El magnetismo juega un papel clave en la investigación de DARPA para desarrollar una interfaz cerebro-máquina sin cirugía
Algunas de las investigaciones más exóticas relacionadas con el magnetismo están patrocinadas por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de los Estados Unidos, conocida como DARPA. Uno de sus programas, literalmente, aturde la mente mientras profundiza en áreas que alguna vez se consideraron el reino de la ciencia ficción y podrían conducir a nuevos avances médicos.
Bajo su programa de Neurotecnología No Quirúrgica de Próxima Generación (N3), científicos de prestigiosos laboratorios de investigación están explorando cómo hacer interfaces portátiles cerebro-máquina que, en última instancia, podrían permitir diversas aplicaciones de seguridad nacional, como el control de sistemas activos de defensa cibernética y enjambres de vehículos aéreos no tripulados. o trabajar en equipo con sistemas informáticos para realizar múltiples tareas durante misiones complejas.
Recientemente, la agencia otorgó fondos a seis organizaciones para la segunda fase del programa que comenzó en 2018.Los líderes son Battelle Memorial Institute, Carnegie Mellon University, Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, Palo Alto Research Center (PARC), Rice University, y Teledyne Scientific junto con otras instituciones que actúan como colaboradores.
Varios de los proyectos están estrechamente alineados con los efectos y la tecnología del magnetismo. Nos comunicamos con DARPA y los equipos del proyecto para obtener detalles sobre dos de ellos, en particular: el proyecto de lluvia de ideas dirigido por Battelle y el proyecto MOANA de 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 en líneas de tiempo que son demasiado cortas para que los humanos las manejen de manera efectiva solo con la tecnología actual”, dijo Al Emondi, el N3 director del programa. “Al crear una interfaz cerebro-máquina más accesible que no requiere cirugía para su uso, DARPA podría ofrecer herramientas que permitan a los comandantes de misión participar de manera significativa en operaciones dinámicas que se desarrollan a gran velocidad”.
Para que la población militar principalmente capacitada se beneficie 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 el grupo de pacientes que pueden acceder a tratamientos como la estimulación cerebral profunda para controlar enfermedades neurológicas.
Los equipos de N3 están siguiendo una variedad de enfoques que utilizan la óptica, la acústica y el electromagnetismo para registrar la actividad neuronal y enviar señales al cerebro a alta velocidad y resolución. La investigación se divide en dos pistas. Los equipos están buscando interfaces completamente no invasivas que son completamente externas al cuerpo o sistemas de interfaz minuciosamente invasivos que incluyen nanotransductores que pueden enviarse al cerebro de manera temporal y no quirúrgica para mejorar la resolución de la señal.
Las neurotecnologías no invasivas como el electroencefalograma y la estimulación transcraneal de corriente continua ya existen, pero no ofrecen la precisión, la resolución de señal y la portabilidad requeridas para aplicaciones avanzadas por personas que trabajan en entornos del mundo real. La tecnología N3 prevista rompe las limitaciones de la tecnología existente al ofrecer un dispositivo integrado que no requiere implantación quirúrgica, pero que tiene la precisión para leer y escribir en 16 canales independientes dentro de un volumen de tejido neural de 16 mm3 en 50 ms.
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 brindar la capacidad de interactuar con múltiples puntos en el cerebro a la vez. Para habilitar futuras interfaces cerebro-máquina no invasivas, los investigadores de N3 están trabajando para desarrollar soluciones que aborden desafíos como la física de la dispersión y debilitamiento de las señales a medida que pasan a través de la piel, el cráneo y el tejido cerebral, así como el diseño de algoritmos para decodificación. y codificar señales neuronales que están representadas por modalidades tales como energía luminosa, acústica o electromagnética.
"Si N3 tiene éxito, terminaremos con sistemas de interfaz neuronal portátiles que pueden comunicarse con el cerebro desde un rango de unos pocos milímetros, llevando la neurotecnología más allá de la clínica y hacia un uso práctico para la seguridad nacional", dijo Emondi. "Así como los miembros del servicio se ponen el equipo de protección y táctica en preparación para una misión, en el futuro podrían ponerse unos auriculares que contienen una interfaz neuronal, usar la tecnología como sea necesario y luego dejar la herramienta a un lado cuando la misión esté completa".
Proyecto BrainSTORMS de Battelle para transductores EM
Para el proyecto BrainSTORMS, el equipo de Battelle, dirigido por el investigador principal, el Dr. Patrick Ganzer, tiene como objetivo desarrollar un sistema de interfaz minuciosamente invasivo que empareje un transceptor externo con nanotransductores electromagnéticos que se administran de forma no quirúrgica a las neuronas de interés. Los nanotransductores convertirían las 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.
“Nuestro trabajo se centra en nanotransductores magnetoeléctricos (MEnT) localizados en el tejido neural para su posterior interconexión neural bidireccional. Nuestra investigación preliminar nos da un alto grado de confianza en el éxito programático y seríamos negligentes si no le diéramos crédito a nuestro increíble equipo que incluye a Cellular Nanomed Inc., la Universidad de Miami, la Universidad de Indiana, la Universidad Purdue de Indianápolis, la Universidad Carnegie Mellon. , la Universidad de Pittsburgh y el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea ".
Las métricas del programa N3 se lograron durante la Fase 1, aprovechando la experiencia multimodal del equipo de BrainSTORMS en los dominios de electromagnetismo, materiales a nanoescala y neurofisiología. Los esfuerzos de la Fase 2 se centrarán en el desarrollo de MEnT para escribir información en el cerebro.
