El magnetismo es la clave en la investigación Brain-Machine
Magnetismo juega roles clave en la investigación de DARPA para desarrollar la interfaz Brain-Machine sin cirugía
Algunas de las investigaciones más exóticas que involucran magnetismo están patrocinadas por Estados Unidos
La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, conocida como DARPA es uno de sus programas, literalmente, aturde la mente mientras profundiza en áreas que antes se consideraba el reino de la ciencia ficción y podría conducir a nuevos avances médicos.
Bajo su programa de Neurotecnología No Quirúrgica (N3) de próxima generación, los científicos de prestigiosos laboratorios de investigación están explorando cómo hacer interfaces de máquina cerebral wearable que en última instancia podrían permitir diversas aplicaciones de seguridad nacional como el control de los sistemas activos de ciberdefensa y enjambres de vehículos aéreos no tripulados, o el equipo con sistemas informáticos para multitarea durante misiones complejas.
La agencia otorgó recientemente fondos a seis organizaciones para la segunda fase del programa que comenzó en 2018: Tomando la iniciativa están el Instituto Conmemorativo Battelle, la Universidad Carnegie Mellon, el Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins, el Centro de Investigación Palo Alto (PARC), la Universidad de Rice y Teledyne Scientific junto con otras instituciones que sirven como colaboradores.
Varios de los proyectos están estrechamente alineados con los efectos del magnetismo y la tecnología
Nos pusimos en contacto con DARPA y los equipos del proyecto para obtener detalles sobre dos de ellos, en particular el proyecto Brainstorm liderado por el proyecto Battelle y MOANA por la Universidad de Rice.
DARPA se está preparando para un futuro en el que una combinación de sistemas no tripulados, inteligencia artificial y operaciones cibernéticas puede causar conflictos a las líneas de tiempo que son demasiado cortas para que los humanos se las arreglen eficazmente con la tecnología actual solo, dijo Al Emondi, gerente de programas de N3.
Al crear una interfaz brain-machine más accesible que no requiere cirugía para usar, DARPA podría entregar herramientas que permitan a los comandantes de la misión permanecer significativamente involucrados en operaciones dinámicas que se desarrollan a velocidad rápida.
Para que la población militar sea principalmente capaz de beneficiarse de la neurotecnología, se requieren interfaces no quirúrgicas. Sin embargo, de hecho, una tecnología similar también podría beneficiar enormemente a las poblaciones clínicas.
Al eliminar la necesidad de cirugía, los sistemas N3 buscan expandir la reserva de pacientes que pueden acceder a tratamientos como la estimulación cerebral profunda para manejar enfermedades neurológicas.
Los equipos de N3 están siguiendo una gama de enfoques que utilizan óptica, acústica y electromagnética para registrar la actividad neuronal y enviar señales de vuelta al cerebro a alta velocidad y resolución.
La investigación se divide entre dos vías. Los equipos están persiguiendo interfaces completamente no invasivas que son totalmente externas al cuerpo o sistemas de interfaz minuciosamente invasivos que incluyen nanotransductores que pueden ser entregados temporal y no quirúrgicamente al cerebro para mejorar la resolución de la señal.
Las neurotecnologías no invasivas como el electroencefalograma y la estimulación de corriente directa transcraneal ya existen, pero no ofrecen la precisión, resolución de señales y portabilidad requerida para aplicaciones avanzadas por personas que trabajan en entornos del mundo real.
La tecnología N3 prevista rompe las limitaciones de la tecnología existente mediante la entrega de un dispositivo integrado que no requiere implantación quirúrgica pero que tiene la precisión de leer y escribir a 16 canales independientes dentro de un volumen de 16mm3 de tejido neuronal en 50ms.
Cada canal es capaz de interactuar específicamente con regiones submilimétricas del cerebro con una especificidad espacial y temporal que es comparable a los enfoques invasivos existentes. Los dispositivos individuales se pueden combinar para proporcionar la capacidad de interactuar a múltiples puntos en el cerebro a la vez.
Para permitir futuras interfaces cerebro-máquinas no invasivas, los investigadores de N3 están trabajando para desarrollar soluciones que aborden desafíos como la física de la dispersión y el debilitamiento de las señales a medida que pasan por la piel, el cráneo y el tejido cerebral, así como el diseño de algoritmos para la decodificación y codificación de señales neuronales que están representadas por modalidades como la energía ligera, acústica o electromagnética.
Si N3 tiene éxito, terminaremos con sistemas de interfaz neuronal usables que pueden comunicarse con el cerebro desde un rango de apenas unos pocos milímetros, moviendo la neurotecnología más allá de la clínica y hacia el uso práctico para la seguridad nacional, dijo Emondi.
