Neuropiksele - elastyczne elektrody wszczepiane w mózg

Opowieść o badaniu mózgu to także opowieść o projektowaniu technologii do jego badania. Jednym z najbardziej udanych urządzeń neuronaukowych ostatnich dziesięcioleci są neurosondy, czyli maleńkie implanty mózgowe w kształcie igieł, które mogą odbierać sygnały z poszczególnych neuronów. Rejestrowanie aktywności mózgu zapewnia unikalny wgląd w to, jak neurony komunikują się w skomplikowanych obwodach, aby przetwarzać informacje i kontrolować zachowanie. Nagrania na dużą skalę są ostatecznie potrzebne, aby zrozumieć, jak działa mózg i opracować bardziej zaawansowane interfejsy mózg-maszyna.

Liczba miejsc zapisu lub elektrod na urządzeniu rozpoczęła się od zaledwie jednego na końcu pojedynczego drutu. Jednakże wzrosła ona do kilkudziesięciu wraz z wprowadzeniem technik mikro- i nanofabrykacji z krzemu. Pierwsze sondy Neuropixels sprawiły, że społeczność neuronaukowców przyspieszyła rozwój wiedzy, dzięki blisko tysiącowi elektrod na wszczepianej części. Nowa generacja "neuropikseli" (określana jako Neuropixels 2.0) wkracza teraz na scenę z ponad pięcioma tysiącami elektrod rozmieszczonych na czterech trzpieniach, zapewniając niespotykaną rozdzielczość w mapowaniu aktywności mózgu.

Jak podłączyć tysiące elektrod

Wyzwaniem dla urządzeń o dużej gęstości elektrod jest podłączenie każdej elektrody do zewnętrznego systemu rejestrującego przy zachowaniu jak najwęższej całkowitej szerokości trzonu wprowadzanego w mózg. Liczba elektrod jest zatem ograniczona przez liczbę drutów, które można umieścić w trzonie. Zwiększenie szerokości wszczepianej części może prowadzić do uszkodzenia neuronów i w konsekwencji wpływać na jakość sygnału. Aby rozwiązać ten problem, elektronika została zintegrowana z samą sondą przy użyciu zaawansowanej technologii CMOS. Umożliwiło to zwielokrotnienie elektrod, dzięki czemu sygnały z kilku miejsc rejestracji wędrują tym samym kablem.

Neuropixels 2.0 zawiera zatem 1280 przełączalnych elektrod lub „pikseli” na trzpieniu o wielkości 70 µm x 24 µm (5120 w czterech trzpieniach, które można wspólnie wprowadzić) z 384 interkonektami. Elektrody mają wymiary 12 μm x 12 μm i integrują przełącznik analogowy oraz 1-bitową komórkę pamięci. Przełączniki analogowe sterują, który zestaw z 384 elektrod jest rejestrowany jednocześnie w danym momencie. Ta architektura umożliwia wybranie pseudolosowej kombinacji pikseli wzdłuż trzonu. Co więcej, cztery trzony mogą gęsto próbkować aktywność z płaszczyzny 1 na 10 mm prostopadłej do powierzchni mózgu. Rejestrowanie aktywności neuronowej o tak dużym zasięgu, obejmującej jednocześnie kilka regionów mózgu i obwodów, zdecydowanie zmienia możliwości systemów, wykorzystywanych przez społeczność neuronaukowców.



Podstawowa elektronika

Trzon jest monolitycznie zintegrowany z częścią niewszczepianą, podstawą, przy użyciu technologii przetwarzania 130 nm CMOS. Podstawa (8,67 mm na 2,2 mm) zawiera elektronikę do multipleksowania, wzmacniania, digitalizacji i zarządzania energią w systemie. Sygnały neuronowe są najpierw wstępnie przetwarzane na samej podstawie sondy, zamiast używania zewnętrznego sprzętu, aby zapewnić, że nie nastąpi pogorszenie jakości sygnału, gdy sygnały będą przesyłane z sondy. Ponieważ sygnały napięciowe są tak małe, należy je wzmocnić. Wzmocnione sygnały analogowe są przekształcane na postać cyfrową, aby uniknąć zbierania szumów i zakłóceń podczas przechodzenia przez kabel w dalszej części. Aby móc rejestrować pełne pasmo częstotliwości, w podstawie zintegrowano 12-bitowy przetwornik ADC o wysokiej rozdzielczości (przetwornik ADC). Wreszcie, w sondzie włączono blok "zarządzania energią", aby generować napięcia zasilania i napięcia odniesienia. Elektronika podstawy zużywa bardzo małą moc (około 36,5 mW), aby zminimalizować nagrzewanie tkanki mózgowej. Jednocześnie przeniesienie funkcjonalności na chip wskazuje na ideę optymalizacji systemu z minimalną ilością komponentów poza sondą, co prowadzi do zmniejszenia rozmiaru i wagi całego systemu.

