न्यूरालिंक: हजारों चैनलों के साथ एक एकीकृत मस्तिष्क-कंप्यूटर इंटरफ़ेस प्लेटफ़ॉर्म

नोट। 16 जुलाई, 2019 एलोन मस्क ने प्रौद्योगिकी प्रस्तुत की, जो क्लिनिकल प्रैक्टिस में न्यूरोएन्थेफेसेज़ को पेश करने के लिए पहले गंभीर प्रयासों में से एक था और लंबी अवधि में वास्तविक ट्रांसह्यूमन लक्ष्यों का होना। यह लेख एक अनुवाद है, कुछ नोट्स के साथ, न्यूरो कंप्यूटर इंटरफ़ेस की तकनीक का वर्णन करने वाले मूल लेख का, एक लिंक जिसे न्यूरालिंक डेवलपर कंपनी की वेबसाइट पर भी पोस्ट किया गया है। लेख में इस तकनीक को शामिल करने वाले मुख्य मॉड्यूल की विशेषताओं और विशेषताओं का वर्णन किया गया है, जिसमें शामिल हैं: लचीले बायोकंपैटिबल माइक्रोइलेक्ट्रोड्स, मस्तिष्क में इलेक्ट्रोड पेश करने के लिए एक रोबोट न्यूरोसर्जिकल मैनिपुलेटर, साथ ही तंत्रिका गतिविधि से एक संकेत का रिसेप्शन, प्रवर्धन और डिजिटलीकरण विशेष माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक प्रदान करता है।

अमूर्त

न्यूरो-कंप्यूटर इंटरफेस (बीएमआई - मस्तिष्क-मशीन पूर्णांक) संवेदी और मोटर फ़ंक्शन को बहाल करने का एक अवसर प्रदान करता है, साथ ही साथ न्यूरोलॉजिकल विकारों का इलाज भी करता है, लेकिन अब तक बीएमआई को व्यापक नैदानिक ​​वितरण प्राप्त नहीं हुआ है, आंशिक रूप से चैनलों की अपर्याप्त संख्या के कारण जो उनकी क्षमता को सीमित करते हैं। इस श्वेत पत्र में, हम एक स्केलेबल बीएमआई ब्रॉडबैंड प्रणाली की ओर न्यूरलिंक के पहले चरणों का वर्णन करते हैं। हमने छोटे और लचीले "थ्रेड्स" के इलेक्ट्रोड बनाए - इलेक्ट्रोड, जिसमें 96 थ्रेड्स पर 3072 तक इलेक्ट्रोड वितरित किए जाते हैं। हमने एक न्यूरोसर्जिकल रोबोट भी बनाया है जो प्रति मिनट छह स्ट्रैंड (192 इलेक्ट्रोड) को प्रत्यारोपित करने में सक्षम है। सतही संवहनी नेटवर्क को नुकसान से बचने और मस्तिष्क के एक सटीक परिभाषित क्षेत्र में एक लक्ष्य को प्राप्त करने के लिए प्रत्येक थ्रेड को व्यक्तिगत रूप से माइक्रोन की सटीकता के साथ मस्तिष्क में डाला जा सकता है। इलेक्ट्रोड की सरणी एक छोटे से इंप्लांटेबल डिवाइस में पैक की जाती है, जिसमें सिग्नल के लो-पावर बिल्ट-इन एम्प्लीफिकेशन और डिजिटलीकरण के लिए विशेष माइक्रोक्रिस्केट होते हैं: 3072 चैनलों के पैकेज में 23 × 18.5 × 2 मिमी और 0.851 सेमी 3 की मात्रा के आयाम होते हैं। एक यूएसबी-सी केबल पूर्ण बैंडविड्थ और एक साथ सभी चैनलों से रिकॉर्डिंग के साथ डिवाइस से डेटा स्ट्रीमिंग में सक्षम बनाता है। 85.5% प्रत्यारोपित इलेक्ट्रोड के ऊपर सीधे न्यूरॉन गतिविधि की चोटियों को दर्ज किया गया। बीएमआई में न्यूरेलिंक के दृष्टिकोण में अभूतपूर्व इलेक्ट्रोड घनत्व और मापनीयता है, जो विधानसभा में नैदानिक ​​उपयोग को सक्षम करता है।

1. परिचय

ब्रेन-मशीन इंटरफ़ेस (बीएमआई) नैदानिक ​​विकारों की एक विस्तृत श्रृंखला के साथ लोगों की मदद कर सकता है। उदाहरण के लिए, शोधकर्ताओं ने न्यूरो प्रोस्थेटिक्स कंप्यूटर कर्सर [1, 2, 3], रोबोट अंगों [4, 5] और स्पीच सिंथेसाइज़र [6] का उपयोग करते हुए इन सभी उदाहरणों में 256 इलेक्ट्रोड से अधिक का उपयोग करके नियंत्रित करने की क्षमता का प्रदर्शन किया। हालांकि इन अग्रिमों से पता चलता है कि मस्तिष्क और मशीनों के बीच उच्च-सटीक जानकारी का हस्तांतरण संभव है, बीएमआई का विकास गंभीर रूप से बड़ी संख्या में न्यूरॉन्स से सिग्नल रिकॉर्ड करने में असमर्थता द्वारा सीमित था। गैर-इनवेसिव दृष्टिकोण खोपड़ी के माध्यम से औसतन लाखों न्यूरॉन्स रिकॉर्ड कर सकते हैं, लेकिन यह संकेत विकृत और गैर-जिम्मेदार है [7, 8]। कॉर्टेक्स की सतह पर स्थित आक्रामक इलेक्ट्रोड उपयोगी संकेतों को रिकॉर्ड कर सकते हैं, लेकिन वे इसमें सीमित हैं कि वे हजारों न्यूरॉन्स की गतिविधि को औसत करते हैं और मस्तिष्क में गहरे सिग्नलों को रिकॉर्ड नहीं कर सकते हैं [9]। अधिकांश बीएमआई आक्रामक तरीकों का उपयोग करते हैं क्योंकि तंत्रिका निरूपण के सबसे सटीक पढ़ने के लिए वितरित, कार्यात्मक रूप से संबंधित पहनावा [10] में एकल न्यूरॉन एक्शन पोटेंशिअल की रिकॉर्डिंग की आवश्यकता होती है।

