연구원들은 차세대 두뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템을 향한 발걸음을 내딛고 있습니다.

뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)는 언젠가는 뇌 또는 척추 부상을 입은 사람들이 움직이거나 의사 소통하는 데 도움이 될 수 있는 새로운 보조 장치입니다. BCI 시스템은 뇌에 전기 신호를 기록하고 이러한 신호를 사용하여 컴퓨터 또는 로봇 보철과 같은 외부 장치를 작동하는 이식 가능한 센서에 의존합니다.

대부분의 현재 BCI 시스템은 하나 또는 두 개의 센서를 사용하여 최대 수백 개의 뉴런을 샘플링하지만 신경 과학자들은 훨씬 더 큰 뇌 세포 그룹에서 데이터를 수집할 수 있는 시스템에 관심이 있습니다.

이제 연구원 팀은 기록 및 자극을 위해 각각의 소금 알갱이 크기인 소대역 무선 신경 센서의 조정된 네트워크를 사용하는 미래형 BCI 시스템의 새로운 개념을 향한 중요한 단계를 밟았습니다. 두뇌 활동 신경 과립(neural granule)이라고 불리는 이 센서는 뉴런을 발사하여 만들어지는 전기 충격을 기록하고 신호를 조정하고 처리하는 중앙 축삭에 무선으로 신호를 전송합니다.

8월 12일에 발표된 연구에서 자연 전자연구팀은 설치류의 신경 활동을 기록하기 위해 이러한 독립적인 뉴런 중 약 50개를 사용하는 것을 시연했습니다.

연구원들은 이번 발견이 언젠가는 뇌 신호를 전례 없이 자세하게 기록할 수 있는 시스템을 향한 한 걸음으로 나아가 뇌가 어떻게 작동하는지에 대한 새로운 통찰력과 외상성 뇌 또는 척추 부상을 입은 사람들을 위한 새로운 치료법을 제시할 수 있다고 말합니다.

“뇌-컴퓨터 인터페이스 분야의 가장 큰 도전 중 하나는 뇌의 가능한 많은 지점을 탐색하는 엔지니어링 방법입니다.”라고 브라운 공과 대학의 교수이자 이 연구의 수석 저자인 Arto Normeko가 말했습니다. “지금까지 대부분의 BCI는 작은 바늘 베드와 같은 모놀리식 장치였습니다. 우리 팀의 아이디어는 이 모노블록을 대뇌 피질 전체에 분포할 수 있는 작은 센서로 분해하는 것이었습니다. 그리고 그것이 우리가 시연할 수 있었던 것입니다. 여기.”

Brown, Baylor University, UCSD 및 Qualcomm의 전문가로 구성된 팀은 약 4년 전에 시스템 개발 작업을 시작했습니다. Carney Institute for Brain Sciences의 Normiko는 도전 과제가 두 가지라고 말했습니다. 첫 번째 부분에서는 신경 신호를 감지, 증폭 및 작은 실리콘 신경 칩으로 전송하는 것과 관련된 복잡한 전자 장치를 축소해야 했습니다. 팀은 처음에 컴퓨터에서 전자 장치를 설계하고 시뮬레이션했으며 운영 칩을 개발하기 위해 수많은 제조 반복을 거쳤습니다.

두 번째 과제는 이러한 작은 칩에서 신호를 수신하는 외부 신체 통신 허브를 개발하는 것이었습니다. 이 장치는 지문 크기의 얇은 패치로 두개골 외부의 두피에 부착됩니다. 네트워크 프로토콜을 사용하여 각각 자체 네트워크 주소가 있는 뉴런의 신호를 조정하는 소형 휴대폰 타워처럼 작동합니다. 또한 이 패치는 최소한의 전기로 작동하도록 설계된 뉴런에 무선으로 전력을 공급합니다.

이 연구의 주저자이자 Brown의 박사후 연구원인 이지훈은 “이 연구는 학제 간 도전이었습니다.”라고 말했습니다. “우리는 뇌의 신경 시스템을 설계하고 작동하기 위해 전자기학, 무선 주파수 통신, 회로 설계, 제조 및 신경 과학 분야의 전문 지식을 결합해야 했습니다.”

이 새로운 연구의 목표는 시스템이 살아있는 뇌(이 경우 설치류 뇌)의 신경 신호를 기록할 수 있음을 입증하는 것이었습니다. 연구팀은 뇌의 바깥층인 동물의 대뇌피질에 48개의 뉴런을 배치해 자발적인 뇌 활동과 관련된 특징적인 신경 신호를 기록하는 데 성공했다.

팀은 또한 뇌를 자극하고 기록하는 장치의 능력을 테스트했습니다. 자극은 신경 활동을 활성화할 수 있는 작은 전기 자극에 의해 수행됩니다. 연구자들은 자극이 신경 기록을 조정하는 동일한 축삭에 의해 구동되고 언젠가 질병이나 부상으로 인해 손실된 뇌 기능을 회복할 수 있기를 희망합니다.

이 연구에서 팀의 동물 뇌 크기는 48개 뉴런으로 제한되었지만 데이터에 따르면 시스템의 현재 구성이 최대 770개까지 지원할 수 있습니다. 궁극적으로 팀은 이를 수천 개의 뉴런으로 확장하여 현재 액세스할 수 없는 뇌 활동 그림을 제공하는 것을 구상하고 있습니다.

Baylor의 전기 및 컴퓨터 공학과 조교수인 Vincent Leung은 말했습니다. “우리 팀은 분산 신경 임플란트의 한계를 뛰어 넘었습니다.”

이 완전한 시스템을 현실로 만들기 위해 해야 할 일이 많이 있지만 연구원들은 이 연구가 그 방향으로의 중요한 단계를 나타낸다고 말했습니다.

Normiko는 “결국 뇌에 대한 새로운 과학적 통찰력과 치명적인 부상을 입은 사람들을 도울 수 있는 새로운 치료법을 제공하는 시스템을 개발할 수 있기를 바랍니다”라고 말했습니다.

논문의 다른 공저자는 이아형(Brown), Jiannan Huang(UCSD), Peter Asbeck(UCSD), Patrick P. Mercier(UCSD), Stephen Shellhammer(Qualcomm), Lawrence Larson(Brown)입니다. 및 Farah Laiwalla(갈색). 이번 연구는 국방고등연구계획국(N66001-17-C-4013)의 지원을 받았다.