Jak zarejestrować 1 milion neuronów w czasie rzeczywistym
Nowatorska nowa metoda może umożliwić naukowcom tłumaczenie informacji pochodzących z ponad 1 miliona neuronów jednocześnie, a także dekodowanie zachodzącej aktywności.
W ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci ilość danych wytwarzanych w życiu codziennym gwałtownie wzrosła.
Na przykład, gdy idziesz ulicą, Twój telefon komórkowy zbiera informacje o liczbie wykonanych kroków.
Kiedy kupujesz coś w sklepie za pomocą karty, bank wie, co kupiłeś, ile to było i gdzie byłeś.
Podobnie sklep wie, czy kupiłeś tam wcześniej coś podobnego.
Dane można gromadzić wydajniej niż kiedykolwiek, ale wyzwaniem jest teraz zrozumienie, co powinniśmy z nimi robić (jeśli w ogóle). Mamy liczby - ale czy są one dla nas przydatne?
Wielki krok dla neuronauki
Sytuacja jest podobna w neuronauce, gdzie poczyniono ogromne postępy w kierunku gromadzenia ogromnych ilości danych z mózgu. Naukowcy są teraz w stanie słuchać i komunikować się jednocześnie z dużą liczbą komórek mózgowych.
Chociaż ten postęp okazał się przydatny w diagnostyce, leczeniu i badaniach, jego pełny potencjał nie został jeszcze wykorzystany. Szybkość, z jaką dane mogą być przetwarzane po ich zebraniu, nadal stanowi poważną przeszkodę.
Przetwarzanie danych szybko staje się wąskim gardłem dla postępów dokonanych w innych obszarach neuronauki. Na przykład, gdyby dane z mózgu mogły być gromadzone i rozumiane w czasie rzeczywistym, można by dokonać ogromnych postępów w kontroli ramion robotów u osób sparaliżowanych, a nawet w pomocy w przewidywaniu nieuchronnych napadów padaczkowych.
Aby te cele zostały osiągnięte, ogromne oceany danych muszą być analizowane i obliczane bardzo szybko.
Nad tym problemem pracowali naukowcy z Centrum Badawczego Neuronano na Uniwersytecie w Lund w Szwecji. Opracowali metodę, która może komunikować się w czasie rzeczywistym z milionami komórek nerwowych.
Ich odkrycia zostały niedawno opublikowane w czasopiśmie Neuroinformatyka.
Ich system nie tylko mógł nasłuchiwać paplaniny komórek mózgowych, ale mógł również przełożyć je na znaczący wynik niemal natychmiast - w ciągu 25 milisekund. Sekretem tej nowej możliwości jest specyficzny format danych zwany hierarchicznym formatem danych oraz proces zwany kodowaniem bitowym.
„Przekodowanie sygnałów komórek nerwowych bezpośrednio na kod bitowy radykalnie zwiększa pojemność pamięci. Jednak największą korzyścią jest to, że metoda ta umożliwia nam przechowywanie informacji w sposób, który sprawia, że są one natychmiast dostępne dla procesorów komputerów ”.
Jens Schouenborg, profesor neurofizjologii, Centrum Badawcze Neuronano
Przyszłość neuronauki
Martin Garwicz - który jest również profesorem neurofizjologii w Centrum Badawczym Neuronano - wyjaśnia, jak ich metoda wyprzedza inne interwencje na ulicy (np. Elektroencefalogram, w którym na skórze głowy umieszczane są elektrody).
„Wyobraź sobie, że chcesz usłyszeć, o czym mówi 10 osób w pokoju obok. Jeśli będziesz słuchał, przykładając ucho do ściany, usłyszysz tylko szmery, ale jeśli umieścisz mikrofon na każdej osobie w pomieszczeniu, zmieni to twoją zdolność rozumienia rozmowy ”- mówi.
„A potem” - dodaje Garwicz - „pomyśl o możliwości wysłuchania miliona osób, znalezienia wzorców w tym, co się komunikuje, i natychmiastowej reakcji na to - oto, co umożliwia nasza nowa metoda”.
Ta nowa metodologia umożliwia dwukierunkowy ruch: wiadomości z komórek nerwowych mogą być zestawiane, a odpowiedzi mogą być przesyłane z powrotem. Technologia opiera się na sposobie, w jaki ruch jest przekształcany w kod bitowy.
„Istotną zaletą tej architektury i formatu danych jest to, że nie wymaga dalszego tłumaczenia, ponieważ sygnały z mózgu są tłumaczone bezpośrednio na kod bitowy. Oznacza to znaczną przewagę w komunikacji między mózgiem a komputerami, nie tylko w przypadku zastosowań klinicznych ”.
Główny autor badania Bengt Ljungquist
Idąc dalej, model ten może pomóc neurobiologii w dokonaniu ogromnych postępów. Chociaż interfejsy mózg-maszyna i interfejsy mózg-komputer znacznie się poprawiły w ostatnich latach, często napotykają przeszkodę, jeśli chodzi o przetwarzanie danych.
Jeśli system kodu bitowego się powiedzie, ten blok może zostać usunięty z ich ścieżki.
