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L'approche neuve réduit des puissances requises des surfaces adjacentes neurales tout en améliorant l'exactitude

Par l'ajustement dans un sous-ensemble d'ondes cérébrales, les chercheurs d'Université du Michigan ont spectaculaire réduit les puissances requises des surfaces adjacentes neurales tout en améliorant leur exactitude--une découverte qui pourrait mener aux implants durables de cerveau qui peuvent traiter les maladies neurologiques et activer la prosthétique controlée par l'esprit et les machines.

L'équipe, aboutie par Cynthia Chestek, professeur agrégé de génie biomédical et corps enseignant de faisceau à la robotique instituent, prévu une goutte de 90% dans la consommation d'énergie de surfaces adjacentes neurales en utilisant leur approche.

Actuel, interprétant des signes de cerveau dans quelqu'un les intentions exige des ordinateurs aussi grands que des gens et des un bon nombre de courant électrique--valeur de plusieurs batteries de voiture. La réduction de la quantité de courant électrique par un ordre de grandeur tiendra compte éventuellement des surfaces adjacentes domestiques de cerveau-machine. »

Samuel Nason, premier auteur de l'étude et candidat de Ph.D. dans le laboratoire neural cortical de la prosthétique de Chestek

Les neurones, les cellules en nos cerveaux qui transmettent par relais l'information et l'action autour du fuselage, sont les émetteurs bruyants. Les ordinateurs et les électrodes utilisés pour recueillir des caractéristiques de neurone écoutent une radio coincée entre des stations. Ils doivent déchiffrer le teneur réel parmi le cerveau bourdonnant. Compliquant cette tâche, le cerveau est un firehose de cette caractéristique, qui augmente le pouvoir et le traitement au delà des limites du dispositif implantable sûr.

Actuel, pour prévoir des comportements complexes tels que saisir un organe dans une main d'activité de neurone, les scientifiques peuvent utiliser les électrodes transcutanées, ou le câblage direct par la peau au cerveau. C'est réalisable avec 100 électrodes qui captent 20.000 signes par seconde, et active des exploits tels que permettre à nouveau à une arme qui était paralysée ou permettante à quelqu'un avec une main prothétique de juger combien dur ou doux un objectif est. Mais est non seulement cet extérieur peu pratique d'approche de l'environnement de laboratoire, il comporte également un risque d'infection.

Quelques implants de radio, produits utilisant les circuits intégrés très efficaces et spécifiques à l'application, peuvent réaliser le rendement presque égal comme systèmes transcutanés. Ces frites peuvent recueillir et transmettre environ 16.000 signes par seconde. Cependant, elles ont réaliser encore le fonctionnement cohérent et leur nature sur commande est un barrage de route en obtenant l'approbation en tant qu'implants sûrs comparée aux frites industriel-effectuées.

« C'est un grand saut vers l'avant, » Chestek a dit. « Obtenir la largeur de bande élevée nous signale a besoin actuel pour des surfaces adjacentes de machine de cerveau à l'extérieur sans fil serait donnée complet impossible les blocs d'alimentation de dispositifs de style du stimulateur existants. »

Pour réduire les besoins de pouvoir et de caractéristiques, les chercheurs compriment les signes de cerveau. Se concentrant sur les pointes d'activité neurale qui franchissent un certain seuil de pouvoir, de régime de croisement appelé de seuil ou de TCR, moyens que moins de caractéristique doit être traitée tout en pouvant toujours prévoir des neurones d'allumage. Cependant, TCR exige écouter le plein firehose de l'activité de neurone pour déterminer quand un seuil est franchi, et le seuil lui-même peut changer non seulement d'un cerveau à l'autre mais dans le même cerveau différents jours. Ceci exige ajuster le seuil, et visserie complémentaire, batterie et heure pour faire ainsi.

Comprimant les caractéristiques d'une autre voie, le laboratoire de Chestek composé dedans à une caractéristique spécifique des caractéristiques de neurone : pouvoir de clouer-bande. SBP est un ensemble intégré de fréquences des neurones multiples, entre 300 et 1.000 hertz. En écoutant seulement cette gamme des fréquences et en ignorant d'autres, rentrant des caractéristiques d'une paille par opposition à un boyau, l'équipe a trouvé une prévision hautement précise du comportement avec les besoins de puissance faible spectaculaire.

Comparé aux systèmes transcutanés, l'équipe a trouvé la technique de SBP pour être juste comme précise tout en rentrant un dixième d'autant de signes, 2.000 contre 20.000 signes par seconde. Comparé à d'autres méthodes telles qu'employer un régime de croisement de seuil, l'approche d'équipe exige non seulement des données beaucoup moins brutes, mais est également plus précise à l'allumage de prévision de neurone, même parmi le bruit, et n'exige pas ajuster un seuil.

La méthode du SBP de l'équipe résout un autre problème limitant la vie utile d'un implant. Au fil du temps, les électrodes des surfaces adjacentes n'indiquent pas les signes parmi le bruit. Cependant, parce que la technique exécute aussi bien quand un signe est moitié de ce qui est exigé d'autres techniques comme des croisements de seuil, des implants pourraient être laissés en place et utilisés plus longtemps.

Tandis que des surfaces adjacentes neuves de cerveau-machine peuvent être développées pour tirer profit de la méthode de l'équipe, leur travail débloque également des capacités neuves pour beaucoup de dispositifs existants en réduisant les exigences techniques de traduire des neurones aux intentions.

« Il s'avère que beaucoup de dispositifs s'étaient vendus à découvert, » Nason a dit. « Ces circuits existants, utilisant la mêmes largeur de bande et pouvoir, s'appliquent maintenant au royaume entier des surfaces adjacentes de cerveau-machine. »

Source:
Journal reference:

Nason, S.R., et al. (2020) A low-power band of neuronal spiking activity dominated by local single units improves the performance of brain-machine interfaces. Nature Biomedical Engineering. doi.org/10.1038/s41551-020-0591-0.