Wyjście cyfrowe ze wszystkich kanałów jest następnie przesyłane za pomocą elastycznego kabla o długości 4 cm do płyty interfejsu (lub przedwzmacniacza), która ma połączenie z kartą PXIe (peripheral component Interconnect (PCI) eXtension - znormalizowana modułowa elektroniczna platforma dla oprzyrządowania, która korzysta z standardu PCIe). Karta ta pozyskuje dane i przesyła je dalej, do komputera. Płytka interfejsu Neuropixels 2.0 została zminiaturyzowana do 10 mm na 14,3 mm. Aby system był jeszcze bardziej kompaktowy, możliwe jest zamontowanie dwóch sond na jednym przedwzmacniaczu o łącznej wadze zaledwie 1,1 g. W przypadku zastosowania dwóch czterochwytowych, użytkownik ma dostęp do 10 240 elektrod rejestrujących. Co więcej, nowy sprzęt do implantacji umożliwia odzyskanie i ponowne użycie wszczepionych sond.



Nagrania długoterminowe

Jednym z głównych wyzwań dla neuronaukowców jest stabilne nagrywanie z tych samych neuronów przez dni czy nawet tygodnie w celu zbadania podstawy neuronalnej procesów, które ewoluują w czasie, takich jak uczenie się czy pamięć. Neurony często „dryfują”, co utrudnia ich śledzenie na podstawie charakterystyki sygnału. Mając na uwadze zapisy długoterminowe, układ elektrod Neuropixels 2.0 jest linearyzowany w dwóch kolumnach, a nie przesunięty wzdłuż trzonu. Pozwala to nowemu algorytmowi stabilizacji na zablokowanie unikalnej sygnatury neuronu. Algorytm wykorzystuje redundancję sygnału na blisko położonych sąsiednich elektrodach (podziałka o wielkości 15 µm) do określenia, czy jest to ten sam neuron.

Elektrody zostały wykonane ze stosunkowo nowego materiału TiN (azotek tytanu), który okazał się bardzo stabilny w przypadku rejestracji długoterminowych. Elektrody mają impedancję równą 148 ± 8 kΩ przy częstotliwości 1 kHz. System osiąga średni szum wejściowy, wynoszący 7,44 μVrms w paśmie potencjału czynnościowego (aktywność pojedynczego neuronu) i 7,65 μVrms w paśmie potencjału lokalnego (zsumowanej aktywności neuronów).

Dekodowanie zachowania

Te unikalne cechy Neuropixels 2.0 umożliwiają rejestrowanie setek możliwych do zidentyfikowania neuronów przez tygodnie lub miesiące. Ta nowa skala nagrań zwiastuje nową erę w badaniach mózgu, w której neuronaukowcy mogą teraz badać duże populacje neuronów obejmujące wiele regionów mózgu. Umożliwia badanie dynamiki w połączonych obwodach, które leżą u podstaw zachowania i myślenia.

Ostatnie badania obejmujące cały mózg z użyciem pierwszej generacji sondy Neuropixels analizowały, w jaki sposób zachowanie jest kodowane w mózgu. Dzięki tej nowej technologii przepływy aktywności neuronalnej mogą być wizualizowane w mózgu, gdy badane zwierzę wyczuwa coś lub wykonuje pewne zadanie. Wyniki pokazują, że złożone zachowanie jest generowane przez interakcję grup neuronów rozsianych po mózgu. Co więcej, aktywność mózgu jest napędzana przez połączenie zachowań związanych z zadaniami, zachowań spontanicznych (np. wąchanie) i stanów motywacyjnych (np. pragnienie). Szczególnie to ostatnie odkrycie jest zaskakujące, ponieważ do tej pory większość badań skupiała się na powiązaniu aktywności neuronowej ze zmienną zewnętrzną, taką jak zadanie lub wywołane zachowanie, podczas gdy niepowiązane aspekty nagrania są klasyfikowane jako "szum otoczenia". Ostatnie badania wykorzystują nagrania na dużą skalę, aby pokazać, że utajona aktywność wychwytywana przez sondy w całym mózgu odpowiada trwającemu zachowaniu zwierzęcia.

