أخرى [25] ، وكلها بطيئة بعض الشيء [26 ، 27]. من أجل تلبية المتطلبات الوظيفية لمعايير الجودة الوطنية عالية الإنتاجية ، من خلال الاستفادة من أجهزة الأغشية الرقيقة ، قمنا بتطوير طريقة آلية يتم فيها إدخال عدد كبير من تحقيقات البوليمر الرفيعة والمرنة بشكل فعال ومستقل في مناطق مختلفة من الدماغ [28].

نقدم هنا تقريرًا عن تقدم Neuralink في إنشاء مؤشر كتلة الجسم المرن والقابل للتوسعة ، مما يزيد من عدد القنوات بترتيب من الحجم مقارنة بالعمل السابق. يتكون نظامنا من ثلاثة مكونات رئيسية: تحقيقات بوليمر سامسونج (القسم 2 من هذا التقرير) ، روبوت جراحة الأعصاب (القسم 3) والإلكترونيات المتخصصة عالية الكثافة (القسم 4). نعرض تكنولوجيا تتيح الغرس السريع لـ 96 خيوط بوليمر ، كل منها يحتوي على 32 قطب كهربائي ، ليصبح المجموع 3072 قطبًا.

لقد طورنا إلكترونيات متخصصة مصغرة ، والتي تسمح لنا بنقل جميع بيانات الفيزيولوجيا الكهربية عريضة النطاق في وقت واحد من جميع هذه الأقطاب الكهربائية (القسم 5). لقد قمنا بتعبئة هذا النظام بطريقة تمكننا من إجراء عملية زرع طويلة الأجل ووضعنا برنامجًا خاصًا للكشف عبر الإنترنت عن قمم نشاط الخلايا العصبية ، والتي يمكنها اكتشاف إمكانات الحركة الكامنة المنخفضة. يعمل هذا النظام معًا كمنصة بحث حديثة وأول نموذج أولي لواجهة الكمبيوتر العصبي البشري القابلة للزرع بالكامل.

2. المواضيع

الشكل 1 : تحقيقات البوليمر الجديد لدينا (الخيوط). أ. التحقيق الخطي الحافة ، مع 32 اتصال القطب متباعدة 50 ميكرون. ب. مسبار "يشبه الأشجار" مع 32 اتصال القطب متباعدة 75 ميكرون. صورة أكبر للأقطاب الفردية للهيكل A ، مع التركيز على مساحة سطحها الهندسية الصغيرة. D. توزيع مقاومة القطب (تقاس في 1 كيلو هرتز) لمعالجتين السطح: PEDOT (ن = 257) و IrOx (ن = 588).

لقد قمنا بتطوير عملية فردية لتصنيع مجسات عصبية بمسافة دنيا بين الأقطاب الكهربائية ، والتي تستخدم مجموعة متنوعة من مواد الأغشية الرقيقة المتوافقة حيوياً. الركيزة الرئيسية والمواد العازلة المستخدمة في هذه التحقيقات هي بوليميد ، الذي يغطي فيلم الذهب رقيقة. تتكون كل مصفوفة من الأغشية الرقيقة من منطقة "خيطية" ، لها جهات اتصال ، ومسارات قطب كهربائي ومنطقة "مستشعر" ، حيث يتم توصيل غشاء رقيق بدوائر ميكروية غير قياسية توفر تضخيم الإشارة واستقبالها. تضمن عملية الإنتاج الدقيق على مستوى الرقاقة إنتاجيتها العالية. كل لوحة مغلفة بـ 10 أجهزة غشاء رقيق تتلقى إشارة من إجمالي 3072 تلامسًا قطبيًا.

يتم توصيل 48 أو 96 مؤشر ترابط لكل مجموعة ، كل منها بدوره يحتوي على 32 أقطاب مستقلة. ترتبط الدوائر المتكاملة بجهات الاتصال في منطقة مستشعر الأغشية الرقيقة باستخدام عملية الربط الرقائقي (ملاحظة: https: //en.wikipedia.org/wiki/Flip_chip).

أحد أهداف هذا النهج هو تحقيق أصغر منطقة مستعرضة ممكنة من الخيط لتقليل تشريد الأنسجة في المخ. لتحقيق ذلك ، مع الحفاظ على عدد كبير من القنوات ، يتم استخدام الطباعة الحجرية الإسقاط خطوة بخطوة وغيرها من أساليب المعالجة الدقيقة للحصول على فيلم معدني مع دقة submicron.

