Ένα ασύρματο οικοσύστημα με τις δικές του ασύρματες εμφυτεύσιμες συσκευές στον εγκέφαλο και υποδομές για το Διαδίκτυο των Πραγμάτων (IoT)

Ερευνητές αναπτύσσουν ασύρματα δίκτυα που επιτρέπουν τον εξ αποστάσεως έλεγχο των εγκεφαλικών κυκλωμάτων μέσω του Διαδικτύου.

Περίληψη: Ένα νέο σύστημα που συνδυάζει τα νευρικά εμφυτεύματα (στον εγκέφαλο) με το Διαδίκτυο των Πραγμάτων (Internet of Things / IoT) μπορεί να ελέγχει εξ αποστάσεως τα εγκεφαλικά κυκλώματα (δλδ τις συνδέσεις μεταξύ των νευρώνων στον εγκέφαλο) απο πολυάριθμα ζώα σε όλο τον κόσμο ταυτόχρονα - και ανεξάρτητα - μέσω του διαδικτύου.

Source: KAIST,

for Neuro Science News,

29/11/2021

Μια νέα μελέτη δείχνει ότι οι ερευνητές μπορούν να ελέγχουν εξ αποστάσεως τα εγκεφαλικά κυκλώματα πολλών ζώων ταυτόχρονα και ανεξάρτητα μέσω του διαδικτύου. 

Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι αυτή η νεοαναπτυχθείσα τεχνολογία μπορεί να επιταχύνει την έρευνα για τον εγκέφαλο και τις διάφορες νευροεπιστημονικές μελέτες, για την αποκάλυψη των βασικών εγκεφαλικών λειτουργιών καθώς και του υποβάθρου διαφόρων νευροψυχιατρικών και νευρολογικών διαταραχών.

Μια διεπιστημονική ομάδα ερευνητών του KAIST, του Πανεπιστημίου της Ουάσινγκτον στο Σεντ Λούις και του Πανεπιστημίου του Κολοράντο στο Μπόλντερ δημιούργησε ένα ασύρματο οικοσύστημα με τις δικές του ασύρματες εμφυτεύσιμες συσκευές και υποδομές για το Διαδίκτυο των Πραγμάτων (Internet of Things / IoT) ωστε να μπορεί να πραγματοποιήσει πειράματα υψηλής απόδοσης στις νευροεπιστήμες μέσω του διαδικτύου. 

Αυτή η καινοτόμος τεχνολογία θα μπορούσε να επιτρέψει στους επιστήμονες να χειρίζονται τους εγκεφάλους των ζώων από οπουδήποτε στον κόσμο.

Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Biomedical Engineering στις 25 Νοεμβρίου.

«Αυτή η νέα τεχνολογία είναι εξαιρετικά ευέλικτη και ευπροσάρμοστη. Μπορεί να ελέγχει εξ αποστάσεως πολυάριθμα νευρικά εμφυτεύματα και εργαστηριακό εξοπλισμό σε πραγματικό χρόνο ή με προγραμματισμένο τρόπο χωρίς άμεση ανθρώπινη αλληλεπίδραση», δήλωσε ο καθηγητής Jae-Woong Jeong της Σχολής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών του KAIST και κύριος συγγραφέας της μελέτης. «Αυτές οι ασύρματες νευρικές συσκευές και ο εξοπλισμός που ενσωματώνονται με την τεχνολογία για το Διαδίκτυο των Πραγμάτων (Internet of Things / IoT) έχουν τεράστιες δυνατότητες για την επιστήμη και την ιατρική».

Το ασύρματο οικοσύστημα απαιτεί μόνο έναν μίνι-υπολογιστή που μπορεί να προμηθευτεί κάποιος για λιγότερο από 45 δολάρια, ο οποίος συνδέεται στο διαδίκτυο και επικοινωνεί με ασύρματους, πολυλειτουργικούς ανιχνευτές εγκεφάλου ή άλλους τύπους συμβατικού εργαστηριακού εξοπλισμού χρησιμοποιώντας μονάδες ελέγχου απο το Διαδίκτυο των Πραγμάτων (Internet of Things / IoT).

