DARPA hat die Entwicklung hochauflösender Gehirnimplantate für die Gehirn-Computer-Schnittstelle in Auftrag gegeben

Abbildung: Paradromie

Das Advanced Research Projects des Verteidigungsministeriums (DARPA) hat sechs Verträge für die Entwicklung neuronaler Schnittstellen im Rahmen des NESD-Programms (Neural Engineering System Design) abgeschlossen . Dieses Programm zielt darauf ab, "die Forschungsmöglichkeiten für Neurotechnologien erheblich zu verbessern und die Grundlage für neue Behandlungen zu schaffen".

In der Praxis versucht DARPA, eine implantierbare neuronale Schnittstelle zu entwickeln, die "beispiellose Signalauflösung und Datenübertragungsraten zwischen dem menschlichen Gehirn und der digitalen Welt" bietet. Die Leistungsbeschreibung gibt an, dass die Schnittstelle als Konverter-Übersetzer fungieren sollte, der die elektrochemischen Signale des Gehirns in einen digitalen Code (Nullen und Einsen) umwandelt, der in der Informatik verwendet wird. Führen Sie die inverse Transformation durch, um Daten in das Gehirn zu schreiben. Ziel ist ein Kommunikationsgerät für die Gehirn-Computer-Schnittstelle mit einem Volumen von nicht mehr als 1 cm ³ .

Verträge werden mit fünf Forschungseinrichtungen und einem Handelsunternehmen geschlossen:

• Brown University . Dekodierung der neuronalen Sprachverarbeitung mit Schwerpunkt auf Ton und Vokalisierung. Die Schnittstelle besteht aus 100.000 Sensoren (Neurograin), die an der Oberfläche oder in der Großhirnrinde implantiert sind. Ein separates Funkmodul versorgt das Implantat mit Strom und dient als Hub für die Datenübertragung zum und vom Kontrollzentrum. Dort wird wiederum die Transcodierung und Verarbeitung von neuronalen und digitalen Signalen durchgeführt.
  
  
• Columbia Universität . Bioelektrische Schnittstelle im visuellen Kortex unter Verwendung eines flexiblen CMOS-Chips mit einer eingebauten Anordnung von Elektroden. Eine Röntgenstation ist am Kopf einer Person angebracht, um ein Signal zu übertragen und Energie drahtlos auf das Implantat zu übertragen.
  
  
• Fondation Voir et Entender (Vision and Hearing Foundation). Optogenetische Kommunikationsschnittstelle zwischen den Neuronen des visuellen Kortex und der hochauflösenden künstlichen Netzhaut mit einer Videokamera, die anstelle des Auges installiert wird.
  
  
• Labor von John B. Pierce . Das Studium des Sehens. Schnittstelle für die Kommunikation mit modifizierten Neuronen, die zur Biolumineszenz fähig sind und auf optogenetische Stimulation reagieren.
  
  
• Universität von Kalifornien, Berkeley . Ein holographisches "Lichtfeld" -Mikroskop, das die Aktivität von bis zu 1 Million Neuronen in der Großhirnrinde aufzeichnen und modulieren kann. Ein Versuch, Codierungsmodelle zur Vorhersage der Reaktion von Neuronen auf externe visuelle und taktile Stimulation zu erstellen und diese Muster dann anzuwenden, um das Sehvermögen bei blinden Patienten wiederherzustellen oder künstliche Prothesen mithilfe mentaler Befehle zu steuern.
  
  
• Paradromics, Inc. Eine Hochgeschwindigkeitsschnittstelle zur Großhirnrinde durch ein Gitter von durchdringenden Mikrodrähten, um einzelne Neuronen zu stimulieren und Informationen in hoher Auflösung von ihnen zu entfernen. Das Implantat soll helfen, die Sprachfunktion wiederherzustellen.

Der Durchmesser jedes Paradromics-Mikrodrahtes beträgt weniger als 20 Mikrometer

„Heute sind die besten Systeme mit einer Gehirn-Computer-Schnittstelle wie zwei Supercomputer, die versuchen, mit 300 Baud zu kommunizieren“, sagt Phillip Alvelda, Programmmanager bei NESD. "Stellen Sie sich vor, welche Perspektiven sich eröffnen, wenn wir unsere Tools verbessern und den Kanal zwischen dem menschlichen Gehirn und der modernen Elektronik wirklich öffnen."

Zu den offensichtlichsten Anwendungen der neuen Benutzeroberfläche gehört die Informationskompensation für Menschen mit Hör- und Sehbehinderungen. Sie werden in der Lage sein, das erforderliche Bild und den Ton direkt in das Gehirn zu bringen, und seine Auflösung kann theoretisch die Fähigkeiten des natürlichen menschlichen Sehens und Hörens übertreffen (zum Beispiel können Daten für die Übertragung von Richtmikrofonen, Infrarotkameras und Wärmebildkameras entnommen werden). Wahrscheinlich werden solche Schnittstellen in militärischen Angelegenheiten Anwendung finden.

Bisher sammeln die besten neuronalen Schnittstellen Informationen über nur 100 Kanäle, von denen jeder Informationen von Zehntausenden von Neuronen gleichzeitig kombiniert. Das Ergebnis ist ein verschwommenes und verrauschtes Bild mit niedriger Auflösung, das es nicht ermöglicht, einzelne Gedanken und Bilder aus dem Gehirn klar wiederherzustellen. Im Gegensatz dazu zielt das NESD-Programm darauf ab, hochauflösende neuronale Schnittstellen zu erstellen , mit denen Sie Daten von jedem von 1 Million einzelnen Neuronen klar und genau lesen und schreiben können.

Die Aufgabe, Daten von 1 Million Neuronen einzeln zu lesen, sieht zwar fantastisch aus, aber diese Zahl repräsentiert nur einen winzigen Bruchteil der 86 Milliarden Neuronen, aus denen das menschliche Gehirn besteht. Dies ist also nur der erste Schritt, um die Geheimnisse des menschlichen Denkens zu lüften.

DARPA plant, über einen Zeitraum von vier Jahren 65 Millionen US-Dollar für Forschung bereitzustellen. Im ersten Jahr werden sich die Entwickler auf konzeptionelle Innovationen im Bereich Hardware und Software konzentrieren und Experimente an Tieren und kultivierten Zellen durchführen. In der zweiten Phase beginnen die Grundlagenforschung, die Arbeiten zur Miniaturisierung von Komponenten und zur Integration sowie die Zusammenarbeit mit der FDA bei der Regulierung neuer Technologien.

Die Entwickler müssen eine Reihe technischer Hindernisse überwinden, aber diese sechs Gruppen konnten ihre Pläne formulieren und DARPA davon überzeugen, dass es realistisch ist, sie umzusetzen.