マトリックスがやってくる！脳に1万ミクロンの電極を埋め込み盗聴、マスク氏の脳マシンが人体に埋め込まれる

あなたの頭の中には、860 億個のスイッチからなる複雑なネットワークがあります!

重さは 2.5 キログラム、消費電力はわずか 20W (電球のエネルギー消費量に相当) 。

しかし、それはバイオエレクトロニクスにおいて無限の奇跡を生み出しました!

脳は電子器官ですか?

脳研究の中核は、センサー技術。

頭皮電極、磁気共鳴画像法、または埋め込みチップなどの新しく開拓された方法に精通しているかどうかにかかわらず、私たちは皆、この神秘的な器官を探求しようとしています。

最近、ベルギーのナノデジタル研究機関である imec は、生きた脳をニューロンレベルで観察するための新しいプローブである Neuropixels 検出器を開発しました。

第一世代の Neuropixels 検出器だけでも、世界中の約 650 の研究室に納入されています。同時に、Imec はオープンソース データを世界中の脳研究者に提供するために OpenScope 共有脳観測所も設立しました。

これは世界共通の神経科学研究施設であり、共通の高エネルギー物理学研究のための CERN の粒子加速器に相当します。

Neuropixel、脳活動を観察するための新しいテクノロジー。その機能はイメージングに似ていますが、光フィールドではなく電場を記録します。

このコラボレーションは 2010 年にエンジニアの Barun Dutta と神経科学者の Timothy D. Harris との会話から始まりました。

ダッタは最先端の半導体製造装置を使用する imec で働いており、ハリスは HHMI (ハワード ヒューズ医学研究所) で上級神経科学者として働いています。

ダッタは半導体の知識を神経科学の分野にもたらします

「自由に動く動物の局所的な神経回路を研究する必要があります。そのスパイクを記録します。」それぞれのニューロンです」とハリス氏は語った。

ダッタ氏とハリス氏が主導し、エンジニア、神経科学者、ソフトウェア設計者、その他の人材を含む学際的な背景を持つ研究チームが結成されました。

科学者たちは、高度なマイクロエレクトロニクスを使用して、脳組織の小さな部分にある数千のニューロン間の電気的会話を同時に監視できる新しいセンサーを発明する方法を模索しています。

科学者らが発明したシステムはニューロピクセルと名付けられ、「私たちを神経科学のインテルだと考えてください。私たちがチップを提供し、世界中の研究室がそれを使ってコードを書いたり実験を行ったりしています」とダッタ氏は語った。 。」

脳器官のどの部分にも到達できるほど十分な長さでありながら、途中で繊細な組織を傷つけない程度に小さいデジタルプローブを構築するのは簡単ではありません。

実際、脳はヨーグルトと同じくらい弾力があります。

したがって、科学者は挿入をまっすぐに保ちながらも、隣接する脳細胞を長時間損傷しないように、揺れる脳の中で挿入が曲がるようにする必要があります。

脳が身体を複雑な行動に導くため、検出器は所定の位置に留まり、数週間、場合によっては数か月にわたって確実に記録できる十分な耐久性が必要です。

Neuropixels は神経科学をより高い段階に押し上げ、てんかんやパーキンソン病などの脳疾患により良い治療法を提供し、将来のブレイン-コンピューター インターフェイスへの道を切り開きます。

1950 年代に遡ると、研究者たちは原始的な電子センサーを使用して、パーキンソン病患者のニューロンの不活性化を特定しました。

開発から 70 年を経て、マイクロエレクトロニクス革命により、脳プローブのすべてのコンポーネントが小型化され、脳の電子センシング技術は大きく進歩しました。

2021 年にシステムはバージョン 2.0 にアップグレードされます。 4年前の初期バージョンと比較すると、センサーの数が桁違いに増加しました。

現在、バージョン 3.0 は開発の初期段階にあります。

科学者たちは、ムーアの法則に従ってニューロピクセルが指数関数的に増加すると信じています。

そして、これはほんの始まりにすぎません。

Neuropice2.0!

脳を研究する生物学の専門家は、実験者が電極に金またはプラチナを使用し、ハンドルに有機金属ポリマーを使用することを提案しています。

ただし、これらの材料は高度な CMOS 製造プロセスと互換性がありません。そのため、実験者たちは調査を行い、多くの工学設計を行いました。最終的に、Silke

Musa は、CMOS や動物の脳と互換性のある非常に強力な電気セラミックである窒化チタンを発明しました。

また、この材料は多孔質でもあるため、インピーダンスが低くなります。低インピーダンスは、近くのセルを加熱してデータを破損するノイズを発生させることなく、電流を取得して信号をクリアするのに非常に役立ちます。

広範な材料科学研究と微小電気機械システム (MEMS) におけるいくつかの関連技術のおかげで、研究者は現在、シリコン ロッドや窒化チタン電極の堆積およびエッチング中に生成される内部応力を制御できるようになりました。

このようにして、シリコンロッドの太さがわずか 23 ミクロン (ミクロン) であるにもかかわらず、常にほぼ完全な直線を維持することができます。

各プローブは 4 つの平行なハンドルで構成され、それぞれのハンドルには 1,280 個の電極が装備されています。プローブの長さは 1 センチメートル以内で、マウスの脳のどこにでも到達できます。

2021年に発表されたマウスの研究では、Neuropice 2.0デバイスがげっ歯類が通常の生活を送っている間に6か月間連続して同じニューロンからデータを収集できることが示されました。

CMOS対応ハンドルと脳組織との弾性差は大きく、プローブが脳内にあると必然的に脳の動きに追従してしまうという問題があり、個々の神経細胞はどうあるべきなのか移動中に追跡されます。