Como los miembros del servicio se ponen en marcha protectora y táctica en preparación para una misión, en el futuro podrían ponerse un auricular que contenga una interfaz neuronal, utilizar la tecnología como sea necesario, y luego dejar la herramienta a un lado cuando la misión esté completa.
BrainSTORMS proyecto por Battelle para transductores EM
Para el proyecto BrainSTORMS, el equipo de Battelle, bajo el investigador principal Dr. Patrick Ganzer, pretende desarrollar un sistema de interfaz minuciosamente invasivo que empareja a un transceptor externo con nanotransductores electromagnéticos que se entregan sin alcohol a las neuronas de interés.
Los nanotransductores convertirían señales eléctricas de las neuronas en señales magnéticas que pueden ser registradas y procesadas por el transceptor externo, y viceversa, para permitir la comunicación bidireccional.
En Battelle, estamos entusiasmados con el programa BrainSTORMS (Brain System to Transmit or Receive Magnetoelectric Signals), comentó Ganzer. Continuamos trabajando en la segunda fase de desarrollo de una interfaz cerebro-ordenador-ordenador bidireccional de alto rendimiento (BCI) para aplicaciones clínicas o para su uso por miembros de cuerpo capaz del ejército.
Nuestro trabajo se centra en torno a los nanotransductores magnetoeléctricos (MEnTs) localizados en el tejido neuronal para la posterior interfacración neurional.
Nuestra investigación preliminar nos da un alto grado de confianza en el éxito programático y sería negligente si no diéramos crédito a nuestro increíble equipo que incluye Cellular Nanomed Inc., la Universidad de Miami, Indiana University-Purdue University Indianapolis, Carnegie Mellon University, la Universidad de Pittsburgh y el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea.
La Figura 1 describe el abordaje original de Fase 1, en el que los MEnT se inyectan primero en el sistema circulatorio, localizados en el tejido cerebral usando un gradiente de campo magnético, y luego interactúan con el tejido neuronal y los campos magnéticos aplicados para proporcionar intercalado neuronal. Varios de estos objetivos y
Las métricas del programa N3 se lograron durante la Fase 1, aprovechando la experiencia multimodal del equipo de BrainSTORMS en los dominios de electromagnética, materiales a nanoescala y neurofisiología. Los esfuerzos de la fase 2 se centrarán en el desarrollo de los MEnT para escribir información al cerebro.
La mayor parte de la investigación actual de BCI, incluida la tecnología Battelles NeuroLife, se centra en ayudar a las personas con discapacidades que deben someterse a procedimientos de implantes invasivos, incluida la cirugía cerebral, para permitir un BCI que pueda restaurar la función perdida.
En el enfoque BrainSTORMS, sin embargo, el nanotransductor podría ser introducido temporalmente en el cuerpo a través de la inyección y luego dirigido a un área específica del cerebro para ayudar a completar una tarea a través de la comunicación con un transceptor basado en casco.
Una vez completado, el nanotransductor podría ser guiado magnéticamente fuera del cerebro y entrar en el torrente sanguíneo para ser procesado fuera del cuerpo.
El nanotransductor usaría nanopartículas magnetoeléctricas para establecer un canal de comunicación bidireccional con el cerebro. Las neuronas en el cerebro funcionan a través de señales eléctricas. El núcleo magnético de los nanotransductores convertiría las señales eléctricas neurales en las magnéticas que serían enviadas a través del cráneo al transceptor basado en casco usado por el usuario.
El transceptor del casco también podría enviar señales magnéticas de vuelta a los nanotransductores donde se convertirían en impulsos eléctricos capaces de ser procesados por las neuronas, permitiendo la comunicación bidireccional hacia y desde el cerebro.
Entre los colaboradores se encuentra Sakhrat Khizroev, de la Universidad de Miami, quien ha liderado el esfuerzo en la síntesis y caracterización de nanopartículas. Junto con Ping Liang, Khizroev ha sido pionero en nanotransductores magnetoeléctricos para aplicaciones médicas. Cellular Nanomed Inc., una pequeña empresa con sede en California liderada por Liang, está desarrollando la tecnología de transceptores externos.
MOANA (Acceso Neural Magnetico, Optico y Acústico) dirigido por la Universidad Rice
El proyecto Moana, dirigido por un equipo del equipo de la Universidad de Rice bajo el investigador principal Dr. Jacob Robinson, pretende desarrollar un sistema diminutamente invasivo y bidireccional para grabar desde y escribir al cerebro.