La mayor parte de la investigación actual de BCI, incluida la tecnología NeuroLife de Battelle, se centra en ayudar a las personas con discapacidades que deben someterse a procedimientos invasivos de implantes, incluida la cirugía cerebral, para habilitar un BCI que pueda restaurar la función perdida.
Sin embargo, en el enfoque BrainSTORMS, el nanotransductor podría introducirse temporalmente en el cuerpo mediante una inyección y luego dirigirse a un área específica del cerebro para ayudar a completar una tarea a través de la comunicación con un transceptor con casco. Una vez completado, el nanotransductor podría guiarse magnéticamente fuera del cerebro y hacia el torrente sanguíneo para ser procesado fuera del cuerpo.
El nanotransductor utilizaría nanopartículas magnetoeléctricas para establecer un canal de comunicación bidireccional con el cerebro. Las neuronas del cerebro operan a través de señales eléctricas. El núcleo magnético de los nanotransductores convertiría las señales eléctricas neuronales en magnéticas que se enviarían a través del cráneo al transceptor con casco que usa el usuario. El transceptor del casco también podría enviar señales magnéticas a los nanotransductores, donde se convertirían en impulsos eléctricos capaces de ser procesados por las neuronas, lo que permitiría la comunicación bidireccional hacia y desde el cerebro.
Entre los colaboradores se encuentra Sakhrat Khizroev de la Universidad de Miami, quien ha estado liderando 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 dirigida por Liang, está desarrollando la tecnología de transceptores externos.
MOANA (Acceso neuronal magnético, óptico y acústico) dirigido por Rice University
“La electrónica de potencia personalizada desarrollada por nuestros colaboradores Angel Peterchev y Stefan Goetz en la Universidad de Duke nos permite 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 fabricadas por el laboratorio de Gang Bao en Rice pueden activar determinadas células cerebrales de insectos modificadas genéticamente. Usando diferentes amplitudes y fuerza de campo de los campos magnéticos, hemos demostrado que podemos activar y desactivar rápidamente comportamientos específicos en las moscas de la fruta utilizando un campo magnético aplicado de forma remota. En el futuro, y en conjunto con la FDA de EE. UU., Esperamos utilizar tecnologías similares para activar de forma remota neuronas específicas en la corteza visual de los humanos para ayudar a restaurar la vista en personas que sufren de ceguera ".
Proyecto MOANA Fig.2
El objetivo es diseñar para proporcionar una interfaz cerebro-computadora de gran ancho de banda sin la necesidad de un dispositivo implantado quirúrgicamente. El dispositivo consistirá en una serie de chiplets complementarios flexibles de semiconductores de óxido de metal (CMOS) que pueden adaptarse a la superficie del cuero cabelludo e implementar nuestra tecnología de lectura óptica basada en Tomografía óptica difusa funcional de tiempo de vuelo (ToFF-DOT) .
Además, se instalará una matriz de estimulación magnética en una tapa para la cabeza para activar canales de iones sensibles magnéticos genéticamente modificados. Esta tecnología de estimulación y lectura se comunicará de forma inalámbrica con una estación base y se plegará en un volumen de <125 cm3. Se planea que el sistema modular se pueda configurar para cubrir cualquier parte de la cabeza para interactuar 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 (<1 mm) y con una resolución temporal cercana a los 10 ms, como se muestra 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 muestra en la Fig. 2, la colocación exitosa del chiplet MOANA y el diseño de un prototipo de parche flexible para obtener imágenes de un fantasma cerebral a través de un fantasma de cráneo de 5 mm. La capacidad de conteo de fotones cumplió con las especificaciones de diseño para un sistema ToFF-DOT integrado.
Entre otros logros en la Fase 1, se encuentran los esfuerzos en tecnología de escritura que lograron la entrega dirigida y no invasiva de virus en ratones, demostrando una rápida estimulación magnética en células de mamíferos; también en la liberación viral utilizando grupos de nanocristales de óxido de hierro magnético de núcleo / capa con alta eficiencia de calentamiento magnético y multiplexación magnetotérmica.
En la Fase 2, el equipo tiene como objetivo avanzar en su trabajo hacia el objetivo de alcanzar la demostración en humanos en la Fase 3. Entre los objetivos de la Fase 3 se encuentran realizar lecturas no quirúrgicas, escrituras con magnetogenética y demostrar el circuito cerrado del cerebro. vínculo MOANA-cerebro en humanos.
Otros proyectos de N3 también involucran ciencia y tecnología magnéticas:
- El equipo de PARC, dirigido por el investigador principal, el Dr. Krishnan Thyagarajan, tiene como objetivo desarrollar un dispositivo acústico-magnético completamente no invasivo para escribir en el cerebro. Su enfoque combina ondas de ultrasonido con campos magnéticos para generar corrientes eléctricas localizadas para la neuromodulación. El enfoque híbrido ofrece el potencial para una neuromodulación localizada más profunda en el cerebro.
- El equipo de Teledyne, dirigido por el investigador principal, el Dr. Patrick Connolly, tiene como objetivo desarrollar un dispositivo integrado completamente no invasivo que utilice magnetómetros bombeados ópticamente micro para detectar campos magnéticos pequeños y localizados que se correlacionan con la actividad neuronal. El equipo utilizará ultrasonido enfocado para escribir en las neuronas.
Para obtener más información, visite www.darpa.mil .
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