Forscher der Universität Lund in Schweden haben eine
neue Lösung für die Verarbeitung und Speicherung großer Datenmengen entwickelt und getestet, die von zukünftigen implantierbaren Neurocomputer-Schnittstellen erwartet werden. Das System empfängt gleichzeitig Daten von mehr als 1 Million Neuronen in Echtzeit. Nach der Datenkonvertierung werden sie zur Verarbeitung und Speicherung auf normalen Computern gesendet. Das System liefert Feedback mit einer Geschwindigkeit von bis zu 25 Millisekunden und stimuliert bis zu 100.000 Neuronen.
Die neue Technologie kann zur Überwachung des Gehirns gelähmter Patienten, einschließlich der Verfolgung von Anzeichen von Epilepsie, und zur Echtzeit-Rückmeldung zur Steuerung von Roboterhänden bei gelähmten Patienten verwendet werden.
Heutzutage stellen technische und neurobiologische Fortschritte auf dem Gebiet der Gehirn-Computer-Schnittstellen steigende Anforderungen an Datenbanken und Software für deren Verarbeitung, insbesondere wenn es um die Arbeit mit Echtzeitdaten geht, die von einer großen Anzahl von Neuronen empfangen werden. Um dieses Problem zu lösen, haben Wissenschaftler eine skalierbare Softwarearchitektur für die parallele Aufzeichnung und Datenverarbeitung mit Standardcomputern erstellt. Die Architektur hat die Fähigkeit bewiesen, Echtzeitinformationen zu verwalten und eine reaktionsschnelle Antwort mit einer Geschwindigkeit von weniger als 25 Millisekunden bereitzustellen. Die Forscher sind sicher, dass ihre Entwicklungen für die Arbeit mit bestehenden und zukünftigen Neurocomputer-Schnittstellen geeignet sind.
"Ein wesentlicher Vorteil der Architektur und des Datenformats besteht darin, dass Informationen nicht nachträglich übersetzt werden müssen, da Gehirnsignale direkt in Code übersetzt werden", so die Forscher. Dank dieses Ansatzes kann ein gewöhnlicher Computer mit Daten arbeiten, und die Verarbeitungsgeschwindigkeit ist so hoch.
Das Echtzeit-Überwachungstool für große Bereiche des Gehirns kann für Forschung, Diagnose und Behandlung verwendet werden. Es sollte besonders effektiv für zukünftige implantierbare Feedback-Neurocomputer-Schnittstellen sein, die dabei helfen, große Bereiche im Gehirn gelähmter Patienten zu überwachen, die entstehenden Anzeichen von Epilepsie zu verfolgen und gelähmte Roboterarme zu kontrollieren.
Das System dient zur Registrierung neuronaler Signale von implantierten Elektroden. Im Folgenden finden Sie ein Beispiel für ein solches Gerät, eine elastische biokompatible Elektrode,
die von Wissenschaftlern der Universität Linkoping (Schweden) entwickelt wurde und über ein Netzwerk von 32 offenen Metallkontakten verfügt, die nach der Implantation mit Gehirngewebe in Kontakt kommen.
Unten sehen Sie ein Diagramm des Systems. Die Hauptuhr (a) ist mit den Empfangsgeräten (b) synchronisiert, die das
Sortieren von Spitzen organisieren. Sie zeichnen die elektrische Aktivität der vom Subjekt empfangenen Neuronen (dargestellt als Mausmündung) (e) sowie die Datenkomprimierung auf und klassifizieren sie. Informationen werden in einem Zeitschlitzdatenraster codiert. Im HDF5-Format wird dieses Raster zur Speicherung gesendet (d und f). Die letzten beiden Punkte sind gerade geplant.
Bestehende Lösungen zur Aufzeichnung der Gehirnaktivität sind auf 512 bis 1024 Kanäle begrenzt, was es schwierig macht, sie zu verarbeiten und auf PCs zu speichern. Die maximale Anzahl von Kanälen pro Thema betrug 1792, der Indikator wird weiter wachsen. DARPA arbeitet in diese Richtung: 2016 startete die Agentur
ein Programm zur Entwicklung implantierbarer neuronaler Schnittstellen, um "eine beispiellose Signalauflösung und Bandbreite für die Übertragung von Informationen zwischen dem menschlichen Gehirn und elektronischen Systemen" zu erhalten. Die Schnittstelle sollte als "Übersetzer" zwischen der Elektrochemie von Neuronen und dem Code fungieren, der für die Verarbeitung durch Computer verfügbar ist. Im Rahmen des Programms Neural Engineering System Design (NESD, "Design of Neuroengineering Systems") erwartet die Agentur eine Modernisierung der Instrumente, einschließlich der Kompensation des Seh- und Hörvermögens von Patienten: Beispielsweise müssen visuelle Informationen digital an das Gehirn übertragen werden.
Der nächste Schritt war der Abschluss von
Verträgen zur Herstellung hochauflösender Gehirnimplantate durch DARPA im Jahr 2017 mit fünf Forschungseinrichtungen und einem Handelsunternehmen. Jeder der Kanäle kombiniert Informationen von Zehntausenden von Neuronen, wodurch ein verschwommenes und verrauschtes Bild mit einer niedrigen Auflösung entsteht. Das NESD-Programm soll diese Barriere überwinden.