माइक्रोएलेक्ट्रोड्स एक्शन पोटेंशिअल को रिकॉर्ड करने के लिए प्रौद्योगिकी का स्वर्ण मानक हैं, लेकिन अभी तक एक नैदानिक ​​रूप से विकसित माइक्रोइलेक्ट्रोड तकनीक नहीं हुई है, जिसे बड़ी संख्या में न्यूरॉन्स [11] की गतिविधि को रिकॉर्ड करने के लिए बढ़ाया जा सकता है। इसके लिए विशेष गुणों वाली सामग्रियों से निर्मित एक प्रणाली की आवश्यकता होगी जो उच्च जैव-सुरक्षा, सुरक्षा और स्थायित्व प्रदान करती है। इसके अलावा, इस डिवाइस को अंततः पूरी तरह से वायरलेस प्रत्यारोपण प्रदर्शन प्रदान करने के लिए एक व्यावहारिक सर्जिकल दृष्टिकोण और कम-शक्ति और उच्च-घनत्व वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की आवश्यकता होगी।

लंबे समय तक तंत्रिका रिकॉर्डिंग के लिए अधिकांश उपकरण कठोर धातुओं या अर्धचालकों से बने इलेक्ट्रोड के ऐरे हैं [12, 13, 14, 15, 16, 17, 18]। जबकि कठोर धातु झंझरी मस्तिष्क, आकार में प्रवेश की सुविधा प्रदान करते हैं, यंग का मापांक, कठोर जांच और मस्तिष्क के ऊतकों के बीच कठोरता में झुकने में बेमेल है जो प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया को उत्तेजित कर सकता है जो इन उपकरणों के कार्य और स्थायित्व को सीमित करता है [19, 11]। इसके अलावा, इन सरणियों की निश्चित ज्यामिति न्यूरॉन्स की आबादी को सीमित करती है जो कि पहुँचा जा सकता है, विशेष रूप से वाहिका की उपस्थिति के कारण।

एक वैकल्पिक दृष्टिकोण पतली लचीली बहु-इलेक्ट्रोड बहुलक जांच का उपयोग करना है [20, 21]। इन जांचों के छोटे आकार और बढ़े हुए लचीलेपन को अधिक से अधिक जैवसक्रियता प्रदान करनी चाहिए। हालांकि, इस दृष्टिकोण की कमी यह है कि पतली बहुलक जांच सीधे मस्तिष्क में डालने के लिए पर्याप्त कठोर नहीं है; उनका परिचय स्ट्राईन [२२, २१], इंजेक्शन [२३, २४] या अन्य दृष्टिकोण [२५] के साथ दिया जाना चाहिए, और वे सभी धीमे [२६, २ 27] हैं। उच्च-बैंडविड्थ एनक्यूआई के लिए कार्यात्मक आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए, पतली-फिल्म उपकरणों का लाभ उठाते हुए, हमने एक रोबोटिक दृष्टिकोण विकसित किया है जिसमें बड़ी संख्या में पतली और लचीली बहुलक जांच प्रभावी ढंग से और स्वतंत्र रूप से मस्तिष्क के विभिन्न क्षेत्रों में डाली जाती है [28]।

यहां हम एक लचीली, स्केलेबल बीएमआई बनाने में न्यूरलिंक की प्रगति पर रिपोर्ट करते हैं, जो पिछले काम की तुलना में परिमाण के क्रम से चैनलों की संख्या में वृद्धि करता है। हमारे सिस्टम में तीन मुख्य घटक होते हैं: अल्ट्रैथिन पॉलीमर प्रोब (इस रिपोर्ट का खंड 2), एक न्यूरोसर्जिकल रोबोट (खंड 3) और विशेष उच्च घनत्व इलेक्ट्रॉनिक्स (खंड 4)। हम ऐसी प्रौद्योगिकी प्रदर्शित करते हैं जो 96 पॉलिमर फिलामेंट के तेजी से आरोपण की अनुमति देती है, जिनमें से प्रत्येक में कुल 3072 इलेक्ट्रोड के लिए 32 इलेक्ट्रोड होते हैं।

हमने एक लघु विशेष इलेक्ट्रॉनिक्स विकसित किया है, जो हमें इन सभी इलेक्ट्रोड (धारा 5) से ब्रॉडबैंड इलेक्ट्रोफिजियोलॉजी के सभी डेटा को एक साथ संचारित करने की अनुमति देता है। हमने इस प्रणाली को इस तरह से पैक किया है ताकि इसके दीर्घकालिक आरोपण को सक्षम किया जा सके और न्यूरॉन गतिविधि चोटियों के ऑनलाइन पता लगाने के लिए विशेष सॉफ्टवेयर विकसित किया जा सके, जिससे कम विलंबता क्रिया क्षमता का पता लगाया जा सके। साथ में, यह प्रणाली एक आधुनिक अनुसंधान मंच और पूरी तरह से इंप्लांटेबल मानव न्यूरो कंप्यूटर इंटरफ़ेस के पहले प्रोटोटाइप के रूप में कार्य करती है।

2. थ्रेड्स

चित्र 1 : हमारे नए बहुलक जांच (धागे)। ए। लिनियर एज जांच, 32 इलेक्ट्रोड संपर्कों के साथ 50 माइक्रोन अलग-अलग। 32 इलेक्ट्रोड संपर्कों के साथ बी "ट्री-लाइक" जांच ने 75 माइक्रोन को अलग रखा। C. संरचना ए के लिए व्यक्तिगत इलेक्ट्रोड की बड़ी छवि, उनके छोटे ज्यामितीय सतह क्षेत्र पर जोर। डी। दो सतह के उपचार के लिए इलेक्ट्रोड प्रतिबाधा वितरण (1 kHz पर मापा गया): PEDOT (n = 257) और IrOx (n = 588)।

