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A aproximação nova reduz exigências de potência de relações neurais ao melhorar a precisão

Ajustando em um subconjunto de ondas de cérebro, os pesquisadores da Universidade do Michigan reduziram dramàtica as exigências de potência de relações neurais ao melhorar sua precisão--uma descoberta que poderia conduzir aos implantes duradouros do cérebro que podem tratar doenças neurológicas e permitir próteses mente-controladas e máquinas.

A equipe, conduzida por Cynthia Chestek, professor adjunto da engenharia biomedicável e faculdade do núcleo na robótica institui, calculado uma gota de 90% no consumo de potência de relações neurais utilizando sua aproximação.

Actualmente, interpretando sinais do cérebro em alguém as intenções exigem os computadores tão altos quanto povos e lotes da corrente eléctrica--valor de diversas baterias de carro. Reduzir a quantidade de corrente eléctrica por um ordem de grandeza permitirá eventualmente relações familiares da cérebro-máquina.”

Samuel Nason, primeiro autor do estudo e candidato do Ph.D. no laboratório neural cortical das próteses de Chestek

Os neurônios, as pilhas em nossos cérebros que retransmitem a informação e a acção em torno do corpo, são transmissores ruidosos. Os computadores e os eléctrodos usados para recolher dados do neurônio estão escutando um rádio colado entre estações. Devem decifrar o índice real entre o cérebro que zumbe. Complicando esta tarefa, o cérebro é um firehose destes dados, que aumentam a potência e o processamento além dos limites de dispositivos implantable seguros.

Actualmente, para prever comportamentos complexos tais como o agarramento de um item em uma mão da actividade do neurônio, os cientistas podem usar os eléctrodos transcutaneous, ou a fiação directa através da pele ao cérebro. Isto é realizável com 100 eléctrodos que capturam 20.000 por segundo dos sinais, e permite reptos tais como reenabling um braço que seja paralizado ou permitindo que alguém com uma mão protética sinta como duro ou macio um objeto é. Mas é não somente esta parte externa pouco prática da aproximação do ambiente do laboratório, ele igualmente leva um risco de infecção.

Alguns implantes do rádio, criados usando circuitos integrados altamente eficientes, característicos da aplicação, podem conseguir o desempenho quase igual como os sistemas transcutaneous. Estas microplaquetas podem recolher e transmitir aproximadamente 16.000 por segundo dos sinais. Contudo, têm para conseguir ainda a operação consistente e sua natureza feito por encomenda é um corte de estrada em obter a aprovação como os implantes seguros comparados às microplaquetas industrial-feitas.

“Este é um pulo grande para a frente,” Chestek disse. “Obter a largura de faixa alta sinaliza-nos precisa actualmente para relações da máquina do cérebro para fora sem fio seria completamente impossível dada as fontes de alimentação de dispositivos existentes do pacemaker-estilo.”

Para reduzir necessidades da potência e dos dados, os pesquisadores comprimem os sinais do cérebro. Centrar-se sobre os pontos da actividade neural que cruzam um determinado ponto inicial da potência, chamado taxa de cruzamento do ponto inicial ou TCR, significa que menos dados precisam de ser processados ao ainda poder prever os neurônios do despedimento. Contudo, TCR exige escutando ao máximo firehose da actividade do neurônio para determinar quando um ponto inicial é cruzado, e o ponto inicial próprio pode mudar não somente de um cérebro a outro mas no mesmo cérebro em dias diferentes. Isto exige o ajustamento do ponto inicial, e hardware, bateria e hora adicionais fazer assim.

Comprimindo os dados em uma outra maneira, o laboratório de Chestek discado dentro a uma característica específica de dados do neurônio: potência da cravar-faixa. SBP é um grupo integrado de freqüências dos neurônios múltiplos, entre 300 e 1.000 hertz. Escutando somente esta escala das freqüências e ignorando outro, recolhendo dados de uma palha ao contrário de uma mangueira, a equipe encontrou uma previsão altamente exacta do comportamento com necessidades de uma potência dramàtica mais baixa.

Comparado aos sistemas transcutaneous, a equipe encontrou a técnica de SBP para ser apenas como exacta ao recolher um décimo de tantos como sinais, 2.000 contra 20.000 por segundo dos sinais. Comparado a outros métodos tais como a utilização de uma taxa de cruzamento do ponto inicial, a aproximação de equipe exige não somente muito menos dados brutos, mas é igualmente mais exacta no despedimento de predição do neurônio, mesmo entre o ruído, e não exige o ajustamento de um ponto inicial.

O método do SBP da equipe resolve um outro problema que limita a vida útil de um implante. Ao longo do tempo, os eléctrodos de umas relações não lêem os sinais entre o ruído. Contudo, porque a técnica executa assim como quando um sinal é metade do que está exigido de outras técnicas como cruzamentos do ponto inicial, os implantes poderiam ser deixados no lugar e usado mais por muito tempo.

Quando as relações novas da cérebro-máquina puderem ser desenvolvidas para se aproveitar do método da equipe, seu trabalho igualmente destrava capacidades novas para muitos dispositivos existentes reduzindo as exigências técnicas traduzir os neurônios às intenções.

“Despeja que muitos dispositivos se têm vendido curtos,” Nason disse. “Estes circuitos existentes, usando a mesmas largura de faixa e potência, são agora aplicáveis ao reino inteiro de relações da cérebro-máquina.”

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.