لقد قمنا بتصميم وتصنيع أكثر من 20 نوعا مختلفا من خيوط وأقطاب للصفائف لدينا ؛ يظهر مثالان للبناء في اللوحات A و B في الشكل. 1. لقد صنعنا خيوطًا بعرض 5 إلى 50 ميكرون ، والتي تشمل مواقع تسجيل للعديد من الأشكال الهندسية (الشكل 1). يتراوح سمك الخيط من 4 إلى 6 ميكرون ، والذي يشمل ما يصل إلى ثلاث طبقات من العزل وطبقتين من الموصل. طول الغزل النموذجي حوالي 20 ملم. قبل الإدراج ، يتم تطبيق parylene-C على الخيوط لتشكيل فيلم تظل عليه الخيوط متصلة حتى يزيلها الروبوت الجراحي. ينتهي كل خيط بحلقة (16 × 50) 2m2 لاستيعاب خيوط الإبرة.

نظرًا لأن المقاطع الفردية من القطب الذهبي لها مساحات هندسية صغيرة (الشكل 1C) ، فإننا نستخدم تعديلات السطح لتقليل مقاومة الفيزيولوجيا الكهربية وزيادة قدرة التحمل الفعالة للسطح (الشكل 1D). اثنان من هذه المعالجات التي استخدمناها هما بوليمر إيثيلين ديوكسي ثيوفين موصل بالكهرباء مخدر بسلفونات البوليسترين (PEDOT: PSS) [29 ، 30] وأكسيد الإيريديوم (IrOx) [31 ، 32]. في اختبار مقاعد البدلاء ، حققنا مقاومة 36.97 ± 4.68 كيلو أوم (ن = 257 أقطاب) و 56.46 ± 7.10 كيلو أوم (ن = 588) ل PEDOT: PSS و IrOx ، على التوالي. الممانعة السفلية لـ PEDOT: PSS واعدة ، لكن الاستقرار والتوافق الحيوي على المدى الطويل لـ PEDOT: PSS أقل موثوقية من IrOx. يمكن تحسين هذه الأساليب والعمليات وتوسيع نطاقها لتشمل أنواعًا أخرى من مواد الطلاء الكهربائي الموصلة.

3. الروبوت جراحة الأعصاب

الشكل 2 : حجم خرطوشة خرطوشة إبرة قرصة الإبرة (NPC) مقارنة بعملة واحدة قرش.

استخدمت البوليمرات ذات الأغشية الرقيقة سابقًا في تحقيقات الإلكترود [21] ، لكن صلابتها المنخفضة الانحناء أدت إلى تعقيد عملية الإدراج. طور Neuralink منهجًا عن طريق إدخال روبوتات تحقيقات مرنة [28] ، مما يسمح بالإدخال السريع والموثوق لعدد من تحقيقات البوليمر التي تهدف إلى منع تلف الأوعية الدموية والتسجيلات من مناطق صغيرة من الدماغ. يتم وضع رأس حقن الروبوت بدقة 10 ميكرون على منصة ثلاثية المحاور مقاس 400 مم × 400 مم × 150 مم ويحمل مجموعة "حامل إبرة" صغيرة قابلة للاستبدال بسرعة (الشكل 2 ، الشكل 3A).

يتم طحن الإبرة من سلك التنغستن والرينيوم الذي يبلغ قطره 40 ميكرون ، وعن طريق الحفر الكهروكيميائي ، يتم تخفيض قطرها إلى 24 ميكرون على طول طول دخلت (الشكل 2A). تم تصميم رأس الإبرة لإشراك الحلقات لإدخالها - لنقل وإدراج الخيوط الفردية - وللتغلغل في السحايا وأنسجة المخ. يتم تشغيل الإبرة بواسطة محرك خطي ، مما يوفر سرعة إدخال متغيرة وتسارع سريع في التراجع (يصل إلى 30،000 مم − 2) لتسهيل فصل المسبار والإبرة. القرص هو سلك من التنغستن يبلغ قطره 50 ميكرون ، مثنيًا على الحافة ومعه محرك في الاتجاهين المحوريين والدورانيين (الشكل 2 ب). إنه بمثابة دعم للتحقيقات أثناء النقل وكدليل لضمان إدراج الخيوط على طول مسار الإبرة. ويبين الشكل 4 سلسلة من الصور الفوتوغرافية لعملية إدخال فروع في محاكاة agarous من أنسجة المخ.