हमने इलेक्ट्रोड के बीच न्यूनतम दूरी के साथ तंत्रिका जांच के निर्माण के लिए एक व्यक्तिगत प्रक्रिया विकसित की है, जो विभिन्न प्रकार की जैव-पतली पतली फिल्म सामग्री का उपयोग करते हैं। इन जांचों में प्रयुक्त मुख्य सब्सट्रेट और ढांकता हुआ पॉलीमाइड है, जो एक पतली सोने की फिल्म को कवर करता है। प्रत्येक पतली-फिल्म मैट्रिक्स में एक "फिलामेंट" क्षेत्र होता है, जिसमें संपर्क, इलेक्ट्रोड ट्रैक्स और एक "सेंसर" क्षेत्र होता है, जहां एक पतली फिल्म गैर-मानक माइक्रो-सर्किट से जुड़ी होती है जो सिग्नल प्रवर्धन और रिसेप्शन प्रदान करती है। वेफर स्तर पर माइक्रोप्रोडक्शन प्रक्रिया उनकी उच्च उत्पादकता सुनिश्चित करती है। प्रत्येक प्लेट को दस पतली-फिल्म उपकरणों के साथ लेपित किया जाता है जो कुल 3072 इलेक्ट्रोड संपर्कों से संकेत प्राप्त करते हैं।

48 या 96 धागे प्रत्येक सरणी से जुड़े होते हैं, जिनमें से प्रत्येक में 32 स्वतंत्र इलेक्ट्रोड होते हैं। एकीकृत सर्किट फ्लिप-चिप बॉन्डिंग प्रक्रिया (नोट: https: //en.wikipedia.org/wiki/Flip_chip) का उपयोग करके पतली-फिल्म सेंसर के क्षेत्र में संपर्कों से जुड़े होते हैं।

इस दृष्टिकोण के लक्ष्यों में से एक है मस्तिष्क में ऊतक विस्थापन को कम करने के लिए धागे के सबसे छोटे संभव क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र को प्राप्त करना। इसे प्राप्त करने के लिए, उच्च संख्या में चैनल बनाए रखते हुए, चरण-दर-चरण प्रोजेक्शन लिथोग्राफी और अन्य माइक्रोप्रोसेसिंग विधियों का उपयोग सबम्रिकॉन रिज़ॉल्यूशन वाली धातु की फिल्म प्राप्त करने के लिए किया जाता है।

हमने अपने सरणियों के लिए 20 से अधिक विभिन्न प्रकार के फिलामेंट और इलेक्ट्रोड तैयार किए हैं; दो निर्माण उदाहरण पैनल ए और बी में अंजीर में दिखाए गए हैं। 1. हमने 5 से 50 माइक्रोन की चौड़ाई के साथ तंतु बनाए, जिसमें कई ज्यामितीय (छवि 1) के रिकॉर्डिंग स्थान शामिल हैं। धागे की मोटाई 4 से 6 माइक्रोन से होती है, जिसमें इन्सुलेशन की तीन परतें और कंडक्टर की दो परतें शामिल होती हैं। विशिष्ट यार्न की लंबाई लगभग 20 मिमी है। सम्मिलन से पहले, parylene-C को थ्रेड्स पर एक फिल्म बनाने के लिए लगाया जाता है, जिस पर सर्जिकल रोबोट को हटाने तक धागे संलग्न रहते हैं। सुई थ्रेडिंग को समायोजित करने के लिए प्रत्येक धागा एक लूप (16 × 50) μm2 के साथ समाप्त होता है।

चूंकि सोने के इलेक्ट्रोड के अलग-अलग वर्गों में छोटे ज्यामितीय सतह क्षेत्र (छवि 1C) होते हैं, हम इलेक्ट्रोफिजियोलॉजी के लिए प्रतिबाधा को कम करने और सतह की प्रभावी असर क्षमता (छवि 1 डी) को बढ़ाने के लिए सतह संशोधनों का उपयोग करते हैं। इनमें से दो उपचार जो हमने उपयोग किए हैं, वे हैं पॉलीस्टायरीन सल्फोनेट (PEDOT: PSS) [29, 30] और इरिडियम ऑक्साइड (IrOx [31, 32]) के साथ विद्युत प्रवाहकीय पॉलिमर पॉलीथिलीनऑक्सीथायोफीन डोप किया हुआ। बेंचटॉप टेस्टिंग में, हमने 36.97 k 4.68 kOhm (n = 257 इलेक्ट्रोड) और 56.46 ± 7.10 kOhm (n = 588) के अवरोधों को PEDOT: PSS और Irxx के लिए क्रमशः हासिल किया। PEDOT का निम्न प्रतिबाधा: PSS आशाजनक है, लेकिन PEDOT की दीर्घकालिक स्थिरता और जैव-प्रौद्योगिकीता: PSS, IrOx की तुलना में कम विश्वसनीय है। इन तरीकों और प्रक्रियाओं में सुधार किया जा सकता है और आगे अन्य प्रकार के प्रवाहकीय इलेक्ट्रोड सामग्री और कोटिंग्स के लिए विस्तारित किया जा सकता है।

3. न्यूरोसर्जिकल रोबोट

चित्र 2 : एक पैसे के सिक्के की तुलना में सुई पिन्चर कारतूस (NPC) कारतूस का आकार।

पतली फिल्म के पॉलिमर पहले इलेक्ट्रोड जांच [21] के लिए उपयोग किए जाते थे, लेकिन उनकी कम झुकने की कठोरता ने सम्मिलन प्रक्रिया को जटिल बना दिया। न्यूरेलिंक ने लचीली जांच [28] के रोबोट सम्मिलन के साथ एक दृष्टिकोण विकसित किया है, जो मस्तिष्क के छोटे क्षेत्रों से वास्कुलचर और रिकॉर्डिंग को नुकसान को रोकने के उद्देश्य से बड़ी संख्या में बहुलक जांच के तेजी से और विश्वसनीय सम्मिलन की अनुमति देता है। रोबोट का इंजेक्शन हेड 400-× × 400 मिमी × 150 मिमी मापने वाले तीन-अक्ष प्लेटफ़ॉर्म पर 10 माइक्रोन की सटीकता के साथ स्थित है और एक छोटा, जल्दी से बदली जाने वाली "सुई धारक" विधानसभा (छवि 2, अंजीर। 3 ए) रखता है।

