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Ein batterieloser implantierbarer neuronaler Sensor
Dank der immer kleiner werdenden Elektronik haben Forscher immer ausgefeiltere implantierbare Geräte erforscht und den Weg für neue Prothesen und Gehirn-Maschine-Schnittstellen geebnet. Eine große Herausforderung bestand jedoch darin, wie die im Körper eingebetteten elektronischen Komponenten mit Strom versorgt werden können.
Aufpumpen: Dieser neuronale Verstärker mit geringer Leistung sammelt elektrische Signale von Nerven und minimiert das elektrische Rauschen.
Jetzt haben Elektroingenieure der University of Washington einen implantierbaren neuralen Sensorchip entwickelt, der weniger Strom benötigt. Andere drahtlose medizinische Geräte wie Cochlea- oder Netzhautimplantate basieren auf induktiver Kopplung, was bedeutet, dass die Stromquelle Zentimeter entfernt sein muss. Die neue Sensorplattform namens NeuralWISP bezieht Strom von einer bis zu einem Meter entfernten Funkquelle.
Das Gerät enthält einen Mikroprozessor, der von einem kommerziellen Hochfrequenzlesegerät gespeist wird, das gleichzeitig als Datenerfassungsgerät dient. Dieselbe Ausrüstung wird verwendet, um Informationen von Radiofrequenz-Identifikations-(RFID)-Tags mit Strom zu versorgen und zu lesen. In Experimenten verwendeten die Forscher das neue Gerät, um die Aktivität des zentralen Nervensystems einer Motte zu erfassen, um ihre Fortbewegung zu untersuchen.
Es gab in letzter Zeit einige Fortschritte bei der Verringerung der Größe neuraler Implantate, aber die Mehrheit der implantierbaren Geräte ist immer noch relativ schwerfällig. Diese Geräte erfordern in der Regel mehrere Komponenten – wie eine Uhr für Timing-Operationen und eine Antenne für die Kommunikation und das Power-Harvesting –, die im Vergleich zu den Transistoren auf dem Mikrocontroller ziemlich groß sind, sagt Brian Otis, Professor für Elektrotechnik an der University of Washington und leitender Forscher bei NeuralWISP.
Sie können Millionen von Transistoren auf einem Chip mit weniger als einem Kubikmillimeter Volumen haben, aber das Problem sind die zusätzlichen Teile, sagt Otis. Unser Ziel ist es, alles auf einen einzigen Chip zu schrumpfen und den Stromverbrauch dieser Komponenten zu reduzieren, damit der Chip drahtlos mit Strom versorgt werden kann.
Der NeuralWISP ist eine Sammlung kleinerer, stromsparenderer Komponenten, wie beispielsweise eines spezialisierten Signalverstärkers, auf einer knapp über zwei Zentimeter langen Platine. Eine zukünftige Version wird alle Komponenten auf einem einzigen, einen Millimeter mal zwei Millimeter großen Chip integrieren. Die Schaltung wandelt die nutzbare Leistung des Lesegeräts – ungefähr 430 Mikrowatt – in eine Spannung um, die den Mikrocontroller einschalten kann. Dieser Mikrocontroller wiederum steuert den Sensor und seinen Timer und führt Anweisungen aus, die es ermöglichen, Daten an das Lesegerät zurückzusenden.
Flattern frei: Diese angebundene Motte ist mit dem neuralen Wahrnehmungssystem verbunden, das die Aktivität ihres zentralen Nervensystems aufzeichnet, während sie mit den Flügeln schlägt.
Eine der wichtigsten Möglichkeiten, Strom zu sparen, besteht laut Otis darin, die Häufigkeit, mit der der Sensor die von Neuronen erzeugten elektrischen Signale misst, zu reduzieren. Die Forscher programmierten den Mikrocontroller so, dass er beim Auftreten einer elektrischen Spitze aufwacht und nur die Signale aufzeichnet, die über einem bestimmten Schwellenwert lagen. Neurowissenschaftler interessieren sich für die Spitzenrate, sagt Otis. Wir digitalisieren nicht die gesamte Gehirnwellenform.
Zusätzlich zu einer Handvoll Überlegungen zum Design von stromsparenden Schaltungen bauten die Forscher einen kleinen Signalverstärker, der das elektrische Signal von Neuronen verstärkt und gleichzeitig das elektrische Rauschen minimiert. Dazu teilen sie das eingehende Signal in zwei Teile auf. Die Menge der eingehenden Elektrizität durch neuronale Aktivität ist gleich, aber durch Aufteilen auf ein Paar Transistoren innerhalb der Schaltung wird die Rauschmenge halbiert.
Im Mottenexperiment testeten die Forscher das batterielose System, indem sie Daten zu elektrischen Signalen von den Flügelmuskeln der Motte sammelten. Die Tests zeigten, mit welcher Frequenz der Falter mit den Flügeln schlug. Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht IEEE-Transaktionen zu biomedizinischen Schaltkreisen und Systemen ; Die Forscher diskutierten die Arbeit auch am Dienstag auf einem Gipfel zu Wireless Identification and Sensing Platforms (WISP) in Berkeley, Kalifornien. Das aktuelle System sei zu groß, um den Falter frei fliegen zu lassen, aber ein kommender Chip, der im Februar vorgestellt werde, sei klein genug, um einen unbelasteten Flug zu ermöglichen, sagt Otis.
Die meisten implantierbaren Geräte haben niedrigere Frequenzen verwendet, sagt Josh Smith , leitender Ingenieur bei Intel und Organisator des WISP-Gipfel . Eine niedrigere Frequenz bedeute auch, dass die Geräte aus nächster Nähe gelesen werden müssten, fügt er hinzu. Die Verwendung kommerzieller RFID-Lesegeräte ermöglicht laut Smith, das Gerät mit Strom zu versorgen und Daten aus größerer Entfernung zu lesen. Ob die Antenne nach der Implantation in tierisches Gewebe die große Reichweite behält, sei jedoch noch offen, sagt er, da das Signal möglicherweise absorbiert werde. Für diesen Ansatz passe die Messung von Motten gut, da die Antenne nicht ins Gewebe des Tieres gehen müsse, sagt er.
Arto Nurmikko, Professor für Ingenieurwissenschaften an der Brown University, stimmt dem zu und sagt, dass es nützlich ist, die neuronale Aktivität bei Motten zu messen, aber die wahren Herausforderungen und das Anwendungspotenzial ergeben sich bei der Arbeit mit Primaten.