Projekt zielt auf die übertragung der visuellen Wahrnehmung von den sehenden zu den blinden

Projekt zielt auf die übertragung der visuellen Wahrnehmung von den sehenden zu den blinden

2019-05-20

Ein Rice-Universität-geführtes team der neuroengineers ist, begibt man sich auf ein ehrgeiziges vier-Jahres-Projekt zu entwickeln headset-Technologie, die direkt-link-dem menschlichen Gehirn und Computern ohne die Notwendigkeit einer Operation. Als proof-of-concept, das team plant, übertragen der visuellen Bilder wahrgenommen, die von einer Person in den Köpfen der blinden Patienten.

„In vier Jahren hoffen wir, um zu demonstrieren, direkte Gehirn-zu-Gehirn-Kommunikation an der Geschwindigkeit des Denkens und ohne Gehirn-Chirurgie,“ sagte Rice Jacob Robinson, der leitende Ermittler, die auf der $18 Millionen-Projekt, das angekündigt wurde heute als Teil der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) der Nächsten Generation nicht-Chirurgischen Neurotechnologie (N3) – Programm.

Teilen Bilder, die zwischen den zwei Gehirnen klingt wie science fiction, aber Robinson sagte, eine Reihe der neuesten technologischen Durchbrüche machen, die Idee machbar. Nur wie praktikabel ist die Frage, die DARPA hofft Adresse mit einer Reihe von N3-awards, die Reis-led-team und fünf andere haben vorgeschlagen, dass unterschiedliche technische Lösungen für die breitere Herausforderung, verbinden Gehirn und Maschinen.

„Geschwindigkeit ist der Schlüssel,“ sagte Robinson, ein außerordentlicher professor der elektrischer und Computertechnik und der Biotechnik bei Rice Brown School of Engineering. „Wir haben zu Dekodieren, die neuronale Aktivität in einer person‘ s visual cortex und lassen Sie in den Verstand eines anderen Menschen in weniger als ein Zwanzigstel einer Sekunde. Die Technologie, dies zu tun, ohne Operation, noch nicht existiert. Das ist, was wir erstellen werden.“

Denn Chirurgie ist ein nonstarter, alle die N3-teams planen, verwenden Sie eine Kombination von Licht -, Ultraschall-oder elektromagnetische Energie zu Lesen und zu schreiben, die Aktivität des Gehirns. Reis „magnetischen, optischen und akustischen neuronalen access device“ oder MOANA, test-Techniken, die Sie beschäftigen alle drei. Die MOANA-team umfasst 15 co-investigatoren, die aus Reis, Baylor College of Medicine, Jan und Dan Duncan Neurological Research Institute an der Texas Children ‚ s Hospital, Duke University, der Columbia University und der Yale John B. Pierce-Labor.

Robinson sagte, ein großes Unterscheidungsmerkmal zwischen N3-finanzierte teams ist, wie Sie planen, ein Angebot mit der 50-Millisekunden-Latenz-Schwellenwert sowie die DARPA-Anforderungen für die räumliche Auflösung. Die Agentur sucht die Geräte, die Lesen und schreiben auf ein minimum von 16 Standorten in einer Lautstärke das Gehirn über die Größe einer Erbse.

Robinson sagte MOANA ‚ s decoding-und encoding-Technologien wird sich jeder beschäftigen, der virale Vektor-gen-Lieferung, eine Technologie, die in klinischen Studien für die Behandlung von Makula-degeneration, sowie einige Krebse und neurologische Bedingungen. Genetische Nutzlasten, die sich für die Decodierung und Codierung ausgeliefert werden, die mit Hilfe von Ultraschall, um ausgewählte Gruppen von Neuronen in der 16 Ziel-Bereiche des Gehirns.

Zu „Lesen“ neuronale Aktivität, die MOANA-team umprogrammieren Neuronen, die zur Herstellung synthetischer Proteine, sogenannte „Kalzium-abhängige Indikatoren“, die entworfen sind, um Licht zu absorbieren, wenn ein neuron aktiv ist, oder feuern.

Reis co-investigator Ashok Veeraraghavan, sagte rot-und Infrarot-Wellenlängen von Licht kann eindringen in den Schädel, und MOANA ‚ s Gerät zu nutzen. Das optische subsystem wird aus der Licht-Emitter und-Detektoren, die angeordnet sind um das Ziel Bereich auf einer Schädel-Kappe.