Pierwsze wykonane badania pokazują, w jaki sposób narzędzia rejestrujące na dużą skalę mogą poszerzać naszą wiedzę o mózgu. Dzięki jeszcze większej liczbie elektrod i mniejszym rozmiarom Neuropixels 2.0 będzie w stanie przechwycić jeszcze więcej informacji jednocześnie, co ostatecznie przybliży nas do zrozumienia, jak działa mózg i jak powstają choroby mózgu.

Aby uzyskać informacje na temat sond, ich zamawiania, szkolenia w zakresie użytkowania oraz najnowszych informacji na temat następnej generacji, odwiedź www.neuropixels.org. Więcej informacji na temat programu rozwoju sondy neuronowej firmy Imec można znaleźć na jej stronie internetowej.

Źródło: https://www.eetimes.com/new-neuropixels-are-advancing-brain-research/

Fascynująca jest współczesna nauka. Ale jak się tak człowiek dłużej zastanowi nie nad samą technologią, która jest bardzo wciągająca, to zauważa, że skoro wspaniałe wynalazki zostały wykorzystane do zbrodni, to te nowe które rozwijają też zostaną tak wykorzystane. Bo niby po co komuś interfejs z mózgu do komputera? Chodzi o tych nielicznych sparaliżowanych? Ich to i tak niedługo będą "eutanazjować" aby umarli "godną śmiercią", więc na pewno nie o to chodzi. Żaden inwestor by nie inwestował w taką małą ilość przyszłego zysku. Chodzi o coś innego. Ale o co?

Jak się popatrzy na rozwój technologii przez ostatnie 10-15 lat, to ma się wrażenie, że rozwój nie służy szaremu człowiekowi:
- 5G - chyba nikt nie wierzy, że to po to, żeby oglądać w czasie rzeczywistym kilka filmów 16K naraz,
- Intel ME i podobne - po co konsumentowi w laptopie moduł śledzący aktywność nawet przy wyłączonym urządzeniu?
- elektronika w autach i maszynach rolniczych - utrudniony serwis i ingerencje w auto poza ASO, abonament na poszczególne funkcje urządzenia, jakie zakupiliśmy fizycznie,
- AI, machine learning, deep learning, sieci neuronowe - idą na to spore środki, dla przeciętnej osoby zastosowania kończą się na podmianie tła podczas wideokonferencji na żywo i poprawie jakości zdjęć oraz wideo.
Do ww. technologii dochodzi teraz bioelektronika z możliwością niefarmakologicznego wpływania na ludzki mózg (np. leczenie depresji). Im bardziej nieludzkie środowisko, w jakim niektórzy z nas żyją, tym bardziej nieludzkie metody na oszukiwanie człowieka, że to normalny i pożądany stan. Cytując Aldousa Huxleya, "W następnej generacji lub później powstanie farmakologiczna metoda na to, aby ludzie kochali swoje zniewolenie i będzie to taki pewien rodzaj dyktatury bez łez. Stworzony zostanie bezbolesny obóz koncentracyjny dla całych społeczeństw, tak, że ludziom zostaną odebrane wszelkie swobody obywatelskie, ale będą raczej z tego zadowoleni, ponieważ ich uwaga będzie odwracana od jakiejkolwiek chęci do buntu przez propagandę lub pranie mózgu, lub pranie mózgu wsparte metodami farmakologicznymi. I taka wydaje się być ostateczna rewolucja."
Ostateczna, gdyż pozbawiająca ludzi wolnej woli, bez której żaden bunt nie może mieć miejsca.

5G ma przede wszystkim zwiększyć pojemność sieci dla internetu rzeczy. Warto zauważyć, że rządy interesują się tym tematem.
Do sieci ma być podłączone co tylko się da. 5G to znacznie więcej małych komórek o małej mocy co daje przy okazji bardzo dokładną lokalizację.
Wśród zwolenników komunizmu i centralnie sterowanej gospodarki (tak, niestety takich nie brakuje) często pada argument, że ostatnio się nie udało, ale to tylko dlatego, że było za mało danych i zbyt duże opóźnienia w przesyle informacji, ale z postępem techniki te problemy zostaną pokonane i wtedy to już na pewno się uda.