الشكل 3 : جهاز آلي لإدخال الأقطاب الكهربائية ؛ يظهر عرض مكبّر لرأس الإدخال في الشكل الداخلي. أ. حامل إبرة محملة. B. الاتصال الاستشعار من موقف الدماغ من تأثير منخفض. وحدات الضوء مع عدة أطوال موجية مستقلة. D. إبرة المحرك. E. واحدة من أربع كاميرات التي تركز على الإبرة أثناء الإدراج. F. الكاميرا مع زاوية عرض واسعة من المجال الجراحي. كاميرات مجسمة.

يحتوي رأس الجهاز الآلي لإدخال الخيوط أيضًا على مجموعة من الكاميرات لاستقبال الصور (الشكل 3E-G) ، والتي تُستخدم لتوجيه الإبرة في حلقة الخيط ، تهدف قبل الدخول ، وعرض الإدخال في الوقت الحقيقي والتحقق منه. بالإضافة إلى ذلك ، يحتوي رأس الجهاز على ست وحدات إضاءة مستقلة ، كل منها قادر على الإضاءة بشكل مستقل بطول موجة 405 نانومتر ، 525 نانومتر و 650 نانومتر أو الضوء الأبيض (الشكل 3C). تثير إضاءة 405 نانومتر مضانًا من مادة بوليميد وتتيح للمكدس البصري ورؤية الكمبيوتر توطين حلقة الفتيل (16 × 50) 2m2 بطريقة موثوقة وإجراء تحكم مؤازر مرئي دون تأثير مباشر لتوجيه الإبرة المضاءة بواسطة 650 نانومتر عبر الحلقة. تتيح لك الكاميرات المجسمة والحسابات أحادية البرمجيات ذات العمق الطويل للمجال وإضاءة الضوء التي تبلغ 525 نانومتر إجراء تقييم دقيق لموقع جزء من سطح القشرة الدماغية.

يسجل الروبوت المواقع في شبكة إحداثيات مشتركة على الجمجمة ، والتي ، جنبًا إلى جنب مع تتبع العمق ، تستهدف بدقة هياكل الدماغ المحددة تشريحيا. تسمح لك حزمة البرامج المخصصة المدمجة بتحديد جميع نقاط الإدراج مسبقًا ، مما يسمح لك بالتخطيط لمسار الإدراج وتقليل التشويش والتحميل على كل سلسلة رسائل. واحدة من وظائف التخطيط الرئيسية هي القدرة على تجنب الأضرار التي لحقت شبكة الأوعية الدموية أثناء الإدراج ، والتي هي واحدة من المزايا الرئيسية لإدخال الأقطاب الكهربائية بشكل منفصل. هذا مهم بشكل خاص لأنه يعتقد أن الأضرار التي لحقت حاجز الدم في الدماغ تلعب دورا رئيسيا في الاستجابة الالتهابية للدماغ للأجسام الغريبة [33].

الروبوت لديه وضع الإدراج التلقائي ، والذي يسمح لك بإدخال ما يصل إلى 6 خيوط (192 قطب كهربائي) في الدقيقة. على الرغم من إمكانية إجراء عملية الحقن بأكملها بشكل تلقائي ، فإن الجراح يحتفظ بالتحكم الكامل ويمكنه ، إذا رغبت في ذلك ، إجراء الضبط اليدوي الدقيق لموضع الخيط قبل كل إدخال في القشرة. الروبوت الجراحي العصبي متوافق مع غلاف معقم وله ميزات تسهل عمليات الحقن الناجحة والسريعة ، مثل التعقيم التلقائي بالموجات فوق الصوتية. تعد خرطوشة حامل الإبرة (NPC ؛ الشكل 2C) جزءًا من رأس الإدخال الذي يكون على اتصال مباشر مع أنسجة المخ وهو عنصر مستهلك يمكن استبداله أثناء الجراحة في أقل من دقيقة.



الشكل 4 : 1. جهاز للإدخال مع مؤشر ترابط يقترب من محاكاة أنسجة المخ. ط. إبرة وقنية (ملاحظة: إبرة جوفاء). ثانيا. موضوع المدرجة سابقا. 2. اللمسات تلمس سطح محاكاة أنسجة المخ. 3. الإبرة تخترق نسيج التقليد ، وتوصيل الخيط إلى عمق محدد سلفا. ثالثا. إدراج موضوع. 4. يغادر جهاز إدخال الخيط ، تاركًا الخيط في القماش. د. موضوع مزروع.

