Einige der exotischsten Forschungen, die mit Magnetismus zu tun haben, werden von der U.S. Defense Advanced Research Projects Agency, bekannt als DARPA, gefördert. Eines ihrer Programme verblüfft im wahrsten Sinne des Wortes, da es in Bereiche vordringt, die einst als Science-Fiction galten und zu neuen medizinischen Durchbrüchen führen könnten.

 

Im Rahmen des Next-Generation Nonsurgical Neurotechnology (N3)-Programms erforschen Wissenschaftler in renommierten Forschungslabors, wie man tragbare Gehirn-Maschine-Schnittstellen herstellen kann, die letztendlich diverse Anwendungen im Bereich der nationalen Sicherheit ermöglichen könnten, wie z. B. die Steuerung aktiver Cyber-Verteidigungssysteme und Schwärme unbemannter Luftfahrzeuge oder die Zusammenarbeit mit Computersystemen für Multitasking während komplexer Missionen.

 

Die Agentur hat kürzlich sechs Organisationen für die zweite Phase des Programms, die 2018 begann, eine Finanzierung zugesprochen. Federführend sind das Battelle Memorial Institute, die Carnegie Mellon University, das Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, das Palo Alto Research Center (PARC), die Rice University und Teledyne Scientific zusammen mit anderen Institutionen, die als Kooperationspartner fungieren.

Mehrere der Projekte sind eng mit Magnetismus-Effekten und -Technologie verbunden. Wir haben uns an die DARPA und die Projektteams gewandt, um Details über zwei von ihnen zu erfahren, insbesondere über das von Battelle geleitete Projekt Brainstorm und das von der Rice University geleitete Projekt MOANA.

 

„Die DARPA bereitet sich auf eine Zukunft vor, in der eine Kombination aus unbemannten Systemen, künstlicher Intelligenz und Cyber-Operationen dazu führen kann, dass sich Konflikte in Zeiträumen abspielen, die für Menschen zu kurz sind, um sie mit aktueller Technologie allein effektiv zu bewältigen“, sagte Al Emondi, der N3-Programmleiter.

„Durch die Entwicklung einer leichter zugänglichen Gehirn-Maschine-Schnittstelle, die nicht operiert werden muss, könnte die DARPA Werkzeuge bereitstellen, die es Missionskommandeuren ermöglichen, in dynamischen Operationen, die sich mit hoher Geschwindigkeit entwickeln, sinnvoll involviert zu bleiben.“

Damit die überwiegend gehfähige Bevölkerung des Militärs von der Neurotechnologie profitieren kann, werden nicht-chirurgische Schnittstellen benötigt. Tatsächlich könnte eine ähnliche Technologie aber auch für die klinische Bevölkerung von großem Nutzen sein.

Durch den Wegfall von Operationen könnten die N3-Systeme den Kreis der Patienten erweitern, die für Behandlungen wie die tiefe Hirnstimulation zur Behandlung neurologischer Erkrankungen in Frage kommen.

 

 

Die N3-Teams verfolgen eine Reihe von Ansätzen, die Optik, Akustik und Elektromagnetik nutzen, um neuronale Aktivität aufzuzeichnen und Signale mit hoher Geschwindigkeit und Auflösung an das Gehirn zurückzusenden. Die Forschung ist in zwei Richtungen aufgeteilt.

Die Teams verfolgen entweder vollständig nicht-invasive Schnittstellen, die sich komplett außerhalb des Körpers befinden, oder minimal-invasive Schnittstellensysteme, die Nanowandler enthalten, die vorübergehend und nicht-operativ in das Gehirn eingebracht werden können, um die Signalauflösung zu verbessern.

 

Nicht-invasive Neurotechnologien wie das Elektroenzephalogramm und die transkranielle Gleichstromstimulation existieren bereits, bieten aber nicht die Präzision, Signalauflösung und Tragbarkeit, die für fortgeschrittene Anwendungen durch Menschen in der realen Welt erforderlich sind.

Die geplante N3-Technologie durchbricht die Beschränkungen bestehender Technologien, indem sie ein integriertes Gerät liefert, das keine chirurgische Implantation erfordert, aber die Präzision hat, innerhalb von 50 ms von 16 unabhängigen Kanälen innerhalb eines 16 mm3 großen Volumens von neuralem Gewebe zu lesen und zu schreiben.