„Die meisten von diesem Licht streut aus der Kopfhaut und Schädel, aber einen kleinen Teil machen kann es in das Gehirn, und dieser winzige Bruchteil der Photonen, die Informationen enthalten, die entscheidend zur Entzifferung der visuellen Wahrnehmung“, sagte Veeraraghavan, associate professor für elektrische und computer engineering und computer science. „Unser Ziel ist es zu erfassen und zu interpretieren, die Informationen, die in Photonen, dass durch den Schädel zweimal, zuerst auf den Weg zum visuellen cortex und immer wieder, nachdem Sie zurück reflektiert werden, um den Detektor.“

MOANA ist Photodetektoren wird sowohl ultraschnelles und ultrasensitiv. Ersteres ist wichtig für das ignorieren von Licht streut aus dem Schädel und stattdessen die Erfassung nur diejenigen Photonen, die genügend Zeit hatten, um den ganzen Weg zu den Ziel-Bereich des Gehirns und zurück.

„Durch den Einsatz hochempfindlicher, die single-photon-counting Detektoren, die das winzige signal aus Hirngewebe selektiv spürte,“ Veeraraghavan sagte.

Veeraraghavan, Robinson und MOANA Mitarbeiter Kenneth Shepard und Andreas Hielscher von Columbia Engineering verwenden möchten, um die Detektoren zu entwickeln, die eine Technologie namens „time-of-flight-erweiterte funktionale diffuse optische Tomographie“, oder ToFF-PUNKT. Wie ein CT-scanner, ToFF-PUNKT-Konstrukte, die eine Echtzeit-3-D-Bild von dem, was im inneren des Körpers, sondern in der Erwägung, dass ein CT-scan verwendet Röntgenstrahlen, ToFF-PUNKT verwendet sichtbares Licht.

Robinson sagte Neuronen in der 16 Ziel-Regionen des visuellen cortex zu erwarten sind, zu zeigen, dunkler als normal bei ToFF-DOT-scans, wenn Sie brennen und Ihrer calcium-abhängigen Indikator-Proteine Licht absorbieren. Die Interpretation der dynamischen Veränderungen von dunkel zu hell in den Zielgebieten ist, was MOANA tun wird, zu „Lesen“ und die neuronale Aktivität.

Robinson sagte, drei Jahre Arbeit, zunächst in Zellkulturen und dann Tiere, vor jeder Arbeit mit menschlichen Patienten. Aber er sagte, die MOANA-team koordiniert seine Bemühungen mit Baylor Klinik für Neurochirurgie Daniel Yoshor und Michael Beauchamp, wer sind die Durchführung klinischer Studien zur Wiederherstellung der Anblick von blinden Patienten mit einem experimentellen Prothesen, die direkt stimuliert die visuellen Kortex mit chirurgisch implantierten Elektroden.

„Möglicherweise gibt es Patienten, die sich lieber einen visuellen Prothesen nicht erforderlich ist, ist Gehirn-Chirurgie,“ sagte Robinson. „Wenn unsere Arbeit in Zellen und Tiermodellen gut geht, MOANA könnte genehmigt werden, die für klinische tests als nonsurgical alternative. Es würde erfordern, gen-Therapie, aber keine Gehirn-op.“

Im Gehirn empfängt ein Bild, MOANA würde „schreiben“ Informationen zu Nervenzellen umprogrammiert, um das Feuer in Reaktion auf magnetische Signale. Die Gentherapie Nutzlast geliefert, um diese Neuronen erzeugen Proteine, die Leine entweder natürlich vorkommenden oder synthetischen Eisen-Nanopartikel Ionen-Kanäle in den Neuronen. Die Freisetzung von Kalzium durch diese Ionenkanäle ist, was „feuert“ ein neuron, so dass es aktiv übertragen einen elektrischen Impuls.

„Wir planen den Einsatz von Magnetfeldern, Hitze das Eisen, das wiederum öffnet den Kanal und feuern die Neuronen,“ sagte Robinson. „Aber es ist nicht genug zu tun, jede Sekunde oder zwei. Unser system muss reagieren in Millisekunden, für die der Empfänger und die wahrnehmende Erfahrung der Wahrnehmung nahe genug, Zeit, dass es scheint, gleichzeitigen.“

Das menschliche denken beinhaltet die koordinierte Entlassung von vielen Neuronen, manchmal in verschiedenen Regionen des Gehirns. Reis co-investigator Caleb sagte Kemere, die Qualität der Kommunikation erreicht werden können 16 Kanäle von Informationen, ist eine offene Frage.