باستخدام هذا النظام ، أظهرنا نجاح الإدارة في 87.1 ± 12.6 ٪ من الحالات (يعني ، الانحراف المعياري) ، بعد 19 عملية. خلال الدراسة ، تم إجراء تعديلات يدوية دقيقة لتجنب تلف الأوعية الدموية الدقيقة للقنوات على سطح القشرة ، مما زاد من وقت الإدارة الكلي من الأسرع. حتى مع أخذ هذه التصحيحات في الاعتبار ، بلغ متوسط ​​وقت الإدارة الكلية لهذه الدراسة حوالي 45 دقيقة ، بمعدل تقريبي لإدخال 29.6 قطبًا في الدقيقة (الشكل 6). تم إجراء المقدمة باستخدام بضع القحف الثنائي للمواقع التي تبلغ مساحتها (4 × 7) مم 2 مع فاصل> 300 ميكرون بين الخيوط من أجل زيادة التغطية القشرية. هذا يدل على أن الإدراج الآلي لأقطاب البوليمر الرقيقة هو نهج فعال وقابل للتسجيل لتسجيل نشاط عدد كبير من الخلايا العصبية في مناطق محددة تشريحيا من الدماغ.

4. الالكترونيات

التسجيل المستمر للإشارات من الآلاف من الأقطاب الكهربائية يمثل مشاكل كبيرة مع الالكترونيات والتعبئة والتغليف. تتطلب كثافة قنوات التسجيل وضع وحدة التضخيم ورقمنة الإشارة في مجموعة الجهاز نفسه ، وإلا ستكون متطلبات الكبل والموصل عالية للغاية. يجب أن تضخيم وحدة التسجيل هذه الإشارات العصبية الضعيفة (<10 RVRMS) ، وفي نفس الوقت تحجب الضوضاء خارج النطاق ، وتُخذ عينات من الإشارات المضخّمة وترقمنة وتخرج النتائج للمعالجة في الوقت الفعلي - وكل ذلك باستخدام أصغر قوة وحجم ممكنين.

تم تصميم الإلكترونيات على دائرتنا المتكاملة المتخصصة (ASIC) لتطبيقات Neuralink ، والتي تتكون من 256 مضخمات قابلة للبرمجة بشكل فردي ("وحدات البكسل التناظرية") ومحولات مدمجة تناظرية إلى رقمية (ADCs) ودائرة تحكم طرفية لتسلسل إشارات الإخراج الرقمية.

يمكن ضبط البيكسل التمثيلي بسهولة: يمكن معايرة خصائص الكسب والتصفية لمراعاة التغييرات في جودة الإشارة بسبب تباين العمليات والبيئة الكهربية.تقوم وحدة ADC المدمجة بإجراء أخذ العينات على تردد 19.3 كيلو هرتز بدقة 10 بتات. يستهلك كل بكسل تمثيلي 5.2 ميغاواط ، ويستهلك ASIC بأكمله حوالي 6 ميغاواط ، بما في ذلك برامج تشغيل الساعة. يتم عرض خصائص ASIC Neuralink في الجدول 1 ، وتظهر صورة للجهاز المصنع في الشكل. 5A.



الشكل 5 : لمس الجهاز في التعبئة والتغليف. أ. كل شريحة فردية في ASIC قادرة على معالجة 256 قناة بيانات. تحتوي مجموعة الأجهزة بالكامل على 12 رقاقة ، والتي يبلغ إجماليها 3072 قناة. خيوط بوليمر على أساس بارلين. C. حالة التيتانيوم (إزالة الغطاء). D. موصل USB-C الرقمي لنقل الطاقة والبيانات.

Neuralink ASIC هو جوهر نظام التسجيل المعياري الذي يجعل من السهل استبدال مكونات البحث والتطوير (الشكل 5). في الأنظمة التي تمت مناقشتها هنا ، يتم دمج العديد من ASICs في لوحة الدوائر المطبوعة القياسية (PCB) باستخدام طريقة اتصال flip-chip. يتكون كل نظام من صفيف بوابة قابل للبرمجة بواسطة المستخدم (تقريبًا FPGA) ؛ أجهزة استشعار درجة الحرارة ، التسارع ، المغنطيسية في الوقت الحقيقي وموصل USB-C واحد لنقل البيانات مع عرض النطاق الترددي الكامل. يتم تعبئتها في عبوات من التيتانيوم مغطاة بـ C-Parylene ، والتي تعمل كحاجز للرطوبة لمنع تغلغل السوائل وإطالة عمر الخدمة.

