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密歇根大学的研究人员大大降低了神经接口的功率需求

通过调节脑电波的子集,密歇根大学的研究人员大大降低了神经接口的功率需求,同时提高了准确性-这一发现可能导致持久的脑植入物,既可以治疗神经系统疾病,又可以控制心智假肢和机器。

由机器人学院生物医学工程和核心学院副教授辛西娅·切斯特克(Cynthia Chestek)领导的团队估计,利用神经接口的方法,其神经接口的功耗可降低90%。

该研究的第一作者,博士学位的塞缪尔·纳森说:“目前,将脑信号解释为某个人的意图需要一台与人一样高的计算机,以及大量的电力。切斯特克皮质神经修复实验室的一名候选人。“将电量减少一个数量级将最终允许在家中使用脑机接口。”

神经元是我们大脑中传递信息和在身体周围活动的细胞,是嘈杂的发射器。用来收集神经元数据的计算机和电极正在收听停在站点之间的无线电。他们必须破译大脑嗡嗡声中的实际内容。使这项任务复杂化的是,大脑是这些数据的源泉,它增加了功能和处理能力,超出了安全植入式设备的限制。

当前,为了预测复杂的行为,例如从神经元活动中抓握手中的物品,科学家可以使用经皮电极,或通过皮肤将导线直接连接到大脑。这可以通过100个电极来实现,每秒捕获20,000个信号,并能够实现壮举,例如重新使瘫痪的手臂重新启用或使具有假手的人感觉物体的坚硬程度。但是,这种方法不仅在实验室环境之外不切实际,而且还存在感染的风险。

使用高效的专用集成电路创建的一些无线植入物,可以达到与经皮系统几乎相同的性能。这些芯片每秒可以收集和传输大约16,000个信号。但是,它们尚未实现一致的操作,并且与工业制造的芯片相比,它们的定制性质成为获得安全植入物批准的障碍。

切斯特克说:“这是一个巨大的飞跃。”“考虑到现有起搏器式设备的电源,要无线地获取脑机接口目前所需的高带宽信号是完全不可能的。”

为了减少功耗和数据需求,研究人员压缩了大脑信号。着眼于跨越某个功率阈值(称为阈值穿越率或TCR)的神经活动尖峰,意味着需要处理的数据更少,同时仍然能够预测神经元的放电。但是,TCR需要聆听神经元活动的全部信息,以确定何时超过阈值,并且阈值本身不仅可以从一个大脑变为另一个大脑,而且可以在同一天在同一大脑中变化。这需要调整阈值,并需要额外的硬件,电池和时间。

Chestek的实验室以另一种方式压缩数据,调出了神经元数据的一个特定功能:尖峰功率。SBP是来自多个神经元的300至1,000 Hz之间的频率的集成集合。通过仅侦听此频率范围并忽略其他频率,从吸管(而不是软管)中获取数据,该团队发现了对行为的高度准确的预测,而电力需求却大大降低。

与经皮系统相比,该团队发现SBP技术的准确性与之相同,而每秒接收的信号数量仅为十分之一,即每秒2,000个信号与20,000个信号。与其他方法(例如使用阈值穿越率)相比,该团队的方法不仅需要更少的原始数据,而且在预测神经元放电(甚至在噪声中)方面也更加准确,并且不需要调整阈值。

该团队的SBP方法解决了另一个限制植入物使用寿命的问题。随着时间的流逝,接口的电极无法读取噪声中的信号。但是,由于该技术在信号是其他技术(如阈值穿越)所需信号的一半时,性能同样好,因此植入物可以留在原地并使用更长时间。

尽管可以开发新的脑机接口以利用团队的方法,但他们的工作还通过减少将神经元转化为意图的技术要求,为许多现有设备解锁了新功能。

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