Para la función de grabación, la interfaz utilizará tomografía óptica difusa para inferir actividad neuronal midiendo la dispersión de la luz en el tejido neuronal. Para habilitar la función de escritura, el equipo utilizará un enfoque magneto-genético para hacer que las neuronas sean sensibles a los campos magnéticos.
La electrónica de potencia personalizada desarrollada por nuestros colaboradores Angel Peterchev y Stefan Goetz en la Universidad de Duke nos permiten elevar ligeramente la temperatura de nanopartículas específicas que se pueden inyectar en un modelo animal, explica Robinson, profesor asociado ECE y BioE en Rice.
Cuando se calientan, estas nanopartículas hechas por el laboratorio de Gang Bao en Rice pueden activar células cerebrales de insectos genéticamente modificados. Usando diferente amplitud y fuerza de campo de campos magnéticos hemos demostrado que podemos encender y apagar rápidamente comportamientos específicos en moscas de la fruta usando un campo magnético aplicado a distancia.
En el futuro, y en conjunto con la FDA de los EE.UU., esperamos usar tecnologías similares para activar neuronas específicas remotamente en la corteza visual de los seres humanos para ayudar a restaurar la vista a las personas que sufren de ceguera.
El objetivo es diseñar proporcionar una interfaz cerebral-computadora de alto ancho de banda sin necesidad de un dispositivo implantado quirúrgicamente. El dispositivo consistirá en una serie de chiples flexibles complementarios de metal-óxido-semiconductor (CMOS) que pueden ajustarse a la superficie del cuero cabelludo e implementar nuestra tecnología de lectura óptica basada en Tomografía Optica Optica de Diffuse de Tiempo de Vuelo (ToFF-DOT).
Además, se instalará una matriz de estimulación magnética en una tapa de cabeza para activar canales de iones sensibles magnéticos genéticamente diseñados. Esta tecnología de estimulación y lectura se comunicará de forma inalámbrica con una estación base y se doblará en un volumen de 125 cm3.
El sistema modular está planeado para ser configurable para cubrir cualquier parte de la cabeza a la interfaz con múltiples regiones corticales.
En la Fase 1, el equipo identificó una tecnología de estimulación magnética dirigida genéticamente que puede lograr una estimulación específica de tipo celular con una resolución espacial definida por la distribución de células modificadas genéticamente (1mm) y con una resolución temporal que se acerca a los 10 ms, como se representa en la Fig. 1.
Su trabajo mostró una mejora de más de 10 veces en la resolución temporal en comparación con la estimulación magnetogenética de última generación.
También lograron, como se representa en Fig. 2, cinta exitosa de la chiplet MOANA y el diseño de un prototipo de parche flexible para obtener una fantasma cerebral a través de un fantasma de cráneo de 5mm. La capacidad de conteo de fotones cumplió con las especificaciones de diseño de un sistema ToFF-DOT integrado.
Entre otros logros de la Fase 1, se encontraban los esfuerzos en tecnología de escritura que alcanzó la entrega dirigida y no invasiva de virus en ratones, demostrando estimulación magnética rápida en células de mamíferos; también en la administración viral utilizando grupos de nanocristal de óxido magnético de hierro de núcleo/concha con alta eficiencia de calefacción magnética y multiplexación magnetotérmica.
En la Fase 2, el equipo pretende avanzar en su trabajo hacia el objetivo de alcanzar la demostración en humanos en la Fase 3. Entre los objetivos para la Fase 3 están lograr lecturas no quirúrgicas, escribir con magnetogenética y demostrar el vínculo MOANA de cerebro a cerebro cerrado en los seres humanos.
Otros proyectos N3 también incluyen ciencia y tecnología magnética:
- El equipo de la PARC, bajo el investigador principal Dr. Krishnan Thyagarajan, tiene como objetivo desarrollar un dispositivo acousto-magnético completamente invasivo para escribir al cerebro. Su enfoque combina ondas de ultrasonido con campos magnéticos para generar corrientes eléctricas localizadas para la neuromodulación. El enfoque híbrido ofrece el potencial de la neuromodulación localizada más profundamente en el cerebro.
- El equipo de Teledyne, bajo el investigador principal Dr. Patrick Connolly, tiene como objetivo desarrollar un dispositivo completamente invasivo e integrado que utiliza magnetómetros micro bombeados ópticamente para detectar pequeños campos magnéticos localizados que se correlacionan con la actividad neuronal. El equipo usará ultrasonido enfocado para escribir a neuronas.