 

 

Jeder Kanal ist in der Lage, spezifisch mit Sub-Millimeter-Regionen des Gehirns mit einer räumlichen und zeitlichen Spezifität zu interagieren, die mit bestehenden invasiven Ansätzen vergleichbar ist. Einzelne Geräte können kombiniert werden, um die Möglichkeit zu bieten, mit mehreren Punkten im Gehirn gleichzeitig zu interagieren.

 

Um zukünftige nicht-invasive Gehirn-Maschine-Schnittstellen zu ermöglichen, arbeiten die N3-Forscher an der Entwicklung von Lösungen, die Herausforderungen wie die Physik der Streuung und Abschwächung von Signalen beim Durchgang durch Haut, Schädel und Hirngewebe angehen, sowie an der Entwicklung von Algorithmen zur Dekodierung und Kodierung von neuronalen Signalen, die durch Modalitäten wie Licht, akustische oder elektromagnetische Energie dargestellt werden.

 

„Wenn N3 erfolgreich ist, werden wir am Ende tragbare neuronale Schnittstellensysteme haben, die mit dem Gehirn aus einer Entfernung von nur wenigen Millimetern kommunizieren können, was die Neurotechnologie über die Klinik hinaus in den praktischen Einsatz für die nationale Sicherheit bringt“, sagte Emondi. „So wie Service-Mitglieder in Vorbereitung auf eine Mission Schutz- und taktische Ausrüstung anlegen, könnten sie in Zukunft ein Headset mit einer neuronalen Schnittstelle aufsetzen, die Technologie nutzen, wann immer sie benötigt wird, und das Gerät dann beiseite legen, wenn die Mission beendet ist.“

 

BrainSTORMS-Projekt von Battelle für EM-Wandler

 

Im Rahmen des BrainSTORMS-Projekts möchte das Battelle-Team unter der Leitung von Dr. Patrick Ganzer ein minimal invasives Schnittstellensystem entwickeln, das einen externen Transceiver mit elektromagnetischen Nanowandlern koppelt, die nicht chirurgisch an die betreffenden Neuronen gebracht werden.

Die Nanowandler würden elektrische Signale von den Neuronen in magnetische Signale umwandeln, die vom externen Transceiver aufgezeichnet und verarbeitet werden können, und umgekehrt, um eine bidirektionale Kommunikation zu ermöglichen.

 

„Wir bei Battelle sind begeistert von dem BrainSTORMS-Programm (Brain System to Transmit Or Receive Magnetoelectric Signals)“, kommentierte Ganzer. „Wir arbeiten weiter an der zweiten Phase der Entwicklung eines hochleistungsfähigen, bidirektionalen Brain-Computer-Interface (BCI) für klinische Anwendungen oder für den Einsatz durch wehrfähige Mitglieder des Militärs.“

 

„Unsere Arbeit konzentriert sich auf magnetoelektrische Nanotransducer (MEnTs), die im neuronalen Gewebe lokalisiert werden, um anschließend eine bidirektionale neuronale Schnittstelle zu schaffen. Unsere Voruntersuchungen geben uns ein hohes Maß an Vertrauen in den programmatischen Erfolg und wir wären nachlässig, wenn wir nicht unserem unglaublichen Team Anerkennung zollen würden, zu dem Cellular Nanomed Inc., die University of Miami, die Indiana University-Purdue University Indianapolis, die Carnegie Mellon University, die University of Pittsburgh und das Air Force Research Laboratory gehören.“

 

 

Abbildung 1 skizziert den ursprünglichen Phase-1-Ansatz, bei dem MEnTs zunächst in den Blutkreislauf injiziert und mit Hilfe eines Magnetfeldgradienten im Hirngewebe lokalisiert werden und dann mit dem Nervengewebe und den angelegten Magnetfeldern interagieren, um eine nicht-chirurgische neurale Schnittstelle zu schaffen.