وصفنا التكوينات التي تم إنشاؤها: نظام التسجيل على 1536 قناة ("النظام A") ونظام التسجيل على 3072 قناة ("النظام B") ، في الجدول 2. بينما يستخدم النظام A الجيل الحالي ASIC Neuralink ، يستخدم النظام B الأقدم نسخة مع وظائف قابلة للمقارنة ، ولكن مع خصائص الأداء أقل. تم تصميم النظام B لزيادة كثافة القناة إلى الحد الأقصى ويستخدم للتطبيقات التي تتطلب عددًا كبيرًا جدًا من القنوات. على النقيض من ذلك ، تم تصميم النظام A لتوفير تثبيت أسرع وأكثر موثوقية ؛ يمكن تثبيته بخمس مرات أسرع من النظام B ، وهو أكثر كفاءة.




تقوم المحطة الأساسية المتصلة بشبكة محلية من شبكة Ethernet بتحويل تدفقات البيانات من هذه الأنظمة إلى حزم 10G Ethernet متعددة البث تسمح للمستخدمين اللاحقين بمعالجة البيانات بطرق مختلفة ، على سبيل المثال ، تصور البيانات في الوقت الفعلي [34] أو التسجيل على القرص. يمكن لكل محطة أساسية توصيل ما يصل إلى ثلاثة عمليات زرع في وقت واحد. بالإضافة إلى ذلك ، يتم دعم الأجهزة بواسطة نظام بيئي يوفر سهولة الاستخدام على مبدأ "التوصيل والتشغيل" بتكوين صفري: يتم تنشيط دفق البيانات تلقائيًا عند توصيل الكابل.

5. الفيزيولوجيا الكهربية

قمنا بزرع كلا النظامين A و B لجرذان Long-Evans الذكور كما هو موضح في القسم 3. تم تنفيذ جميع الإجراءات الحيوانية وفقًا لإرشادات المجلس القومي للبحوث لرعاية واستخدام حيوانات المختبر وتمت الموافقة عليها من قبل لجنة رعاية واستخدام Neuralink للحيوانات. تم إجراء تسجيلات كهروفيزيائية عندما استكشفت الحيوانات بحرية ساحة مجهزة بكابل يسمح بحركة غير محدودة. يمكن للنظام A تسجيل 1344 من 1536 قناة في وقت واحد ، ويمكن تحديد التكوين الدقيق للقناة بشكل تعسفي أثناء التسجيل ؛ يمكن للنظام B التسجيل من جميع القنوات 3072 في وقت واحد. تمت معالجة إشارات النطاق العريض الرقمية في الوقت الحقيقي لتحديد إمكانات عمل الخلايا العصبية (القمم) باستخدام خوارزمية الكشف عبر الإنترنت.


الشكل 6 : زرع موضوع والتجمع. مثال على صورة حية تظهر سطح القشرة ذات الخيوط المزروعة والحد الأدنى من النزيف. ب. مجموعة الاستشعار ("النظام ب") ​​، المزروعة بشكل دائم في الفئران.

تختلف متطلبات الكشف عن الذروة في الوقت الفعلي لـ NQF عن معظم الدراسات الفسيولوجية العصبية التقليدية. في حين أن معظم علماء الفيزيولوجيا الكهربية يأخذون البيانات دون اتصال بالإنترنت ويقضون جهودًا كبيرة في رفض أحداث الذروة الإيجابية الخاطئة ، يجب اكتشاف أحداث NQI في الوقت الفعلي ، وينبغي أن تزيد معلمات اكتشاف الذروة من أداء فك التشفير. باستخدام برنامجنا المخصص للكشف عن الذروة عبر الإنترنت ، وجدنا أن مرشح الدقة الذي يسمح بالإيجابيات الخاطئة التي تبلغ 0.2 هرتز ± أفضل من تحديد عتبات صارمة يمكنها أن ترفض القمم الحقيقية (لا تظهر البيانات).