Με την βέλτιστη ενσωμάτωση - τόσο απο το μοναδικό υλικό όσο και απο το λογισμικό για το Διαδίκτυο των Πραγμάτων (Internet of Things / IoT), των χαρακτηριστικών της πολυχρηστικότητας και της αρθρωτής δομής  σε ένα ενιαίο οικοσύστημα, αυτή η ασύρματη τεχνολογία προσφέρει νέα πεδία εφαρμογών που δεν έχουν καταδειχθεί ποτέ στο παρελθόν από μία μεμονωμένη τεχνολογία.

Αυτό περιλαμβάνει, μεταξύ άλλων, την ελάχιστη χρήση υλικών (minimalistic hardware), την παγκόσμια και απομακρυσμένη πρόσβαση, τα επιλεκτικά και προγραμματισμένα πειράματα, την δυνατότητα προσαρμογής όσον αφορά την αυτοματοποίηση και την δυνατότητα επεκτασης (του οικοσυστήματος) με υψηλή απόδοση.

«Εφόσον οι ερευνητές έχουν πρόσβαση στο διαδίκτυο, είναι σε θέση να ενεργοποιούν, να προσαρμόζουν, να σταματούν, να επικυρώνουν και να αποθηκεύουν τα αποτελέσματα μεγάλων πειραμάτων ανά πάσα στιγμή και από οπουδήποτε στον κόσμο. Μπορούν να εκτελούν νευροεπιστημονικά πειράματα σε ζώα - σε ευρεία κλίμακα και εξ' αποστάσεως - τα οποία έχουν τις εγκαταστάσεις τους σε διάφορες χώρες», δήλωσε ένας από τους κύριους συγγραφείς, ο Dr. Raza Qazi, ερευνητής του KAIST και του Πανεπιστημίου του Κολοράντο, Boulder. 

Ένα από τα σημαντικά πλεονεκτήματα του Διαδικτύου των Πραγμάτων (Internet of Things / IoT) στην νευροτεχνολογία είναι η δυνατότητά της να αναπτυχθεί μαζικά σε όλο τον κόσμο λόγω της  ελάχιστης χρήσης υλικών (minimalistic hardware), του χαμηλού κόστους εγκατάστασης, της ευκολίας στη χρήση και της ρύθμισης των παραμέτρων για να προσφέρει ευελιξία.

Οι επιστήμονες σε όλο τον κόσμο μπορούν να εφαρμόσουν γρήγορα αυτή την τεχνολογία στα υπάρχοντα εργαστήριά τους με ελάχιστες οικονομικές απαιτήσεις, ωστε να επιτύχουν παγκόσμια και απομακρυσμένη πρόσβαση ή για πειράματα ως προς την αυτοματοποίηση σε ευρεία κλίμακα ή και τα δύο, μειώνοντας πιθανώς τον χρόνο που απαιτείται για τη διαλεύκανση διαφόρων νευροεπιστημονικών προκλήσεων, όπως αυτές που σχετίζονται με δύσκολες νευρολογικές παθήσεις.

Ένας άλλος κύριος συγγραφέας της μελέτης, ο καθηγητής Jordan McCall από το Τμήμα Αναισθησιολογίας και το Κέντρο Κλινικής Φαρμακολογίας του Πανεπιστημίου της Ουάσιγκτον στο Σεντ Λούις, δήλωσε ότι η τεχνολογία αυτή έχει τη δυνατότητα να αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο διεξάγονται οι βασικές μελέτες στο πεδίο της νευροεπιστήμης.

«Ένας από τους μεγαλύτερους περιορισμούς που υπάρχουν όταν προσπαθούμε να κατανοήσουμε πώς λειτουργεί ο εγκέφαλος των θηλαστικών, είναι ότι πρέπει να μελετήσουμε αυτές τις λειτουργίες σε αφύσικες συνθήκες. Αυτή η τεχνολογία μας φέρνει ένα βήμα πιο κοντά στην εκτέλεση σημαντικών μελετών χωρίς άμεση ανθρώπινη αλληλεπίδραση με τα υποκείμενα της μελέτης».