सुई को 40 माइक्रोन के व्यास के साथ एक टंगस्टन-रेनियम तार से पिघलाया जाता है, और विद्युत रासायनिक नक़्क़ाशी के माध्यम से, इसका व्यास दर्ज लंबाई (छवि 2 ए) के साथ 24 माइक्रोन तक कम हो जाता है। सुई की नोक को सम्मिलन के लिए छोरों को संलग्न करने के लिए डिज़ाइन किया गया है - व्यक्तिगत धागे को परिवहन और सम्मिलित करने के लिए - और मेनिंगेस और मस्तिष्क के ऊतकों में घुसना। सुई को एक लीनियर मोटर द्वारा संचालित किया जाता है, जिससे जांच और सुई को अलग करने में मदद करने के लिए एक परिवर्तनीय इनपुट गति और वापसी का तेजी से त्वरण (30,000 मिमी a2 तक) हो सकता है। पिंचर 50 माइक्रोन के व्यास के साथ एक टंगस्टन तार है, जो टिप पर मुड़ा हुआ है और अक्षीय और घूर्णी दिशाओं (छवि 2 बी) में एक ड्राइव के साथ है। यह परिवहन के दौरान जांच के लिए सहायता के रूप में और यह सुनिश्चित करने के लिए एक गाइड के रूप में कार्य करता है कि धागे सुई पथ के साथ डाले गए हैं। चित्रा 4 मस्तिष्क के ऊतकों के एक अजीब सिमुलेशन में किस्में डालने की प्रक्रिया की तस्वीरों का एक क्रम दिखाता है।



चित्रा 3 : इलेक्ट्रोड पेश करने के लिए रोबोट डिवाइस; इनसेट में इनपुट हेड के बढ़े हुए दृश्य को दिखाया गया है। उ। लोडेड सुई धारक। कम प्रभाव के मस्तिष्क की स्थिति के बी संपर्क सेंसर। C. कई स्वतंत्र तरंग दैर्ध्य वाले प्रकाश मॉड्यूल। डी। सुई मोटर। ई। चार कैमरों में से एक जो प्रविष्टि के दौरान सुई पर केंद्रित है। सर्जिकल क्षेत्र के एक विस्तृत देखने के कोण के साथ एफ। कैमरा। जी। स्टीरियोस्कोपिक कैमरे।

धागे को पेश करने के लिए रोबोट डिवाइस के प्रमुख में छवियों को प्राप्त करने के लिए कैमरों का एक ढेर भी है (छवि 3 ई-जी), जो सुई को धागे के पाश में मार्गदर्शन करने के लिए उपयोग किया जाता है, प्रवेश करने से पहले उद्देश्य, वास्तविक समय में इनपुट देखें और जांचें। इसके अलावा, डिवाइस के सिर में छह स्वतंत्र प्रकाश मॉड्यूल शामिल हैं, जिनमें से प्रत्येक 405 एनएम, 525 एनएम और 650 एनएम या सफेद प्रकाश (छवि 3 सी) के तरंग दैर्ध्य के साथ स्वतंत्र रूप से रोशन करने में सक्षम है। पॉलिमाइड से 405 एनएम के प्रतिदीप्ति को उत्तेजित करता है और ऑप्टिकल स्टैक और कंप्यूटर दृष्टि को फिलामेंट लूप (16 × 50) μm2 को स्थानीय रूप से स्थानीय बनाने और लूप के माध्यम से 650 एनएम प्रकाश द्वारा निर्देशित सुई को निर्देशित करने के लिए सबमिक्रोन विज़ुअल सर्वो नियंत्रण करता है। क्षेत्र की एक विस्तारित गहराई के साथ स्टीरियोस्कोपिक कैमरे, सॉफ्टवेयर एककोशिकीय गणना और 525-एनएम प्रकाश रोशनी से मस्तिष्क प्रांतस्था के सतह क्षेत्र के स्थान का सही आकलन करना संभव हो जाता है।

रोबोट खोपड़ी पर एक सामान्य समन्वय ग्रिड में स्थानों को पंजीकृत करता है, जो गहराई से ट्रैकिंग के साथ संयुक्त रूप से, संरचनात्मक रूप से परिभाषित मस्तिष्क संरचनाओं को सटीक रूप से लक्षित करता है। एक एकीकृत कस्टम सॉफ़्टवेयर पैकेज आपको सभी सम्मिलन बिंदुओं को पूर्व-चयन करने की अनुमति देता है, जिससे आप सम्मिलन पथ की योजना बना सकते हैं, प्रत्येक धागे पर भ्रम को कम कर सकते हैं और लोड कर सकते हैं। मुख्य नियोजन कार्यों में से एक सम्मिलन के दौरान संवहनी नेटवर्क को नुकसान से बचने की क्षमता है, जो इलेक्ट्रोड को अलग से पेश करने के प्रमुख लाभों में से एक है। यह विशेष रूप से महत्वपूर्ण है क्योंकि यह माना जाता है कि रक्त-मस्तिष्क बाधा को नुकसान विदेशी वस्तुओं [33] के लिए मस्तिष्क की भड़काऊ प्रतिक्रिया में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।

रोबोट में एक स्वचालित प्रविष्टि मोड है, जो आपको प्रति मिनट 6 थ्रेड्स (192 इलेक्ट्रोड) तक सम्मिलित करने की अनुमति देता है। इस तथ्य के बावजूद कि पूरी इंजेक्शन प्रक्रिया स्वचालित हो सकती है, सर्जन पूर्ण नियंत्रण रखता है और यदि वांछित है, तो कोर्टेक्स में प्रत्येक परिचय से पहले थ्रेड की स्थिति का मैनुअल माइक्रो-समायोजन कर सकता है। न्यूरोसर्जिकल रोबोट एक बाँझ आवरण के साथ संगत है और इसमें ऐसी विशेषताएं हैं जो सफल और त्वरित इंजेक्शन की सुविधा प्रदान करती हैं, जैसे कि स्वचालित अल्ट्रासोनिक सुई नसबंदी। सुई धारक कारतूस (एनपीसी; चित्रा 2 सी) सम्मिलित सिर का हिस्सा है जो मस्तिष्क के ऊतकों के सीधे संपर्क में है और एक उपभोज्य वस्तु है जिसे सर्जरी के दौरान एक मिनट से भी कम समय में बदला जा सकता है।