Coraz bardziej prawdopodobne się wydaje, że ludzkość czeka okres cyfrowych dyktatur. To się już dzieje, jawnie w Chinach. Ale i mniej jawnie w innych częściach świata. Dużo fajnych technologi jest obecnie rozwijanych, które jak każde poprzednie, starsze, można wykorzystać do dobrych i złych celów. Nie zgadzam się, że wszystko to jest rozwijane przeciwko człowiekowi. Są one naturalną ewolucją poprzednich technologii. To nie technologia jest problemem, tylko człowiek. Kiedy jeden chce władzy nad innymi, jedna grupa chce decydować za wszystkich.

Macosmail wrote:

5G ma przede wszystkim zwiększyć pojemność sieci dla internetu rzeczy. Warto zauważyć, że rządy interesują się tym tematem.

Zdecydowanie nie. Przepustowość LTe była piękna jeśli nie korzystało z nich wielu użytkowników. Do IOT powstały takie technologie jak LTE-NB oraz cat-M.

5G przede wszystkim wprowadza krótsze tti co daje potencjalnie 2x mniejszy delay na protokole (z 1ms na 500ns), pasmo rośnie z 100prb do 273prb (pasmo z danymi, nie chodzi mi o nośną), jest też dużo zmian z przepychaniem danych tam gdzie szły sygnały referencyjne (dmrs) oraz wiele nowych parametrów pomiarowych (np ptrs).

Ogólnie to tak, chodzi jednak o to by można było przepychać więcej danych dla użytkownika, przykro mi ale throughput jest nadal najważniejszym parametrem.

rafels wrote:

Dużo fajnych technologi jest obecnie rozwijanych, które jak każde poprzednie, starsze, można wykorzystać do dobrych i złych celów.

Zgadzam się, tylko problemem jest dla kogo obecnie te technologie są rozwijane. Noże są przydatne, tylko czy to rozsądne dawać nóż seryjnemu mordercy?

_lazor_ wrote:

Ogólnie to tak, chodzi jednak o to by można było przepychać więcej danych dla użytkownika, przykro mi ale throughput jest nadal najważniejszym parametrem.

Co nadal nie zmienia faktu, że ten throughput może być (i pewnie będzie) wykorzystany głównie do przepychania ogromnych ilości danych z monitoringu. Konsumpcja treści to tylko skutek uboczny posiadania takiej technologii.

_lazor_ wrote:

Do IOT powstały takie technologie jak LTE-NB oraz cat-M.

I 5G. Jeśli kiedykolwiek pracowałeś nad 5G, to powinieneś wiedzieć, że Massive Machine Type Communications (czyli IoT na niespotykaną wcześniej skalę) jest jednym z trzech podstawowych usage scenarios dla 5G (obok Enhanced Mobile Broadband i Ultra-reliable and Low Latency Communications).

linuxtorpeda wrote:

Zgadzam się, tylko problemem jest dla kogo obecnie te technologie są rozwijane. Noże są przydatne, tylko czy to rozsądne dawać nóż seryjnemu mordercy?

Wydaje mi się, że głównym motywem rozwoju w sektorze prywatnym są pieniądze. Tworzone są innowacje, bo firmy chcą zyskać lepsze pozycje na nowych rynkach. Czasami tworzone są nowe rynki i kreowane nowe potrzeby klientów. Nie sądzę żeby Ericsson planował i motywował się tym, żeby jego rozwiązania 5G były wykorzystywane do kontroli społeczeństw. Owszem może być take wykożystanie, ale im po prostu zależy na ciągłym rośnięciu w siłę. Ot, kapitalizm i konsumpcjonizm. A czy to jest wolny rynek, ciężko powiedzieć, na pewno Huawei sam nie oddał pola. Oczywiście przeplata się to wszystko z polityką. To złożone tematy, tak jak złożony jest abstrakcyjny świat człowieka, który sobie sam stworzył do życia.

rafels wrote:

Wydaje mi się, że głównym motywem rozwoju w sektorze prywatnym są pieniądze. Tworzone są innowacje, bo firmy chcą zyskać lepsze pozycje na nowych rynkach.