Η δυνατότητα να προγραμματιστούν πειράματα εξ αποστάσεως ωθεί αυτούς τους τύπους πειραμάτων (της νευροεπιστήμης) προς την κατεύθυνση της αυτοματοποίησης. Ο Δρ Kyle Parker, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Washington στο St. Louis - και επίσης επικεφαλής συγγραφέας στην ίδια μελέτη πρόσθεσε: «Αυτά τα πειράματα στην αυτοματοποίηση μπορούν ενδεχομένως να μας βοηθήσουν να μειώσουμε τον αριθμό των ζώων που χρησιμοποιούνται στη βιοϊατρική έρευνα, έχοντας μειώσει τη διαφοροποίηση που προκύπτει από το πλήθος των ερευνητών. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό δεδομένης της ηθικής μας υποχρέωσης να αναζητούμε ερευνητικά σχέδια που επιτρέπουν αυτή τη μείωση».

Οι ερευνητές πιστεύουν ότι αυτή η ασύρματη τεχνολογία μπορεί να ανοίξει νέες ευκαιρίες για πολλές εφαρμογές - όπως την έρευνα για τον εγκέφαλο, τα φαρμακευτικά προϊόντα και την τηλεϊατρική για την εξ αποστάσεως θεραπεία ασθενειών στον εγκέφαλο και σε άλλα όργανα. 

Αυτή η τεχνολογία απομακρυσμένης αυτοματοποίησης θα μπορούσε να γίνει ακόμη πιο πολύτιμη όταν πολλά εργαστήρια πρέπει να κλείσουν, όπως κατά τη διάρκεια της κορύφωσης της πανδημίας COVID-19. 

___

Σύνοψη: 

Επεκτάσιμη και αρθρωτή υποδομή ασύρματου δικτύου σε μεγάλη κλίμακα για τις νευροεπιστήμες ως προς την συμπεριφορά.

Η χρήση ποντικών (στα πειράματα) για την κατανόηση της λειτουργίας των νευρικών κυκλωμάτων - και την κατανόηση του φυσιολογικού, γενετικού και αναπτυξιακού υποβάθρου στη συμπεριφορά - έχει περιοριστεί από τους φραγμούς στις εμφυτευμένες ασύρματες νευρικές συσκευές ως προς την ικανότητα επέκτασης, της αυτοματοποίησης και της λειτουργίας τους σε υψηλές αποδόσεις.

Εδώ αναφέρουμε μια επεκτάσιμη και αρθρωτή υποδομή στα υλικά (Hardware) και το λογισμικό (Software) για τη δημιουργία και τη λειτουργία προγραμματιζόμενων (από απόσταση) νευρικών κυκλωμάτων, αξιοποιώντας το Bluetooth Low Energy για τη μελέτη της μακροχρόνιας συμπεριφοράς σε μεγάλες ομάδες τρωκτικών.

Το ολοκληρωμένο σύστημα επιτρέπει αυτοματοποιημένα, προγραμματισμένα και σε πραγματικό χρόνο πειράματα μέσω της ταυτόχρονης (και ανεξάρτητης χρήσης) πολλαπλών νευρωνικών συσκευών και του εξοπλισμού εντός - αλλα και μεταξύ των εργαστηρίων.

Μετρώντας την κίνηση, τη σίτιση, τη διαύγεια και την κοινωνική συμπεριφορά σε ομάδες ποντικών ή αρουραίων, δείχνουμε ότι το σύστημα επιτρέπει την αμφίδρομη μεταφορά δεδομένων από εύκολα διαθέσιμο υλικό (Hardware) και ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί μαζί με προγραμματιζόμενη φαρμακολογική ή φωτογενετική διέγερση.

Η επεκτάσιμη και αρθρωτή υποδομή του ασύρματου δικτύου θα πρέπει να διευκολύνει την εξ αποστάσεως λειτουργία για πλήρως αυτοματοποιημένα πειράματα σε μεγάλη κλίμακα - και για μακροχρόνια πειράματα σε κλειστό κύκλωμα (closed-loop / feedback) - για τη μελέτη των νευρικών κυκλωμάτων του εγκεφάλου και της συμπεριφοράς στα ζώα.