चित्रा 4 : 1. मस्तिष्क के ऊतकों के अनुकरण के करीब पहुंचने वाले धागे के साथ एक उपकरण। मैं। सुई और प्रवेशनी (नोट: खोखली सुई)। ii। पहले डाला गया धागा। 2. सम्मिलित सतह मस्तिष्क के ऊतकों को छूती है। 3. सुई नकली कपड़े में प्रवेश करती है, धागे को पूर्व निर्धारित गहराई तक पहुंचाती है। iii। धागा प्रविष्टि। 4. धागा इनपुट डिवाइस प्रस्थान करता है, कपड़े में धागा छोड़ देता है। iv। प्रत्यारोपित धागा।

इस प्रणाली का उपयोग करते हुए, हमने 19 ऑपरेशन के बाद 87.1% 12.6% मामलों में प्रशासन की सफलता (मतलब success मानक विचलन) का प्रदर्शन किया। अध्ययन के दौरान, कोर्टेक्स की सतह पर चैनलों के माइक्रोवैस्कुलचर को नुकसान से बचने के लिए सटीक मैनुअल समायोजन किया गया था, जिसने कुल प्रशासन का समय सबसे तेजी से बढ़ा दिया था। यहां तक ​​कि इन सुधारों को ध्यान में रखते हुए, इस अध्ययन के लिए कुल प्रशासन समय ~ 45 मिनट का औसत है, प्रति मिनट 29.6 इलेक्ट्रोड की शुरूआत की अनुमानित दर (छवि 6) के साथ। परिचय द्विपक्षीय क्रैनियोटॉमी साइटों के साथ किया गया था जिसमें (4 × 7) mm2 के एक क्षेत्र के साथ एक अंतराल के साथ> 300 माइक्रोन फिलामेंट्स के बीच कॉर्टिकल कवरेज को अधिकतम करने के लिए। यह दर्शाता है कि पतली बहुलक इलेक्ट्रोड का रोबोट सम्मिलन मस्तिष्क के शारीरिक रूप से परिभाषित क्षेत्रों में बड़ी संख्या में न्यूरॉन्स की गतिविधि को रिकॉर्ड करने के लिए एक प्रभावी और स्केलेबल दृष्टिकोण है।

4. इलेक्ट्रॉनिक्स

हजारों इलेक्ट्रोड से संकेतों की निरंतर रिकॉर्डिंग इलेक्ट्रॉनिक्स और पैकेजिंग के साथ महत्वपूर्ण समस्याएं प्रस्तुत करती है। रिकॉर्डिंग चैनलों के घनत्व को डिवाइस के असेंबली में एक लाभ मॉड्यूल और सिग्नल के डिजिटलीकरण की नियुक्ति की आवश्यकता होती है, अन्यथा केबल और कनेक्टर की आवश्यकताएं अत्यधिक अधिक होंगी। इस रिकॉर्डिंग मॉड्यूल को कमजोर तंत्रिका संकेतों (<10 μVRMS) को बढ़ाना चाहिए, एक ही समय में, आउट-ऑफ-बैंड शोर को दबाएं, प्रवर्धित संकेतों को डिजिटाइज़ करें और वास्तविक समय प्रसंस्करण के लिए आउटपुट परिणाम - सभी सबसे छोटी संभव शक्ति और आकार का उपयोग कर।

इलेक्ट्रॉनिक्स हमारे विशेष एकीकृत सर्किट (ASIC) पर न्यूरलिंक अनुप्रयोगों के लिए बनाया गया है, जिसमें 256 व्यक्तिगत रूप से प्रोग्राम करने योग्य एम्पलीफायरों ("एनालॉग पिक्सल्स"), बिल्ट-इन एनालॉग-टू-डिजिटल कन्वर्टर्स (ADCs) और परिधीय नियंत्रण सर्किट को डिजीटल आउटपुट संकेतों को क्रमबद्ध करना शामिल है।

एनालॉग पिक्सेल आसानी से समायोज्य है: प्रक्रिया परिवर्तनशीलता और इलेक्ट्रोफिजियोलॉजिकल वातावरण के कारण सिग्नल की गुणवत्ता में परिवर्तन के लिए लाभ और फ़िल्टर गुणों को कैलिब्रेट किया जा सकता है।अंतर्निहित ADC 10 बिट के रिज़ॉल्यूशन के साथ 19.3 kHz की आवृत्ति पर नमूना प्रदर्शन करता है। प्रत्येक एनालॉग पिक्सेल में 5.2 μW की खपत होती है, और संपूर्ण ASIC घड़ी ड्राइवरों सहित लगभग 6 mW की खपत करता है। ASIC न्यूरेलिंक की विशेषताओं को तालिका 1 में दिखाया गया है, और निर्मित डिवाइस का एक चित्र अंजीर में दिखाया गया है। 5 ए।



चित्रा 5 : पैकेजिंग में टच डिवाइस। A. ASIC में प्रत्येक व्यक्तिगत चिप 256 डेटा चैनलों को संसाधित करने में सक्षम है। पूरे डिवाइस असेंबली में 12 ऐसे चिप्स हैं, जो कुल 3072 चैनल हैं। B. पॉलिमर एक पैरलीन आधार पर यार्न। सी। टाइटेनियम मामला (कवर हटा)। डी। पावर और डेटा ट्रांसफर के लिए डिजिटल यूएसबी-सी कनेक्टर।

