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/
Cool? Ranking DIY
A prawdopodobnie taki algorytm pracuje na serwerze w "chmurze", z lokalizacją poza jurysdykcją prawa Polskiego. Więc pewne jest, że tablice rejestracyjne i twarze są nagrywane i rozpoznawane. Kwestia czy następuje późniejsza agregacja i interpretacja tych danych. Jeśli są przetwarzane algorytmem w "chmurze" na serwerze zlokalizowanym poza Polską/Unią Europejską, to nawet jeśli ktoś komuś coś udowodni to co, NIC. Prawo tam nie sięga.
