Un sensore neurale impiantabile senza batteria

Grazie alla riduzione delle dimensioni dell'elettronica, i ricercatori hanno esplorato dispositivi impiantabili sempre più sofisticati, aprendo la strada a nuove protesi e interfacce cervello-macchina. Ma una grande sfida è stata come fornire energia ai componenti elettronici incorporati nel corpo.

Pompalo: Questo amplificatore neurale a bassa potenza raccoglie i segnali elettrici dai nervi e riduce al minimo il rumore elettrico.

Ora gli ingegneri elettrici dell'Università di Washington hanno sviluppato un chip di rilevamento neurale impiantabile che richiede meno energia. Altri dispositivi medici wireless, come la coclea o gli impianti retinici, si basano sull'accoppiamento induttivo, il che significa che la fonte di alimentazione deve essere a pochi centimetri di distanza. La nuova piattaforma di sensori, chiamata NeuralWISP, assorbe energia da una sorgente radio fino a un metro di distanza.

Il dispositivo contiene un microprocessore alimentato da un lettore a radiofrequenza commerciale che funge anche da dispositivo di raccolta dati. La stessa apparecchiatura viene utilizzata per alimentare e leggere le informazioni dai tag di identificazione a radiofrequenza (RFID). Negli esperimenti, i ricercatori hanno utilizzato il nuovo dispositivo per rilevare l'attività del sistema nervoso centrale in una falena per studiarne la locomozione.

Recentemente ci sono stati alcuni progressi nella riduzione delle dimensioni degli impianti neurali, ma la maggior parte dei dispositivi impiantabili è ancora relativamente ingombrante. Questi dispositivi in ​​genere richiedono più componenti, come un orologio per le operazioni di temporizzazione e un'antenna per la comunicazione e la raccolta di energia, che sono piuttosto grandi rispetto ai transistor del microcontrollore, afferma Brian Otis, professore di ingegneria elettrica presso l'Università di Washington e ricercatore capo su NeuralWISP.

Puoi avere milioni di transistor su un chip di meno che è meno di un millimetro cubo di volume, ma il problema è con le parti extra, dice Otis. Il nostro obiettivo è ridurre tutto su un singolo chip e ridurre il consumo energetico di questi componenti in modo che il chip possa essere alimentato in modalità wireless.

Il NeuralWISP è un insieme di componenti più piccoli e a bassa potenza, come un amplificatore di segnale specializzato, su un circuito lungo poco più di due centimetri. Una versione futura integrerà tutti i componenti su un singolo chip delle dimensioni di un millimetro per due millimetri. Il circuito converte la potenza utilizzabile dal lettore, circa 430 microwatt, in una tensione che può accendere il microcontrollore. Questo microcontrollore, a sua volta, controlla il sensore e il suo timer ed esegue istruzioni che consentono di inviare i dati al lettore.

Sbattimento libero: Questa falena legata è collegata al sistema di rilevamento neurale, che registra l'attività del suo sistema nervoso centrale mentre sbatte le ali.

Uno dei modi principali per risparmiare energia, afferma Otis, era ridurre la frequenza con cui il sensore misurava i segnali elettrici prodotti dai neuroni. I ricercatori hanno programmato il microcontrollore per svegliarsi quando si è verificato un picco elettrico e registrare solo i segnali che erano al di sopra di una certa soglia. I neuroscienziati sono interessati al tasso di picco, afferma Otis. Non digitalizziamo l'intera forma d'onda cerebrale.

Oltre a una manciata di considerazioni sulla progettazione di circuiti a bassa potenza, i ricercatori hanno costruito un piccolo amplificatore di segnale che aumenta il segnale elettrico dai neuroni riducendo al minimo il rumore elettrico. Per questo, dividono il segnale in ingresso in due parti. La quantità di elettricità in entrata dall'attività neurale è la stessa, ma suddividendola tra una coppia di transistor all'interno del circuito, la quantità di rumore viene dimezzata.

Nell'esperimento della falena, i ricercatori hanno testato il sistema senza batteria raccogliendo dati sui segnali elettrici dai muscoli delle ali della falena. I test hanno mostrato la frequenza con cui la falena sbatteva le ali. I risultati sono pubblicati sulla rivista Transazioni IEEE su circuiti e sistemi biomedici ; i ricercatori hanno anche discusso del lavoro in occasione di un vertice sulle piattaforme di identificazione e rilevamento wireless (WISP) a Berkeley, in California, martedì. Il sistema attuale è troppo grande per consentire alla falena di volare liberamente, ma un chip in arrivo, che sarà presentato a febbraio, è abbastanza piccolo da consentire un volo senza ostacoli, afferma Otis.

La maggior parte dei dispositivi impiantabili ha utilizzato frequenze più basse, afferma Josh Smith , ingegnere principale di Intel e organizzatore del Vertice WISP . Una frequenza più bassa significa anche che i dispositivi devono essere letti a distanza ravvicinata, aggiunge. L'utilizzo di lettori RFID commerciali, afferma Smith, consente di alimentare il dispositivo e di leggere i dati da una distanza maggiore. Tuttavia, dice che è ancora una questione aperta se l'antenna manterrà il lungo raggio una volta impiantata nel tessuto animale, perché il segnale potrebbe essere assorbito. La misurazione delle falene è una buona soluzione per questo approccio, poiché l'antenna non deve entrare nel tessuto dell'animale, dice.

Arto Nurmikko, professore di ingegneria alla Brown, è d'accordo, affermando che è utile misurare l'attività neurale nelle falene, ma le vere sfide e il potenziale applicativo emergono nel lavoro con i primati.

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