न्यूरलिंक एएसआईसी एक मॉड्यूलर रिकॉर्डिंग प्लेटफॉर्म का मूल है जो अनुसंधान और विकास के लिए घटकों को बदलना आसान बनाता है (छवि 5)। यहां चर्चा की गई प्रणालियों में, कई एएसआईसी फ्लिप-चिप कनेक्शन विधि का उपयोग करते हुए एक मानक मुद्रित सर्किट बोर्ड (पीसीबी) में एकीकृत होते हैं। प्रत्येक सिस्टम में एक उपयोगकर्ता-प्रोग्रामेबल गेट ऐरे (लगभग FPGA) होता है; तापमान सेंसर, एक्सेलेरोमीटर, वास्तविक समय में मैग्नेटोमीटर और पूर्ण बैंडविड्थ के साथ डेटा ट्रांसमिशन के लिए एक यूएसबी-सी कनेक्टर। सिस्टम टाइटेनियम बाड़ों में पैक किए जाते हैं जो सी-पैरीलीन के साथ लेपित होते हैं, जो तरल प्रवेश को रोकने और सेवा जीवन का विस्तार करने के लिए नमी अवरोधक के रूप में कार्य करता है।

हमने बनाए गए कॉन्फ़िगरेशन का वर्णन किया है: 1536 चैनलों पर रिकॉर्डिंग सिस्टम ("सिस्टम ए") और 3072 चैनलों पर रिकॉर्डिंग सिस्टम ("सिस्टम बी"), तालिका 2 में। जबकि सिस्टम ए वर्तमान पीढ़ी एएसआईसी न्यूरेलिंक का उपयोग करता है, सिस्टम बी पहले का उपयोग करता है तुलनीय कार्यक्षमता के साथ संस्करण, लेकिन कम प्रदर्शन विशेषताओं के साथ। सिस्टम बी को चैनल घनत्व को अधिकतम करने के लिए डिज़ाइन किया गया था और उन अनुप्रयोगों के लिए उपयोग किया जाता है जिनके लिए बहुत बड़ी संख्या में चैनलों की आवश्यकता होती है। सिस्टम ए, इसके विपरीत, एक तेज और अधिक विश्वसनीय स्थापना प्रदान करने के लिए डिज़ाइन किया गया था; इसे सिस्टम B की तुलना में पांच गुना तेज स्थापित किया जा सकता है, जो अधिक कुशल है।




ईथरनेट लोकल एरिया नेटवर्क से जुड़ा एक बेस स्टेशन इन प्रणालियों से डेटा स्ट्रीम को 10G ईथरनेट मल्टीकास्ट पैकेट में परिवर्तित करता है जो बाद के उपयोगकर्ताओं को विभिन्न तरीकों से डेटा संसाधित करने की अनुमति देता है, उदाहरण के लिए, रीयल-टाइम डेटा विज़ुअलाइज़ेशन [34] या डिस्क पर रिकॉर्डिंग। प्रत्येक बेस स्टेशन एक साथ तीन प्रत्यारोपण तक जुड़ सकता है। उपकरणों को अतिरिक्त रूप से एक सॉफ्टवेयर पारिस्थितिकी तंत्र द्वारा समर्थित किया जाता है जो शून्य कॉन्फ़िगरेशन के साथ "प्लग एंड प्ले" के सिद्धांत पर उपयोग में आसानी प्रदान करता है: केबल कनेक्ट होने पर डेटा स्ट्रीम स्वचालित रूप से सक्रिय हो जाता है।

5. इलेक्ट्रोफिजियोलॉजी

हमने खंड 3 में वर्णित ए एंड बी से लेकर पुरुष लॉन्ग-इवांस चूहों दोनों प्रणालियों को प्रत्यारोपित किया। सभी जानवरों की प्रक्रियाओं को प्रयोगशाला जानवरों की देखभाल और उपयोग के लिए राष्ट्रीय अनुसंधान परिषद के दिशानिर्देशों के अनुसार प्रदर्शन किया गया और न्यूरालिंक पशु देखभाल और उपयोग समिति द्वारा अनुमोदित किया गया। इलेक्ट्रोफिजियोलॉजिकल रिकॉर्डिंग तब की गई जब जानवरों ने स्वतंत्र रूप से एक केबल से सुसज्जित क्षेत्र की खोज की, जिसने असीमित आंदोलन की अनुमति दी। सिस्टम ए 1536 चैनलों में से 1344 को एक साथ रिकॉर्ड कर सकता है, रिकॉर्डिंग के दौरान चैनल का सटीक कॉन्फ़िगरेशन मनमाने ढंग से निर्दिष्ट किया जा सकता है; सिस्टम बी सभी 3072 चैनलों से एक साथ रिकॉर्ड कर सकता है। ऑनलाइन पता लगाने वाले एल्गोरिथ्म का उपयोग करके न्यूरॉन्स (चोटियों) की कार्रवाई क्षमताओं को निर्धारित करने के लिए वास्तविक समय में डिजीटल ब्रॉडबैंड सिग्नल संसाधित किए गए थे।


चित्रा 6 : धागा आरोपण और विधानसभा। क। प्रत्यारोपित थ्रेड्स और न्यूनतम रक्तस्राव के साथ कॉर्टेक्स की सतह को दिखाने वाली एक लाइव छवि का एक उदाहरण। बी सेंसर विधानसभा ("सिस्टम बी"), स्थायी रूप से चूहे में प्रत्यारोपित।

NQFs के लिए वास्तविक समय के शिखर का पता लगाने की आवश्यकताएं अधिकांश पारंपरिक न्यूरोफिज़ियोलॉजिकल अध्ययनों से अलग हैं। जबकि अधिकांश इलेक्ट्रोफिजियोलॉजिस्ट डेटा ऑफ़लाइन लेते हैं और झूठी सकारात्मक चोटी की घटनाओं को खारिज करने पर महत्वपूर्ण प्रयास करते हैं, वास्तविक समय में एनक्यूआई घटनाओं का पता लगाया जाना चाहिए, और चोटी का पता लगाने के मापदंडों को डिकोडिंग प्रदर्शन को अधिकतम करना चाहिए। हमारे समर्पित ऑनलाइन चोटी का पता लगाने वाले सॉफ़्टवेयर का उपयोग करते हुए, हमने पाया कि एक रिज़ॉल्यूशन फ़िल्टर जो online 0.2 Hz की झूठी सकारात्मक अनुमति देता है, सख्त थ्रेसहोल्ड सेट करने से बेहतर है जो वास्तविक चोटियों (डेटा नहीं दिखाया गया) को अस्वीकार कर सकता है।

