Hur man spelar in 1 miljon neuroner i realtid
En ny innovativ metod kan göra det möjligt för forskare att översätta informationen som kommer från mer än 1 miljon neuroner samtidigt, samt avkoda aktiviteten när den händer.
Under de senaste decennierna har mängden data som produceras i vardagen exploderat.
När du till exempel går ner på gatan samlar din mobiltelefon information om hur många steg du har tagit.
När du köper något i en butik med ditt kort vet banken vad du köpte, hur mycket det var och var du var.
På samma sätt vet butiken om du hade köpt något liknande där tidigare.
Data kan skördas mer effektivt än någonsin, men utmaningen är nu att förstå vad vi ska göra med dem (om något). Vi har siffrorna - men har de någon nytta för oss?
Ett stort steg för neurovetenskap
Situationen är likartad inom neurovetenskap, eftersom stora framsteg har gjorts för att samla stora mängder data från hjärnan. Forskare kan nu lyssna på och kommunicera med ett stort antal hjärnceller på en gång.
Även om detta framsteg har visat sig vara användbart vid diagnos, behandling och forskning har dess fulla potential ännu inte realiserats. Den hastighet med vilken data kan bearbetas när de har samlats in är fortfarande en betydande anstöt.
Databehandling blir snabbt en flaskhals för framsteg inom andra områden inom neurovetenskap. Till exempel, om data från hjärnan kunde samlas in och förstås i realtid, kunde stora steg göras för att kontrollera robotarmarna hos förlamade människor eller till och med för att förutse förestående epileptiska anfall.
För att dessa mål ska uppnås måste stora hav av data analyseras och beräknas mycket snabbt.
Forskare vid Neuronano Research Center vid Lunds universitet har arbetat med detta problem. De har kommit fram till en metod som har potential att kommunicera i realtid med miljontals nervceller.
Deras resultat publicerades nyligen i tidskriften Neuroinformatik.
Inte bara kunde deras system lyssna på hjärncellens chatter, det kunde också översätta det till en meningsfull utdata nästan direkt - inom 25 millisekunder. Hemligheten med denna nya funktion är ett specifikt dataformat som heter Hierarkiskt dataformat och en process som kallas bitkodning.
”Omkodning av nervcellsignalerna direkt till bitkod ökar lagringskapaciteten dramatiskt. Den största vinsten är dock att metoden gör det möjligt för oss att lagra informationen på ett sätt som gör den omedelbart tillgänglig för datorns processorer. ”
Jens Schouenborg, professor i neurofysiologi, Neuronano Research Center
Neurovetenskapens framtid
Martin Garwicz - som också är professor i neurofysiologi vid Neuronano Research Center - förklarar hur deras metod är gator före andra ingrepp (såsom elektroencefalogram, där elektroder placeras i hårbotten).
”Tänk dig att du vill höra vad 10 personer i rummet bredvid pratar om. Om du lyssnar genom att sätta örat mot väggen kommer du bara att höra mumling, men om du sätter en mikrofon på varje person i rummet förvandlar det din förmåga att förstå konversationen, säger han.
"Och sedan," tillägger Garwicz, "tänk på att kunna lyssna på en miljon individer, hitta mönster i det som kommuniceras och omedelbart svara på det - det är vad vår nya metod möjliggör."
Denna nya metod möjliggör tvåvägs trafik: meddelanden från nervceller kan samlas och svar kan skickas tillbaka. Tekniken bygger på hur trafiken omvandlas till bitkod.
”En stor fördel med denna arkitektur och dataformat är att den inte kräver ytterligare översättning, eftersom hjärnans signaler översätts direkt till bitkod. Detta innebär en stor fördel i all kommunikation mellan hjärnan och datorer, inte minst när det gäller kliniska tillämpningar. ”
Ledande studieförfattare Bengt Ljungquist
Framöver kan den här modellen hjälpa neurovetenskap att göra stora framsteg. Medan hjärn-maskin-gränssnitt och hjärn-dator-gränssnitt har förbättrats väsentligt de senaste åren, slår de ofta ett block när det gäller databehandling.
Om bitkodsystemet är framgångsrikt kan detta block flyttas från deras väg.