Też uważam podobnie. Pytanie tylko, z czego finansowane są obecne innowacje. Wydaje mi się (bo przekonywującego dowodu nie posiadam), że poprzez różne mechanizmy transferu pieniądza to rządy dotują rozwój tych technologii, tym bardziej, że rynek telekomunikacyjny to rynek o niskiej marży. Konsumpcjonizm nie gra tu moim zdaniem większej roli, to samo możesz przecież konsumować po kablu. Kapitalizmem też bym tego nie nazwał, skoro nie ma wolnego rynku, ale nie wnikam, szkoda czasu na rozstrząsanie definicji.

linuxtorpeda wrote:

I 5G. Jeśli kiedykolwiek pracowałeś nad 5G, to powinieneś wiedzieć, że Massive Machine Type Communications (czyli IoT na niespotykaną wcześniej skalę) jest jednym z trzech podstawowych usage scenarios dla 5G (obok Enhanced Mobile Broadband i Ultra-reliable and Low Latency Communications).

Te hasła brzmią jak wysokopoziomowy marketing. Chociaż implementowałem LTE L1 a teraz 5G NR L1 high , to nic z tych haseł nie kojarzę. Użytkownicy NB (narrowband) nie wchodzą w to samo pasmo co normalni użytkownicy LTE, mają swoje pasmo po za pasmem głównym (guardband i inband). Co do użytkowników cat-M współdzielą pasmo z innymi użytkownikami i było kilka przypadków że zapchali celkę. Jednak przypadek gdzie kilka tysięcy urządzeń znajdzie się w zasięgu jednej celki jest dość abstrakcyjne + muszą bardzo często wysyłać dane, co też jest niezbyt dobrym pomysłem gdyż urządzenie IOT musi oszczędzać energię

Większymi problemami są eventy gdzie jest mnóstwo osób i każdy chce robić stream z tego wydarzenia. Taki superbolwl jest wyznacznikiem tego czy sieć daje radę. A tam nigdy throughput'u nie ma za mało.


Jeśli ludzie będą płacić za takie technologie to one będą rozwijane. Naprawdę Polska nie jest celem takich firm, firmy telekomunikacyjne działające w naszym kraju są jeszcze trochę za biedne na nowości.

_lazor_ wrote:

Jeśli ludzie będą płacić za takie technologie to one będą rozwijane. Naprawdę Polska nie jest celem takich firm, firmy telekomunikacyjne działające w naszym kraju są jeszcze trochę za biedne na nowości.

No właśnie ciekawym zjawiskiem jest to, że nową infrastrukturę stawia się chętniej w krajach, gdzie jej do tej pory nie było (ergo biedniejszych). Kraje zachodnie typu USA czy Australia nie inwestują w telecom, gdyż infrastrukturę już mają, co najwyżej dokonują powolnych modernizacji, gdyż zakup im się prędko nie zwróci (konkurują ze starszymi technologiami bezprzewodowymi i przewodowymi). Tłumaczenie inwestycji potrzebami klienta indywidualnego jest moim zdaniem niedorzeczne.

Historia pokazuje, że spółki telekomunikacyjne często miały monopol na świadczenie usług w macierzystych krajach. AT&T w USA miało dawniej przyzwolenie na monopol od rządu pod warunkiem przeznaczania określonego procenta swoich dochodów na R&D, nie wiem jak teraz.

linuxtorpeda wrote:

No właśnie ciekawym zjawiskiem jest to, że nową infrastrukturę stawia się chętniej w krajach, gdzie jej do tej pory nie było (ergo biedniejszych). Kraje zachodnie typu USA czy Australia nie inwestują w telecom, gdyż infrastrukturę już mają, co najwyżej dokonują powolnych modernizacji, gdyż zakup im się prędko nie zwróci (konkurują ze starszymi technologiami bezprzewodowymi i przewodowymi). Tłumaczenie inwestycji potrzebami klienta indywidualnego jest moim zdaniem niedorzeczne.

Listy klientów nie mogę pokazać bo rzecz wewnętrzna firmy, ale muszę powiedzieć że pięknie odleciałeś. Powiem Tobie tyle ze feature dla 5G sprzedają się bardzo dobrze, hardware nowy powstaje u każdego i jest kupowany.


Można wejść na raport kwartalny np
https://www.nokia.com/about-us/investors/results-reports/

i zobaczyć sobie publiczne dane. Łatwo z nich wyczytać, czy kraje zachodnie inwestują czy też nie. Taka odpowiedź, inwestują i to potężne pieniądze.