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La nueva aproximación reduce requisitos de alimentación de interfaces de los nervios mientras que perfecciona exactitud

Sintonizando en un subconjunto de ondas cerebrales, los investigadores de la Universidad de Michigan han reducido dramáticamente los requisitos de alimentación de interfaces de los nervios mientras que perfeccionan su exactitud--un descubrimiento que podría llevar a los implantes duraderos del cerebro que pueden tratar enfermedades neurológicas y habilitar la odontología mente-controlada y las máquinas.

Las personas, llevadas por Cynthia Chestek, profesor adjunto de la ingeniería biomédica y facultad de la base en la robótica instituyen, estimado una caída del 90% en el consumo de energía de interfaces de los nervios utilizando su aproximación.

Actualmente, interpretando señales del cerebro en alguien las intenciones requieren las computadores tan altas como gente y lotes de corriente eléctrica--valor de varias baterías de vehículo. Reducir la cantidad de corriente eléctrica por un orden de magnitud permitirá eventual interfaces en casa de la cerebro-máquina.”

Samuel Nason, primer autor del estudio y candidato del Ph.D. en el laboratorio de los nervios cortical de la odontología de Chestek

Las neuronas, las células en nuestros cerebros que retransmitan la información y la acción alrededor de la carrocería, son transmisores ruidosos. Las computadores y los electrodos usados para recopilar datos de la neurona están escuchando una radio adherida entre estaciones. Deben descifrar el contenido real entre el cerebro que zumba. Complicando esta tarea, el cerebro es un firehose de estos datos, que aumenta la potencia y el tramitación más allá de los límites de dispositivos implantables seguros.

Actualmente, predecir comportamientos complejos tales como agarrar un item en una mano de la actividad de la neurona, los científicos pueden utilizar los electrodos transcutáneos, o el alambrado directo a través de la piel al cerebro. Esto es realizable con 100 electrodos que capturen 20.000 señales por segundo, y habilita hazañas tales como volver a permitir una arma que era paralizada o que permitía que alguien con una mano prostética asierre al hilo cómo es duro o suave es un objeto. Pero no sólo está este exterior poco práctico de la aproximación del ambiente del laboratorio, él también lleva un riesgo de infección.

Algunos implantes de la radio, creados usando los circuitos integrados muy eficientes, específicos a la aplicación, pueden lograr funcionamiento casi igual como los sistemas transcutáneos. Estas virutas pueden recolectar y transmitir cerca de 16.000 señales por segundo. Sin embargo, tienen todavía lograr la operación constante y su naturaleza a la medida es una barricada en conseguir la aprobación como implantes seguros comparados a las virutas industrial-hechas.

“Esto es un salto grande adelante,” Chestek dijo. “Conseguir la alta anchura de banda nos hace señales necesita actualmente para los interfaces de la máquina del cerebro fuera inalámbrico sería totalmente imposible dado las fuentes de alimentación de los dispositivos existentes del marcapaso-estilo.”

Para reducir necesidades de la potencia y de los datos, los investigadores comprimen las señales del cerebro. El centrarse en los picos de la actividad de los nervios que cruzan cierto umbral de la potencia, llamado régimen de cruce del umbral o TCR, significa que menos datos necesitan ser tramitados mientras que todavía pudiendo predecir las neuronas de la despedida. Sin embargo, TCR requiere escuchar el firehose completo de la actividad de la neurona para determinar cuando se cruza un umbral, y el umbral sí mismo puede cambiar no sólo a partir de un cerebro a otro pero en el mismo cerebro en diversos días. Esto requiere la sintonización del umbral, y hardware, batería y hora adicionales de hacer tan.

Comprimiendo los datos de otra manera, el laboratorio de Chestek marcado hacia adentro a una característica específica de los datos de la neurona: potencia de la clavar-banda. SBP es un equipo integrado de frecuencias de las neuronas múltiples, entre 300 y 1.000 hertz. Escuchando solamente este alcance de frecuencias e ignorando otras, admitiendo datos de una paja en comparación con un manguito, las personas encontraron una predicción altamente exacta del comportamiento con necesidades de una potencia dramáticamente más inferior.

Comparado a los sistemas transcutáneos, las personas encontraron la técnica de SBP para estar apenas como exactas mientras que admitían un décimo de tantas señales, 2.000 comparado con 20.000 señales por segundo. Comparado a otros métodos tales como usar un régimen de cruce del umbral, la aproximación de personas no sólo requiere informaciones mucho menos en bruto, pero es también más exacta en la despedida de la neurona que predice, incluso entre ruido, y no requiere la sintonización de un umbral.

El método del SBP de las personas resuelve otro problema que limita la vida útil de un implante. En un cierto plazo, los electrodos de los interfaces no pueden leer las señales entre ruido. Sin embargo, porque la técnica se realiza del mismo modo que cuando una señal es mitad de qué se requiere de otras técnicas como cruces del umbral, los implantes se podrían dejar en el lugar y utilizar más de largo.

Mientras que los nuevos interfaces de la cerebro-máquina se pueden desarrollar para aprovecharse del método de las personas, su trabajo también abre las nuevas capacidades para muchos dispositivos existentes reduciendo los requisitos técnicos de traducir las neuronas a las intenciones.

“Resulta que muchos dispositivos se han estado vendiendo brevemente,” a Nason dijo. “Estos circuitos existentes, usando la misma anchura de banda y potencia, son aplicables ahora al reino entero de los interfaces de la cerebro-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.