Los implantes cerebrales de potencia ultrabaja encuentran una señal significativa en el ruido de la materia gris
Crédito: CC0 Dominio público
Al sintonizar un subconjunto de ondas cerebrales, los investigadores de la Universidad de Michigan han reducido drásticamente los requisitos de potencia de las interfaces neuronales mientras mejoran su precisióna descubrimiento que podría conducir a implantes cerebrales de larga duración que pueden tratar enfermedades neurológicas y habilitar prótesis y máquinas controladas por la mente.
El equipo, dirigido por Cynthia Chestek, profesora asociada de ingeniería biomédica y profesora central del Instituto de Robótica, estimó una reducción del 90 % en el consumo de energía de las interfaces neuronales al utilizar su enfoque.
«Actualmente, interpretar las señales del cerebro en las intenciones de alguien requiere computadoras tan altas como las personas y mucha energía eléctrica que valen varias baterías de automóviles», dijo Samuel Nason, primer autor del estudio y Ph.D. candidato en el Laboratorio de Prótesis Neural Cortical de Chestek. «Reducir la cantidad de energía eléctrica en un orden de magnitud eventualmente permitirá interfaces cerebro-máquina en el hogar».
Las neuronas, las células de nuestro cerebro que transmiten información y acción en todo el cuerpo, son ruidosas transmisores Las computadoras y los electrodos utilizados para recopilar datos de las neuronas están escuchando una radio atascada entre estaciones. Deben descifrar el contenido real entre el zumbido del cerebro. Para complicar esta tarea, el cerebro es una manguera contra incendios de estos datos, lo que aumenta el poder y el procesamiento más allá de los límites de los dispositivos implantables seguros.
Actualmente, para predecir comportamientos complejos como agarrar un objeto en una mano de neurona actividad, los científicos pueden usar electrodos transcutáneos o cables directos a través de la piel hasta el cerebro. Esto se puede lograr con 100 electrodos que capturan 20,000 señales por segundo y permite hazañas como volver a habilitar un brazo que estaba paralizado o permitir que alguien con una prótesis de mano sienta cuán duro o blando es un objeto. Pero este enfoque no solo es poco práctico fuera del entorno de laboratorio, sino que también conlleva un riesgo de infección.
Algunos implantes inalámbricos, creados con circuitos integrados altamente eficientes y específicos de la aplicación, pueden lograr un rendimiento casi igual al de los sistemas transcutáneos. Estos chips pueden reunir y transmitir unas 16.000 señales por segundo. Sin embargo, todavía tienen que lograr un funcionamiento consistente y su naturaleza personalizada es un obstáculo para obtener la aprobación como implantes seguros en comparación con los chips fabricados industrialmente.
«Este es un gran avance», dijo Chestek. «Obtener las señales de alto ancho de banda que actualmente necesitamos para las interfaces cerebro-máquina de forma inalámbrica sería completamente imposible dadas las fuentes de alimentación de los dispositivos de tipo marcapasos existentes».
Para reducir las necesidades de energía y datos, los investigadores comprimen el cerebro señales Centrarse en los picos de actividad neuronal que cruzan un cierto umbral de potencia, llamado tasa de cruce de umbral o TCR, significa que se necesita procesar menos datos y al mismo tiempo poder predecir la activación de las neuronas. Sin embargo, TCR requiere escuchar la manguera de fuego completa de la actividad de las neuronas para determinar cuándo se cruza un umbral, y el umbral en sí puede cambiar no solo de un cerebro a otro, sino también en el mismo cerebro en días diferentes. Esto requiere ajustar el umbral y hardware adicional, batería y tiempo para hacerlo.
Comprimiendo los datos de otra manera, el laboratorio de Chestek marcó una característica específica de los datos de las neuronas: el poder de la banda de picos. SBP es un conjunto integrado de frecuencias de múltiples neuronas, entre 300 y 1000 Hz. Al escuchar solo este rango de frecuencias e ignorar otros, tomando datos de una pajilla en lugar de una manguera, el equipo encontró una predicción muy precisa del comportamiento con necesidades de energía dramáticamente más bajas.
En comparación con los sistemas transcutáneos , el equipo descubrió que la técnica SBP era igual de precisa al tomar una décima parte de muchas señales, 2000 frente a 20 000 señales por segundo. En comparación con otros métodos, como el uso de una tasa de cruce de umbral, el enfoque del equipo no solo requiere muchos menos datos sin procesar, sino que también es más preciso para predecir la activación de neuronas, incluso entre el ruido, y no requiere ajustar un umbral.
El método SBP del equipo resuelve otro problema que limita la vida útil de un implante. Con el tiempo, los electrodos de una interfaz no pueden leer las señales entre el ruido. Sin embargo, debido a que la técnica funciona igual de bien cuando una señal es la mitad de lo que se requiere de otras técnicas como cruces de umbral, los implantes podrían dejarse en su lugar y usarse por más tiempo.
Si bien las nuevas interfaces cerebro-máquina pueden ser desarrollado para aprovechar el método del equipo, su trabajo también desbloquea nuevas capacidades para muchos dispositivos existentes al reducir los requisitos técnicos para traducir las neuronas en intenciones.
«Resulta que muchos dispositivos se han estado vendiendo por poco, dijo Nasón. «Estos circuitos existentes, que usan el mismo ancho de banda y potencia, ahora son aplicables a todo el ámbito de las interfaces cerebro-máquina».
El estudio, «Una banda de baja potencia de actividad de picos neuronales dominada por unidades mejora el rendimiento de las interfaces cerebro-máquina», se publica en Nature Biomedical Engineering.
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¿Podrían algún día las prótesis ser controladas por el pensamiento humano? Más información: Una banda de baja potencia de actividad de picos neuronales dominada por unidades individuales locales mejora el rendimiento de las interfaces cerebro-máquina, Nature Biomedical Engineering (2020). DOI: 10.1038/s41551-020-0591-0 , www.nature.com/articles/s41551-020-0591-0 Información de la revista: Nature Biomedical Engineering
Proporcionado por la Universidad de Michigan Cita: Los implantes cerebrales de potencia ultrabaja encuentran una señal significativa en el ruido de la materia gris (27 de julio de 2020) consultado el 31 de agosto de 2022 en https://medicalxpress.com/news/2020-07-ultra-low- power-brain-implants-significativo.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.