私たちは皆、ニューロンのサイズが 20 ～ 100 ミクロンで、各電極の直径が 15 ミクロンであることを知っています。これは、単一のニューロンの分離された活動を記録するには十分小さいです。

#しかし、6 か月にわたる激しい活動の後、探査機全体は脳内で 500 ミクロン移動した可能性があります。この間、任意のピクセルでいくつかのニューロンが行き来する可能性があります。

(現在最も一般的な神経記録装置)

さらに、各ステム上の 1,280 個の電極は個別にアドレス指定可能であり、4 つの平行なステムにより研究者は効率的に作業を行うことができます。 2D 読み取り値。CMOS カメラで撮影した画像に非常に似ています。

この類似性により、研究者らは、ピクセルに対するニューロンの変位の問題が IS システムの問題と非常によく似ていることに気づきました。撮影中にカメラを振るのと同じように、脳のある領域のニューロンはその電気的特性と相関しています。

研究者は、カメラの揺れの問題を解決する既存の方法を使用して、検出頭の揺れの問題を解決できます。安定化ソフトウェアを適用することで、研究者は神経回路が意のままに動いた場合の自動補正機能を利用できるようになります。

バージョン 2.0 では、埋め込まれたプローブを制御し、デジタル データを出力する頭蓋骨の外側にある回路基板を親指ほどのサイズに縮小しました。

このようにして、1 つの回路基板とベースに 2 つのプローブを保持でき、各プローブは 4 つの小さなハンドルを伸ばし、合計 10,240 個の記録可能な電極を持ちます。

研究者らは、高いサンプリング レートを達成し、大量のデータを取得するための制御プログラムを作成しました。これは、CMOS イメージング チップが通常記録できる量の 500 倍です。しかし現時点では、このデバイスは接触するすべてのニューロンの活動を捕捉することはできません。

コンピューター技術の継続的な進歩により、今後数世代以内に既存の帯域幅の制限がさらに緩和されるでしょう。

研究者らは、わずか 4 年間でピクセル密度をほぼ 2 倍にし、同時に記録できるピクセル数を 2 倍にし、全体のピクセル数を 10 倍以上に増やしました。増加するどころか減少し、半分に縮小しました。

次世代バージョン 3.0 も開発中で、4 年ごとのリリース リズムで 2025 年頃にリリースされる予定です。バージョン 3.0 では、ピクセル数が再び増加し、約 50,000 ～ 100,000 個のニューロンの監視が可能になると研究者らは予想しています。

その間、チームは検出器の追加を継続し、出力帯域幅を 3 倍または 4 倍にし、基本帯域幅を 2 ​​分の 1 に削減する予定です。

(最初の Neuropion デバイス。ハンドルには 966 個の電極があります。)

フランケンシュタインは、最初の人間の脳機械である頭蓋骨を開けました

科学研究を進歩させるために、多くのフランケンシュタインが自分自身の体で実験を行ってきました。 2014年、米国の70代後半の神経科学者フィル・ケネディは、自分の頭蓋骨を鋸で切り開き、脳に電極を埋め込んだ。

当時、実験対象者が見つからず、研究資金も枯渇しそうになっていたため、ケネディは自分の脳を手術することを決意しました。脳の手術は11時間半にも及んだが、実際にはそれほど順調には進まなかった。

ケネディは目覚めたとき、話す能力を失っていました。彼は、話すことができない患者が脳とコンピュータのインターフェースを通じて再び「話す」ことができるようにする音声デコーダを作成するためにこれを行いました。

以前、フィル ケネディはこの分野で 30 年近く研究を続けており、有名な神経科学者であり、多くの人から「サイボーグの父」と呼ばれていました。

彼が 1990 年代に開発した侵襲的な脳とコンピューターのインターフェイスにより、重度の麻痺のある人が脳を使ってコンピューターのカーソルを制御して入力する方法を学び、他の人が彼の声を「聞く」ことができるようになりました。

ブレイン コンピューター インターフェイスに関する研究は数え切れないほどありますが、最も興味深く刺激的な研究は Neuarlink の研究です。ちょうど2020年8月、マスク氏は記者会見でNeuarlinkの大きな躍進を発表した。

今回、マスクが作成した魔法の装置は、わずかコインほどの大きさで、外科的に頭蓋骨に埋め込まれ、フル充電で丸一日使用できます。マスク氏は、ブレイン・コンピューター・インターフェースの最も本質的な問題は「配線」であると述べた。

＃ 現場でマスク氏は、ニューラリンク装置を埋め込んで2か月経った健康な子豚を披露した。

この実験の主な目的は、チップを埋め込んだ後の豚の脳活動を視覚的に確認できることであり、実験者が豚の鼻に触れると神経が興奮し始めます。この装置に接続された 1024 個の電極の作用により、脳内の電波信号がはっきりと見えます。

また、2021 年 4 月に、Neuralink は再び新たな進歩を遂げました。猿は思考で卓球をすることができます。実験では、9歳のアカゲザルのペイジャー君の頭に2つのN1リンクが埋め込まれ、スタッフがバナナミルクシェイクでゲームをするよう彼を誘惑した。ブレイン・コンピューター・インターフェース技術が進歩し続けると、麻痺患者は指よりも早く思考でスマートフォンを操作できるようになる。

マスク氏は昨年、ブレイン・コンピューター・インターフェースが今年人間に使用されるだろうと述べた。ブレイン・コンピュータ・インターフェースは将来有望です。

###参考文献:######https://spectrum.ieee.org/brain-implanthttps://36kr.com/p/1722359709697######https://www.sohu .com/a/193608196_426424######https://www.imec-int.com/enhttps://www.hhmi.org/###

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