इन विचारों को देखते हुए, हमने चोटियों को दर्ज करने वाले इलेक्ट्रोड की संख्या निर्धारित करने के लिए> 0.35 हर्ट्ज पर एक सीमा निर्धारित की। चूंकि हम आमतौर पर चोटियों द्वारा डेटा को सॉर्ट नहीं करते हैं, इसलिए हम प्रति चैनल कई इकाइयों की रिपोर्ट नहीं करते हैं। बीएमआई डिकोडर आमतौर पर प्रदर्शन के न्यूनतम नुकसान [36, 37] को छांटे बिना काम करते हैं। इसके अलावा, हाल के परिणाम बताते हैं कि शिखर की छंटाई तंत्रिका आबादी की गतिशीलता के सटीक आकलन के लिए आवश्यक नहीं है [38]।

सिस्टम ए का उपयोग करके हाल ही में किए गए प्रयोग के आंकड़े अंजीर में दिखाए गए हैं। 7 और अंजीर। 8. इस प्रयोग में, कुल सम्मिलित किए गए इलेक्ट्रोडों के लिए 44 सम्मिलन प्रयासों में से 40 सफल (90%) थे, जिनमें से 1020 एक साथ दर्ज किए गए थे। प्रस्तुत तंतुओं से रिकॉर्ड किए गए ब्रॉडबैंड संकेतों में छवि की स्थानीय क्षमता और शिखर गतिविधि दोनों दिखाई देती हैं। 7। पीक डिटेक्शन सिस्टम के आउटपुट का एक उदाहरण अंजीर में एक रेखापुंज के रूप में दिखाया गया है। 8. इस उदाहरण में, सभी 1,280 प्रत्यारोपित चैनलों से रिकॉर्ड करने के लिए दो ओवरलैपिंग रिकॉर्डिंग कॉन्फ़िगरेशन का उपयोग किया गया था। इस सरणी में, हमारी चोटी की उपज 53.4% ​​चैनलों की थी, और कई पड़ोसी चैनलों पर कई चोटियां दिखाई दीं, जैसा कि एक उच्च इलेक्ट्रोड घनत्व [16, 17, 21] के साथ अन्य प्रयोगों में देखा गया था। सिस्टम ए के अन्य सरणियों पर, हमने 59.10 system 5 का परिणाम प्राप्त किया,अधिकतम 85५.५% के साथ १ ९ परिचालनों में ४% (मतलब की मानक त्रुटि)।


चित्र 7 : वाम: ब्राडबैंड तंत्रिका संकेत (अनफ़िल्टर्ड) एक साथ चूहे सेरेब्रल कॉर्टेक्स में प्रत्यारोपित एक स्ट्रैंड (32 चैनल) से प्राप्त होता है। प्रत्येक चैनल (पंक्ति) फिलामेंट पर इलेक्ट्रोड के एक हिस्से से मेल खाती है (बाईं ओर आरेख, अनुभाग 50 माइक्रोन अलग-अलग होते हैं)। चोटियों और स्थानीय क्षेत्र की क्षमता स्पष्ट है। सही: भावी तरंग (अनसोल्ड); नंबर स्ट्रीम में चैनल का स्थान दर्शाते हैं। मध्य तरंग को काले रंग में दिखाया गया है।

6. चर्चा

हमने एक एनआईआर का वर्णन किया है जिसमें उच्च संख्या में चैनल और एक चोटी का संकल्प है। यह लचीला बहुलक सेंसर, एक रोबोट इनपुट सिस्टम और विशेष कम-शक्ति वाले इलेक्ट्रॉनिक्स पर आधारित है। यह प्रणाली दो मुख्य उद्देश्यों को पूरा करती है: यह कृन्तकों में उपयोग के लिए एक शोध मंच है और भविष्य के मानव नैदानिक ​​प्रत्यारोपण के लिए एक प्रोटोटाइप के रूप में कार्य करता है। जल्दी से संरचनाओं और परीक्षण कृन्तकों को पुनरावृत्त करने की क्षमता आपको उपकरणों, उत्पादन प्रक्रियाओं और सॉफ्टवेयर को जल्दी से सुधारने की अनुमति देती है। क्योंकि यह एक शोध मंच है, सिस्टम कच्चे डेटा को स्ट्रीम करने के लिए थ्रूपुट को अधिकतम करने के लिए एक वायर्ड कनेक्शन का उपयोग करता है। यह प्रदर्शन के मूल्यांकन के लिए महत्वपूर्ण है और सिग्नल प्रोसेसिंग और डिकोडिंग एल्गोरिदम के विकास के लिए महत्वपूर्ण है। इसके विपरीत,इस प्लेटफ़ॉर्म पर निर्मित होने वाले नैदानिक ​​उपकरण पूरी तरह से प्रत्यारोपण योग्य होंगे, जिसमें हर्मेटिक पैकेजिंग की आवश्यकता होगी, और इसमें तारों का उपयोग किए बिना त्वचा के माध्यम से निर्मित सिग्नल कम्प्रेशन, बिजली की खपत, वायरलेस ऊर्जा हस्तांतरण और डेटा की टेलीमेट्री होगी।


चित्र 8 : हमारे उपकरण मस्तिष्क और कॉर्टिकल परतों के कई क्षेत्रों में वितरित व्यापक न्यूरोनल गतिविधि का पता लगाने की अनुमति देते हैं। वाम: इंजेक्शन स्थल (रंगीन वृत्त) कृंतक मस्तिष्क की छवि पर इंगित किए जाते हैं। [३५] अधिकार: धाराओं के आधार पर एक साथ रिकॉर्ड किए गए १०२० के रेखापुंज (रंग सम्मिलन बिंदु से मेल खाते हैं)। साइडबार: एक धागे से चोटियों की एक बढ़ी हुई छवि। यह धागा अंजीर में दिखाया गया है। 7।

