Pesquisadores da Universidade de Lund, na Suécia, desenvolveram e testaram uma
nova solução para processamento e armazenamento de grandes quantidades de dados que são esperadas de futuras interfaces de neurocomputadores implantáveis. O sistema receberá simultaneamente dados de mais de 1 milhão de neurônios em tempo real. Após a conversão dos dados, eles serão enviados para processamento e armazenamento em computadores comuns. O sistema fornecerá feedback com uma velocidade de até 25 milissegundos, estimulando até 100 mil neurônios.
A nova tecnologia pode ser usada para monitorar o cérebro de pacientes paralisados, incluindo rastrear sinais de epilepsia, e para obter feedback em tempo real para controlar mãos robóticas em pacientes paralisados.
Atualmente, os avanços técnicos e neurobiológicos no campo das interfaces cérebro-computador impõem requisitos crescentes em bancos de dados e software para seu processamento, especialmente quando se trata de trabalhar com dados em tempo real recebidos de um grande número de neurônios. Para lidar com esse problema, os cientistas criaram uma arquitetura de software escalável para gravação paralela e processamento de dados usando computadores padrão. A arquitetura mostrou a capacidade de gerenciar informações em tempo real e fornecer uma resposta responsiva com uma velocidade de menos de 25 milissegundos. Os pesquisadores têm certeza de que seus desenvolvimentos serão adequados para trabalhar com interfaces de neurocomputadores existentes e futuras.
"Uma vantagem significativa da arquitetura e do formato dos dados é que as informações não requerem tradução subsequente, pois os sinais cerebrais são traduzidos diretamente em código", disseram os pesquisadores. Graças a essa abordagem, um computador comum pode trabalhar com dados e a velocidade de processamento é muito alta.
A ferramenta de monitoramento em tempo real para grandes áreas do cérebro pode ser usada para pesquisa, diagnóstico e tratamento. Deve ser especialmente eficaz para futuras interfaces de neurocomputadores implantáveis com feedback, que ajudarão a monitorar grandes áreas no cérebro de pacientes paralisados, rastrear os sinais nascentes de epilepsia e também controlar os braços robóticos paralisados.
O sistema foi projetado para registrar sinais neurais de eletrodos implantados. Abaixo está um exemplo de tal dispositivo, um eletrodo biocompatível elástico
desenvolvido por cientistas da Universidade de Linkoping (Suécia), que possui uma rede de 32 contatos metálicos abertos que, após a implantação, entram em contato com o tecido cerebral.
Abaixo está um diagrama do sistema. O relógio principal (a) é sincronizado com os dispositivos receptores (b), que organizam a
classificação dos picos - registram e classificam a atividade elétrica dos neurônios recebidos do sujeito (representado como um focinho do mouse) (e), bem como a compactação de dados. As informações são codificadas em uma grade de dados do intervalo de tempo. No formato HDF5, essa grade é enviada para armazenamento (def). Os dois últimos pontos estão planejados.
As soluções existentes para registrar a atividade cerebral são limitadas de 512 a 1024 canais, o que dificulta o processamento e o armazenamento em computadores pessoais. O número máximo de canais por assunto foi 1792, o indicador continuará crescendo. A DARPA está trabalhando nessa direção: em 2016, a agência
lançou um programa para desenvolver interfaces neurais implantáveis para obter "resolução de sinal sem precedentes e largura de banda para transmitir informações entre o cérebro humano e os sistemas eletrônicos". A interface deve atuar como um "tradutor" entre a eletroquímica dos neurônios e o código disponível para processamento pelos computadores. Como parte do programa de design de sistemas de engenharia neural (NESD, "Design de sistemas de neuroengenharia"), a agência espera modernizar os instrumentos, inclusive para compensar a visão e a audição dos pacientes: por exemplo, informações visuais precisarão ser transmitidas digitalmente ao cérebro.
O próximo passo foi a conclusão pela DARPA em 2017 de
contratos para a criação de implantes cerebrais de alta resolução com cinco organizações de pesquisa e uma empresa comercial. Cada um dos canais combina informações de dezenas de milhares de neurônios, o que fornece uma imagem embaçada e barulhenta com baixa resolução. O programa NESD foi projetado para superar essa barreira.