بالنظر إلى هذه الاعتبارات ، حددنا عتبة عند> 0.35 هرتز لتحديد عدد الأقطاب التي سجلت القمم. نظرًا لأننا لا نقوم عادةً بفرز البيانات حسب الذروة ، فإننا لا نبلغ عن وحدات متعددة لكل قناة. عادةً ما تعمل وحدات فك ترميز BMI دون فرز مع الحد الأدنى من فقدان الأداء [36 ، 37]. علاوة على ذلك ، أظهرت النتائج الحديثة أن فرز الذروة ليس ضروريًا لإجراء تقييم دقيق لديناميات السكان العصبيين [38].

يتم عرض البيانات من تجربة حديثة باستخدام النظام A في الشكل. 7 والتين. 8. في هذه التجربة ، كانت 40 محاولة من 44 محاولة إدخال ناجحة (90٪) ليصبح المجموع 1280 قطبًا مزروعًا ، منها 1020 تم تسجيلها في وقت واحد. تُظهر إشارات النطاق العريض المسجلة من خيوط المقدمة إمكانات محلية ونشاط الذروة في الشكل 7. يظهر مثال على إخراج نظام الكشف عن الذروة كنقطة في الشكل. 8. في هذا المثال ، تم استخدام تكوينين متداخلين للتسجيل للتسجيل من جميع القنوات البالغ عددها 1.280 قناة. في هذه المجموعة ، بلغت غلة الذروة لدينا 53.4 ٪ من القنوات ، وظهرت العديد من القمم في العديد من القنوات المجاورة ، كما لوحظ في تجارب أخرى ذات كثافة إلكترود عالية [16 ، 17 ، 21]. في المصفوفات الأخرى للنظام A ، حصلنا على نتيجة 59.10 ± 5 ،74 ٪ (يعني error الخطأ القياسي للمتوسط) في 19 عملية بحد أقصى 85.5 ٪.


الشكل 7 : اليسار: الإشارات العصبية ذات النطاق العريض (غير المرشحة) التي تم الحصول عليها في وقت واحد من حبلا واحد (32 قناة) مزروع في القشرة الدماغية الفئران. تقابل كل قناة (صف) جزءًا من القطب الموجود على الشعيرة (مخطط على اليسار ؛ تباعد المقاطع عن بعضها بمقدار 50 ميكرون). قمم وإمكانات المجال المحلي واضحة. اليمين: الطول الموجي المرتقب (غير المصنفة) ؛ تشير الأرقام إلى موقع القناة في الدفق. يظهر الطول الموجي الأوسط باللون الأسود.

6. مناقشة

وصفنا NIR مع عدد كبير من القنوات ودقة ذروة واحدة. إنه يعتمد على أجهزة استشعار مرنة من البوليمر ، ونظام إدخال آلي وإلكترونيات منخفضة الطاقة خاصة. يخدم هذا النظام غرضين رئيسيين: إنه منصة بحث لاستخدامها في القوارض ويعمل كنموذج أولي للزرع السريرية البشرية المستقبلية. تتيح لك القدرة على تكرار الهياكل واختبار القوارض بسرعة تحسين الأجهزة وعمليات الإنتاج والبرامج بسرعة. نظرًا لأنه نظام أساسي للأبحاث ، يستخدم النظام اتصالًا سلكيًا لزيادة الإنتاجية لدفق البيانات الأولية. هذا مهم لتقييم الأداء وهو أمر مهم لتطوير خوارزميات معالجة الإشارات وفك تشفيرها. في المقابل ،ستكون الأجهزة الإكلينيكية التي سيتم تصنيعها على هذه المنصة قابلة للزرع بشكل كامل ، الأمر الذي سيتطلب تغليفًا محكمًا ، وسيحتوي على ضغط إشارة مضمن ، وخفض استهلاك الطاقة ، ونقل الطاقة اللاسلكية ، وقياس البيانات عن بُعد عبر الجلد دون استخدام الأسلاك.


الشكل 8 : تسمح أجهزتنا باكتشاف نشاط عصبي واسع الانتشار ، موزع على عدة مناطق من الدماغ والطبقات القشرية. اليسار: مواقع الحقن (الدوائر الملونة) موضحة على صورة دماغ القوارض. [35] اليمين: نقطية 1020 قناة مسجلة في وقت واحد مرتبة حسب التدفقات (اللون يتوافق مع نقطة الإدراج). الشريط الجانبي: صورة مكبرة للقمم من خيط واحد. هذا الخيط يتوافق مع ما هو مبين في الشكل. 7.