Mehrere dieser Ziele und N3-Programm-Metriken wurden in Phase 1 erreicht, wobei die multimodale Expertise des BrainSTORMS-Teams in den Bereichen Elektromagnetik, nanoskalige Materialien und Neurophysiologie genutzt wurde. Phase 2 wird sich auf die Entwicklung der MEnTs für das Schreiben von Informationen in das Gehirn konzentrieren.

 

 

Der Großteil der aktuellen BCI-Forschung, einschließlich der NeuroLife-Technologie von Battelle, konzentriert sich darauf, Menschen mit Behinderungen zu helfen, die sich invasiven Implantationsverfahren einschließlich Gehirnoperationen unterziehen müssen, um ein BCI zu ermöglichen, das verlorene Funktionen wiederherstellen kann.

Beim BrainSTORMS-Ansatz könnte der Nanowandler jedoch vorübergehend per Injektion in den Körper eingeführt und dann auf einen bestimmten Bereich des Gehirns gerichtet werden, um durch die Kommunikation mit einem helmbasierten Transceiver bei der Erfüllung einer Aufgabe zu helfen. Nach Abschluss der Aufgabe könnte der Nanowandler magnetisch aus dem Gehirn in den Blutkreislauf geleitet werden, um aus dem Körper verarbeitet zu werden.

 

 

Der Nanowandler würde magnetoelektrische Nanopartikel verwenden, um einen bidirektionalen Kommunikationskanal mit dem Gehirn aufzubauen. Neuronen im Gehirn funktionieren über elektrische Signale. Der magnetische Kern des Nanotransducers würde die elektrischen Signale der Neuronen in magnetische Signale umwandeln, die durch den Schädel zum helmbasierten Transceiver, den der Benutzer trägt, gesendet werden.

Der Helm-Transceiver könnte auch magnetische Signale zurück zu den Nanowandlern senden, wo sie in elektrische Impulse umgewandelt werden, die von den Neuronen verarbeitet werden können, was eine Zwei-Wege-Kommunikation zum und vom Gehirn ermöglicht.

Zu den Mitarbeitern gehört Sakhrat Khizroev von der University of Miami, der bei der Synthese und Charakterisierung der Nanopartikel federführend war. Zusammen mit Ping Liang hat Khizroev Pionierarbeit auf dem Gebiet der magnetoelektrischen Nanotransducer für medizinische Anwendungen geleistet. Cellular Nanomed Inc. ein in Kalifornien ansässiges kleines Unternehmen, das von Liang geleitet wird, entwickelt die externe Transceiver-Technologie.

 

MOANA (Magnetic, Optical, and Acoustic Neural Access) led by Rice University 

 

Das Moana-Projekt, das von einem Team an der Rice University unter der Leitung von Studienleiter Dr. Jacob Robinson geleitet wird, zielt darauf ab, ein minimal invasives, bidirektionales System für die Aufzeichnung vom und das Schreiben ins Gehirn zu entwickeln. Für die Aufzeichnungsfunktion wird die Schnittstelle die diffuse optische Tomographie nutzen, um durch Messung der Lichtstreuung im neuronalen Gewebe auf die neuronale Aktivität zu schließen.

Um die Schreibfunktion zu ermöglichen, wird das Team einen magneto-genetischen Ansatz verwenden, um Neuronen empfindlich für Magnetfelder zu machen.

 

„Die maßgeschneiderte Leistungselektronik, die von unseren Mitarbeitern Angel Peterchev und Stefan Goetz an der Duke University entwickelt wurde, ermöglicht es uns, die Temperatur bestimmter Nanopartikel, die in ein Tiermodell injiziert werden können, leicht zu erhöhen“, erklärt Robinson, Associate Professor ECE und BioE an der Rice University. „Wenn sie erhitzt werden, können diese Nanopartikel aus dem Labor von Gang Bao an der Rice University ausgewählte genetisch veränderte Gehirnzellen von Insekten aktivieren.

