Коллектив Авторов - Цифровой журнал «Компьютерра» № 182

Интерфейсы «мозг — компьютер» (BCI) основаны на регистрации электрической активности отдельных групп нейронов и переводе интегрального сигнала в управляющую команду для внешнего устройства. Командовать таким образом можно чем угодно — фигуркой на экране, собственным протезом или удалённым роботом.

Как и современные методы функционального исследования головного мозга, BCI пока не отличаются высокой точностью. Их возможности ограничены габаритами устройства и количеством участков коры головного мозга, с которых технически возможно отведение отдельных потенциалов действия.

В последние годы появились установки, регистрирующие одновременно до 256 каналов. Они встречаются исключительно редко и не вписываются в бюджет большинства клиник, а ряд исследовательских и практических задач уже требует довести счёт каналов до десятков тысяч.

Отдельная проблема — длительный мониторинг состояния больного или долгие сеансы управления, выполняемые оператором. Ни пациент, ни оператор не могут сутками находиться в кресле.

Первые шаги в решении данного вопроса сделала в этом году группа исследователей из Университета Брауна. Недавно они создалипервый беспроводной BCI. Это частично имплантируемый интерфейс «мозг — компьютер», снабжённый индукционной зарядкой.

В эксперименте с макаками-резусами такой прибор использовался месяцами, позволяя его обладателям относительно свободно перемещаться. Среди недостатков отмечались большие для имплантируемого устройства габариты (сантиметры), а также ограниченность числа и взаимного расположения вживляемых электродов.

Группа из Калифорнийского университета в Беркли предложила способ уменьшить размеры имплантируемых элементов до нескольких микрометров и буквально наполнить ими сосудистую оболочку головного мозга.

Разработанные ими сверхминиатюрные электронные сенсоры состоят из выполненной по технологии CMOS микросхемы, пьезокристалла, электродов и изолирующей полимерной оболочки. Принцип их действия напоминает практику использования чипов радиочастотной идентификации (RFID), не требующих встроенного источника питания.

По замыслу авторов, частицы нейропыли свободно циркулируют в кровеносном русле. Практически этого трудно достичь из-за сложного состава крови, биологических механизмов её очистки и структуры эндотелия, но представим на минуту, что названные проблемы решены. Тогда одновременное число микросенсоров в сосудах головного мозга в любой момент времени может исчисляться тысячами.

Каждая из этих «умных частиц» сможет измерять электрическую активность ближайших нейронов. Во время первой фазы пьезоэлектрический кристалл преобразует ультразвуковые волны от промежуточного модуля в электрические сигналы и питает CMOS-схему. Во время второй он действует наоборот — вибрирует под влиянием потенциалов действия ближайшей группы нейронов.

По сравнению с RFID в предложенной схеме есть минимум два важных отличия. Кроме электромагнитных волн (внешний уровень), используется ультразвук (внутренний уровень), а усиление ответного сигнала микросенсоров, его преобразование и дальнейшую передачу обеспечивает промежуточный модуль.

Последний размещается под твердой мозговой оболочкой и действует как трансивер, позволяя избежать сильного затухания ультразвука и преодолеть экранирующее действие костей черепа.

Ультразвук строго определённой частоты требуется и для повышения мощности всей системы. Расчётными методами установлено, что в данных условиях сенсор с диаметром 100 мкм под воздействием ультразвука может получить до 500 мкВт, в то время как за счёт радиочастотной передачи энергии — только до 40 пВт (примерно в 10 млн раз меньше). Кроме того, электромагнитное излучение достаточной для работы системы мощности вызывало бы слишком сильный нагрев окружающих тканей и приводило бы к их повреждению. С ультразвуком такой риск тоже остаётся, но он значительно меньше.