سيكون تعديل النشاط العصبي جزءًا مهمًا من واجهات الدماغ والآلة الإكلينيكية من الجيل التالي [39] ، على سبيل المثال ، لتوفير شعور باللمس أو التحسس للتحكم في حركات الأطراف الاصطناعية [40 ، 41]. لذلك ، قمنا بتطوير ASIC Neuralink قادرة على التحفيز الكهربائي على كل قناة ، على الرغم من أننا لم نظهر هذه القدرات هنا.

يحتوي نظام NQI هذا على العديد من المزايا مقارنة بالطرق السابقة. يكون حجم وتكوين تحقيقات الأغشية الرقيقة أكثر ملاءمة لخصائص مادة أنسجة المخ من تحقيقات السيليكون الشائعة الاستخدام ، وبالتالي قد تظهر زيادة في التوافق الحيوي [28 ، 21]. بالإضافة إلى ذلك ، تتيح لنا القدرة على اختيار مكان إدراج تحقيقاتنا ، بما في ذلك في الهياكل تحت القشرية ، إنشاء أشكال صفيف خاصة بنا لاستهداف مناطق معينة من الدماغ دون الإضرار بشبكات الأوعية الدموية. هذه الميزة مهمة لإنشاء NKI عالي الأداء ، حيث يمكن تعديل توزيع الأقطاب الكهربائية حسب متطلبات المهمة. أخيرا،يوفر التصور والتصميم Neuralink ASIC مرونة كبيرة في تصميم النظام ودعم عدد كبير جدًا من القنوات ضمن حجم عملي واستهلاك منخفض للطاقة.

في الأساس ، فإن أسلوبنا في التعامل مع واجهات الدماغ والآلة قابل للتوسع والقابل للتوسعة. نورد هنا تقريرًا عن تسجيل النطاق العريض المتزامن من أكثر من 3000 قطب مدرج في فأر يتحرك بحرية. في الدماغ الأكبر ، يمكن بسهولة زرع العديد من الأجهزة مع هذه البنية ، وبالتالي يمكننا التفاعل مع عدد أكبر بكثير من الخلايا العصبية دون إعادة هندسة جادة. يمكن أن يسمح لنا التطوير الإضافي للروبوتات الجراحية بتحقيق ذلك بنفس الطريقة دون زيادة وقت الجراحة بشكل كبير.

قبل أن يصبح الجهاز ذا النطاق الترددي العالي مناسبًا للاستخدام السريري ، سيكون من الضروري حل عدد من المشكلات التكنولوجية الخطيرة ، لكن من السهل الآن أن نتخيل أن مثل هذا الجهاز سيسمح للمرضى الذين يعانون من إصابات في النخاع الشوكي بالتحكم بذكاء في الماوس ولوحة المفاتيح الرقمية. وبالاقتران مع طرق التحسن السريع لتحفيز النخاع الشوكي [42] ، يمكن لهذا النهج في المستقبل استعادة وظيفة الحركة. يجب أن توفر الواجهات العصبية عالية الإنتاجية العديد من الخيارات العلاجية الجديدة.

7. شكر وتقدير

نود أن نشكر مختبر ليفرمور الوطني. لورنس (LLNL) ، مختبر بيركلي مارفيل لتقنية النانو ، مركز بيركلي لبحوث اللاسلكي (BWRC) ، مركز ستانفورد لتقنية النانو ، وموظفو نيورلينك السابقون والحاليون لمساهماتهم في العمل الموصوف هنا.

8. مقاطع فيديو إضافية

فيديو 1 : سلسلة من ستة تدخلات من روبوت جراحة الأعصاب في تقليد agarose لأنسجة المخ. يحدث التقاط الخيط بإبرة خارج الإطار. تنجم التغييرات في لون الخلفية عن الإضاءة على ترددات مختلفة من الضوء في مراحل مختلفة من عملية الضمادات والإدخال. تم إدراج خيط واحد قبل بداية الفيديو. فيديو .

الفيديو 2 : التصور ثلاثي الأبعاد لعملية زرع الخيوط (نفس البيانات كما في الشكل 8). يتم إدراج إدراج مؤشر الترابط في نفس الترتيب كما في العملية الحقيقية ، ولكن في وضع التشغيل السريع. حجم الخيط وعمق الإدراج نموذجي. يتم عرض إحداثيات التجسيمي لكل إدراج في مجموعة البيانات المقدمة من كالابريس وزملاء العمل [35]. فيديو .