 

Mit unterschiedlichen Amplituden und Feldstärken von Magnetfeldern haben wir gezeigt, dass wir mit einem ferngesteuerten Magnetfeld bestimmte Verhaltensweisen bei Fruchtfliegen schnell an- und abschalten können. In der Zukunft hoffen wir, in Zusammenarbeit mit der US-amerikanischen FDA, ähnliche Technologien zu nutzen, um bestimmte Neuronen im visuellen Kortex von Menschen ferngesteuert zu aktivieren und so Menschen, die an Blindheit leiden, das Augenlicht wiederzugeben.“

 

 

Das Ziel ist es, eine Hirn-Computer-Schnittstelle mit hoher Bandbreite zu entwickeln, ohne dass ein chirurgisch implantiertes Gerät benötigt wird. Das Gerät wird aus einem Array flexibler komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS)-Chips bestehen, die sich an die Oberfläche der Kopfhaut anpassen können und unsere optische Auslesetechnologie basierend auf der funktionellen diffusen optischen Tomographie im Zeitraffer (ToFF-DOT) implementieren.

Zusätzlich wird ein magnetisches Stimulationsarray in eine Kopfkappe eingebaut, um genetisch veränderte magnetsensitive Ionenkanäle zu aktivieren. Diese Stimulations- und Auslesetechnologie wird drahtlos mit einer Basisstation kommunizieren und sich auf ein Volumen von < 125 cm3 zusammenlegen lassen. Das modulare System soll so konfigurierbar sein, dass es jeden Teil des Kopfes abdecken kann, um mit mehreren kortikalen Regionen in Kontakt zu treten.

In Phase 1 identifizierte das Team eine genetisch gezielte magnetische Stimulationstechnologie, die eine zelltypspezifische Stimulation mit einer räumlichen Auflösung, die durch die Verteilung der genetisch veränderten Zellen definiert ist (< 1 mm), und mit einer zeitlichen Auflösung von annähernd 10 ms erreichen kann, wie in Abb. 1 dargestellt. Ihre Arbeit zeigte eine mehr als 10-fache Verbesserung der zeitlichen Auflösung im Vergleich zum Stand der Technik bei der magnetogenetischen Stimulation.

Außerdem gelang es ihnen, wie in Abb. 2 dargestellt, das MOANA-Chiplet erfolgreich abzukleben und einen Prototyp eines flexiblen Patches für die Bildgebung eines Hirnphantoms durch ein 5-mm-Schädelphantom zu entwickeln. Die Fähigkeit zur Photonenzählung entsprach den Designvorgaben für ein integriertes ToFF-DOT-System.

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Zu den weiteren Errungenschaften in Phase 1 gehörten Bemühungen in der Schreibtechnologie, die eine gezielte und nicht-invasive Verabreichung von Viren in Mäusen erreichten und eine schnelle magnetische Stimulation in Säugetierzellen demonstrierten; ebenso in der viralen Verabreichung unter Verwendung von magnetischen Eisenoxid-Nanokristall-Clustern von Kern/Schale mit hoher magnetischer Heizleistung und magnetothermischem Multiplexing.

In Phase 2 will das Team seine Arbeit weiter vorantreiben, mit dem Ziel, in Phase 3 die Demonstration am Menschen zu erreichen. Zu den Zielen für Phase 3 gehören die Durchführung nicht-chirurgischer Lesungen, das Schreiben mit Magnetogenetik und die Demonstration einer geschlossenen Gehirn-zu-Gehirn-MOANA-Verbindung beim Menschen.

 

Andere N3-Projekte befassen sich ebenfalls mit magnetischer Wissenschaft und Technologie:

Das PARC-Team unter der Leitung von Dr. Krishnan Thyagarajan will ein komplett nicht-invasives akusto-magnetisches Gerät zum Schreiben ins Gehirn entwickeln. Ihr Ansatz kombiniert Ultraschallwellen mit Magnetfeldern, um lokalisierte elektrische Ströme für die Neuromodulation zu erzeugen. Der hybride Ansatz bietet das Potenzial für eine lokalisierte Neuromodulation in der Tiefe des Gehirns.

Das Team von Teledyne unter der Leitung von Dr. Patrick Connolly hat sich zum Ziel gesetzt, ein vollständig nicht-invasives, integriertes Gerät zu entwickeln, das mikrooptisch gepumpte Magnetometer verwendet, um kleine, lokalisierte Magnetfelder zu erkennen, die mit neuronaler Aktivität korrelieren. Das Team wird fokussierten Ultraschall verwenden, um Neuronen anzuschreiben.

 

Quelle:

Magneticsmag

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