न्यूरोनल गतिविधि का मॉड्यूलेशन अगली पीढ़ी के नैदानिक ​​ब्रेन-मशीन इंटरफेस [39] का एक महत्वपूर्ण हिस्सा होगा, उदाहरण के लिए, न्यूरो-प्रोस्थेटिक आंदोलनों को नियंत्रित करने के लिए स्पर्श या प्रोप्रियोसेप्शन की भावना प्रदान करने के लिए [40, 41]। इसलिए, हमने प्रत्येक चैनल पर विद्युत उत्तेजना में सक्षम एक ASIC न्यूरालिंक विकसित किया, हालांकि हमने यहां इन क्षमताओं का प्रदर्शन नहीं किया है।

इस NQI सिस्टम के पिछले दृष्टिकोणों के कई फायदे हैं। पतली फिल्म जांच का आकार और रचना आमतौर पर इस्तेमाल किए जाने वाले सिलिकॉन जांच की तुलना में मस्तिष्क के ऊतकों की सामग्री के गुणों के लिए बेहतर है, और इसलिए यह बढ़ी हुई जैव-क्षमता [28, 21] को प्रदर्शित कर सकता है। इसके अलावा, यह चुनने की क्षमता कि उप-संरचना संरचनाओं सहित हमारे जांच को कहां सम्मिलित किया जाए, हमें संवहनी नेटवर्क को नुकसान पहुंचाए बिना मस्तिष्क के कुछ क्षेत्रों को लक्षित करने के लिए सरणियों के अपने स्वयं के ज्यामितीय बनाने की अनुमति देता है। यह विशेषता उच्च-प्रदर्शन एनकेआई बनाने के लिए महत्वपूर्ण है, क्योंकि इलेक्ट्रोड का वितरण कार्य की आवश्यकताओं के आधार पर समायोजित किया जा सकता है। अंत में,न्यूरलिंक एएसआईसी के लघुकरण और डिजाइन सिस्टम डिजाइन में बहुत लचीलापन प्रदान करते हैं और व्यावहारिक आकार और कम बिजली की खपत के भीतर बहुत अधिक संख्या में चैनलों का समर्थन करते हैं।

असल में, ब्रेन-मशीन इंटरफेस के लिए हमारा दृष्टिकोण एक्स्टेंसिबल और स्केलेबल है। यहां हम एक स्वतंत्र रूप से चलने वाले चूहे में 3,000 से अधिक सम्मिलित इलेक्ट्रोड से एक साथ ब्रॉडबैंड रिकॉर्डिंग पर रिपोर्ट करते हैं। एक बड़े मस्तिष्क में, इस वास्तुकला के साथ कई उपकरणों को आसानी से प्रत्यारोपित किया जा सकता है, और इसलिए हम गंभीर पुनर्रचना के बिना बहुत अधिक संख्या में न्यूरॉन्स के साथ बातचीत कर सकते हैं। सर्जिकल रोबोटिक्स का आगे विकास हमें सर्जरी के समय को बढ़ाए बिना उसी तरह से इसे प्राप्त करने की अनुमति दे सकता है।

उच्च बैंडविड्थ के साथ एक उपकरण नैदानिक ​​उपयोग के लिए उपयुक्त होने से पहले, कई गंभीर तकनीकी समस्याओं को हल करना आवश्यक होगा, लेकिन अब यह कल्पना करना आसान है कि इस तरह की डिवाइस रीढ़ की हड्डी की चोट वाले रोगियों को एक डिजिटल माउस और कीबोर्ड को चतुराई से नियंत्रित करने की अनुमति देगी। और रीढ़ की हड्डी की उत्तेजना के तरीकों में तेजी से सुधार के साथ संयोजन में [42], भविष्य में यह दृष्टिकोण मोटर फ़ंक्शन को बहाल कर सकता है। उच्च-थ्रूपुट तंत्रिका इंटरफेस कई नए चिकित्सीय विकल्प प्रदान करते हैं।

7. आभार

हम लिवरमोर नेशनल लेबोरेटरी को धन्यवाद देना चाहेंगे। लॉरेंस (LLNL), बर्कले मार्वेल नैनो टेक्नोलॉजी लेबोरेटरी, बर्कले वायरलेस रिसर्च सेंटर (BWRC), स्टैनफोर्ड नैनो टेक्नोलॉजी सेंटर, और पूर्व और वर्तमान न्यूरालिंक कर्मचारी यहां वर्णित कार्यों में अपने योगदान के लिए।

8. अतिरिक्त वीडियो

वीडियो 1 : मस्तिष्क के ऊतकों की एक agarose नकल में एक न्यूरोसर्जिकल रोबोट के छह आवेषण की एक श्रृंखला। सुई द्वारा धागे का कब्जा फ्रेम के बाहर होता है। ड्रेसिंग और सम्मिलन प्रक्रिया के विभिन्न चरणों में प्रकाश की विभिन्न आवृत्तियों पर प्रकाश के कारण पृष्ठभूमि के रंग में परिवर्तन होता है। वीडियो की शुरुआत से पहले एक धागा डाला गया था। वीडियो ।

वीडियो 2 : थ्रेड इम्प्लांटेशन प्रक्रिया का त्रि-आयामी दृश्य (चित्र 8 में समान डेटा)। थ्रेड इंसर्ट को उसी क्रम में कल्पना की जाती है जैसे कि वास्तविक ऑपरेशन में, लेकिन फास्ट प्लेबैक मोड में। धागे का आकार और सम्मिलन गहराई विशिष्ट है। प्रत्येक इंसर्ट के स्टीरियोटैक्टिक निर्देशांक, केब्रिज और सह-कार्यकर्ता [35] द्वारा प्रदान किए गए डेटासेट में प्रस्तुत किए जाते हैं। वीडियो ।