Бионические ИС с ультрамалой потребляемой мощностью для лечения нейродегенеративных заболеваний

Бионические ИС с ультрамалой потребляемой мощностью для лечения нейродегенеративных заболеваний

Выпуск 1 (6700) от 16 января 2020 г.
РУБРИКА: МЕДИЦИНСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Международная исследовательская группа под руководством ученых Университета Бата (Великобритания) создала в лабораторных условиях первые искусственные нейроны. Эти миниатюрные приборы предназначены для восстановления нервных цепей и утраченных функций головного мозга. Ученые планируют использовать такие бионические (биоэлектронные) кристаллы ИС для лечения как сердечно-сосудистых, так и нейродегенеративных заболеваний, в первую очередь болезни Альцгеймера.

Болезнь Альцгеймера – ​это нейродегенеративное заболевание, заключающееся в прогрессирующей гибели нейронов, что приводит ко все более тяжким последствиям в плане когнитивных, поведенческих и двигательных возможностей человека. Болезнь разрушительна не только для пациентов, но и для их семей. Она по-прежнему трудно поддается лечению, но исследователи постоянно изучают новые нанотехнологические решения, стремясь улучшить качество жизни жертв заболевания.

Согласно исследованию организации Trust Source, проведенному в 2016 г., каждые 66 секунд у одного человека в мире начинает развиваться болезнь Альцгеймера. По оценкам аналитиков, в настоящее время с этим заболеванием в общей сложности живут около 5,4 млн взрослых людей. Болезнь характеризуется прогрессирующей потерей памяти и деградацией других когнитивных функций, что приводит к ухудшению повседневной деятельности человека. В настоящее время нет никаких методов лечения, обеспечивающих выздоровление страдающих болезнью Альцгеймера. Правда, есть клинические подходы, позволяющие продлить время осуществления людьми своей повседневной деятельности.

Электрические свойства биологических клеток уже давно изучены, что дает понимание внутриклеточной динамики. Построению количественных вычислительных моделей до сих пор препятствовали трудность измерения микроскопических параметров, управляющих динамикой ионных токов, и нелинейность ионной проводимости. Это затрудняет создание нейроморфных приборов, способных точно воспроизвести реакцию биологического нейрона.

Растущее внимание к имплантируемой биоэлектронике для лечения хронических заболеваний стимулирует работы по созданию твердотельных аналоговых устройств с малой потребляемой мощностью, способных точно имитировать естественные биологические схемы.

Наиболее перспективным способом мгновенной интеграции необработанных нервных стимулов, независимо от размера и сложности системы, является аналоговая асинхронная электроника. Кроме того, в последнее время усилия по построению количественных нейронных вычислительных моделей были сосредоточены на обобщении модели Ходжкина–Хаксли (HH) в приложении к многоканальным моделям.

В любом очаге возникновения какого-либо дегенеративного заболевания (такого как болезнь Альцгеймера), когда нейроны перестают нормально работать из-за возраста, болезни или травмы, существует теоретическая возможность заменить неисправную биологическую схему синтетической. Создаваемые разработчиками кристаллы представляют собой миниатюрные приборы на основе кремния, смоделированные на биологических ионных каналах и имитирующие работу реальных нейронов. Цель состоит в том, чтобы эти кристаллы исправляли повреждения, вызванные дегенеративными заболеваниями, за счет восстановления основных функций нервных цепей. На практике они представляют собой соединительные мостики в местах прерывания нервного канала.

Потребляемая мощность рассматриваемых имплантатов на основе бионических кристаллов ИС составляет всего 140 нВт, что составляет примерно одну миллиардную часть энергии, необходимой усредненному микропроцессору. Значимость ультранизкого энергопотребления в том, что кристалл бионической ИС может работать без батареи, полностью полагаясь на сбор энергии из окружающей среды.

Следующей целью работ ученых намечено изучение менее инвазивных и нехирургических методов применения глубокой стимуляции мозга. Это облегчит пациентам с болезнью Альцгеймера доступ к новому методу лечения и упростит поддержку внедрения в него искусственного интеллекта.

Твердотельные нейроны идентичны биологическим при стимуляции широким диапазоном существующих алгоритмов, имитирующих среду мозга. В перспективе проблемы, безусловно, будут охватывать эффективность отклика (реакции) и совершенствование модели с помощью инструментов глубокого обучения. Первые кремниевые нейроны стали примером т. н. биоэлектронной медицины, которая с помощью искусственных материалов имитирует естественные схемы и процессы. На рис. 1 и 2 показано исследование схемного анализа и соответствующее моделирование.

Рассматриваемый бионический кристалл ИС представляет собой технологический скачок в области внедрения наноэлектроники в медицину. Кроме того, существует возможность установки GPS и других решений для управления несколькими жизненно важными параметрами. Все это обеспечивается преимуществами микроэлектроники и решений с ультранизкой потребляемой мощностью. Рассматриваемые кристаллы могут активировать в определенное время различные сигналы, а также измерять частоту сердечных сокращений и кровяное давление, уровень глюкозы в крови и многое другое. В целом можно считать, что путь к полному излечению от «худшей болезни всех времен» становится все более эффективным. Прогресс наноэлектроники позволяет «оцифровать» людей, делая их все более «подключенными» к различным сетям и приборам.

В рамках проведенных работ ученые Университета Бата тесно сотрудничали с коллегами из Цюрихского университета (Швейцария), Оклендского университета (Новая Зеландия) и некоторыми итальянскими исследователями. Вместе они разработали первые искусственные нейроны, предназначенные для восстановления функций, нарушенных различными нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезни Альцгеймера и Паркинсона. Статья, описывающая результаты исследований, была опубликована в журнале Nature Communications.

Di Paolo Emilio Maurizio. Ultra-low Power Bionic Chip Treats Alzheimer’s. EE Times, December 5, 2019: https://www.eetimes.com/ultra-low-power-bionic-chip-treats-alzheimers/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