Stanford Üniversitesi’ndeki bilim insanları, beyni doğrudan silikon tabanlı teknolojilere bağlamak için yeni bir cihaz geliştirdiler. Beyin-makine arayüz cihazları zaten mevcut olsa da bu son cihaz mevcut seçeneklerden çok daha az müdahaleci olurken daha çok veri kaydedebilir.
Kimse bu 2D silikon elektroniği almamış ve daha önce beynin üç boyutlu mimarisiyle eşleştirmemişti, “Stanford’da malzeme bilimi ve mühendisliği yüksek lisans öğrencisi Abdulmalik Obaid.”
Geleneksel çip hakkında zaten bildiğimiz şeyleri atmamız gerekiyordu. Silikon elektronikleri üçüncü boyuta getirmek için üretim ve yeni süreçler tasarlar. Ve bunu kolayca ölçeklenebilecek bir şekilde yapmamız gerekiyordu.
Science Advances’ta 20 Mart’ta yayınlanan bir makalenin konusu olan cihaz, her tel insan saçı genişliğinin yarısından daha az olan bir demet mikrodalga içerir.
Bu ince teller beynin içine nazikçe sokulabilir ve dışa doğrudan, her bir telin içinden geçen elektriksel beyin sinyallerini kaydeden – nöral elektriksel aktivite filmi yapmak gibi – bir silikon çipe bağlanabilir.
Cihazın mevcut sürümleri yüzlerce mikrodalga içerir, ancak gelecekteki sürümler binlerce içerebilir. Makalenin kınemli yazarı ve Stanford’da malzeme bilimi ve mühendisliği profesörü Nick Melosh, “Elektriksel aktivite beyin aktivitesine bakmanın en yüksek çözünürlüklü yollarından biridir. Bu mikrodal dizisiyle, bir nöron seviyesinde neler olduğunu izleyebiliriz.”
Araştırmacılar beyin-makine arayüzlerini sıçanlardan ve yaşayan farelerin beyinlerinden izole retina hücreleri üzerinde test ettiler. Her iki durumda da, dizinin yüzlerce kanalında başarılı bir şekilde anlamlı sinyaller aldılar.
Devam eden çalışmalar, cihazın beyinde ne kadar süre kalabileceğini ve bu sinyallerin ne ortaya çıkarabileceğini de belirleyecektir. Ekip özellikle sinyallerin öğrenme hakkında neler söyleyebileceğiyle ilgileniyor.
Araştırmacılar eş zamanlı olarak protez uygulamaları, özellikle de konuşma yardımı üzerinde çalışıyorlar. Araştırmacılar, amaçlarına ulaşmak için, sadece uzun ömürlü olmakla kalmayıp aynı zamanda en az hasara neden olurken beyinle yakın bir bağlantı kurabilen bir beyin-makine arayüzü oluşturmak zorunda olduklarını biliyorlar. Bu teknolojilerdeki ilerlemelerden yararlanmak için silikon tabanlı cihazlara bağlanmaya odaklandılar.
Melosh, “Silikon çipler çok kuvvetli ve ölçeklendirme konusunda inanılmaz bir kabiliyete sahip. Dizimiz bu teknolojiyle çok basit bir şekilde birleşiyor. Aslında çipi alabilir, demetin açıktaki ucuna bastırabilir ve sinyalleri alabilirsiniz.
Araştırmacıların uğraştığı temel zorluklardan biri diziyi nasıl yapılandıracağımızı bulmaktı. Ana bileşenleri yüzlerce küçük tel olmasına rağmen güçlü ve dayanıklı olması gerekiyordu. Çözelti, her teli biyolojik olarak güvenli bir polimere sarmak ve daha sonra bunları metal bir yaka içinde birleştirmekti.
Bu, tellerin aralıklı ve düzgün yönlendirilmesini sağlar. Yakanın altında polimer, tellerin ayrı ayrı beyne yönlendirilebilmesi için çıkarılır. Mevcut beyin-makine arayüz cihazları, 100 kanal sinyali sunan yaklaşık 100 kablo ile sınırlıdır ve her biri titizlikle diziye elle yerleştirilmelidir.
3B Düzenleme
Araştırmacılar, binlerce kanalla bir dizi oluşturulmasını sağlamak için tasarım ve üretim tekniklerini geliştirerek yıllarını harcadılar – çabaları kısmen bir Wu Tsai Nörobilim Enstitüsü Büyük Fikirler hibesi ile desteklendi. “Bu cihazın tasarımı mevcut herhangi bir yüksek yoğunluklu kayıt cihazından tamamen farklıdır ve dizinin şekli, boyutu ve yoğunluğu imalat sırasında kolayca değiştirilebilir. Bu, farklı beyin bölgelerini aynı anda farklı derinliklerde sanal olarak kaydedebileceğimiz anlamına gelir. herhangi bir 3B düzenleme” ifadelerini kullandı.
Nöroşirürji ve nöroloji yardımcı doçenti ve makalenin ortak yazarı Jun Ding. “Geniş çapta uygulanırsa, bu teknoloji sağlık ve hastalık durumlarındaki beyin fonksiyonu anlayışımızı büyük ölçüde artıracaktır.” Bu iddialı ama zarif fikri takip ederek yıllar geçirdikten sonra, sürecin sonuna kadar canlı dokuda test edilebilecek bir cihaza sahip olmaları değildi.
Makalenin baş yazarı Obaid, “Kilometre mikrodallar alıp büyük ölçekli diziler üretip, bunları doğrudan silikon çiplere bağlamak zorundaydık,” dedi. “Bu tasarım üzerinde yıllarca çalıştıktan sonra, ilk kez retinada test ettik ve hemen çalıştı. Kesinlikle güven vericiydi.”
Retina ve farelerde ilk testlerinin ardından, araştırmacılar şimdi dizinin dayanıklılığını ve büyük ölçekli versiyonların performansını kontrol etmek için daha uzun süreli hayvan çalışmaları yürütüyorlar.
Ayrıca, cihazlarının ne tür verileri rapor edebileceğini de araştırıyorlar. Şimdiye kadar elde edilen sonuçlar, beyinde olduğu gibi öğrenmeyi ve başarısızlığı izleyebileceklerini göstermektedir. Araştırmacılar, diziyi mekanik protezler ve konuşma, görmeyi geri kazanmaya yardımcı olan cihazlar gibi insanlar için tıbbi teknolojileri geliştirmek için bir gün kullanabilme konusunda iyimserler.
