Чип LogSync анализирует связи между областями мозга для адаптивной стимуляции

Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) разработали имплантируемый чип LogSync, который отслеживает электрическую активность сразу в нескольких областях мозга и может запускать стимуляцию при обнаружении заданных состояний. Система потребляет менее 200 микроватт и в перспективе может помочь в создании адаптивных методов лечения психических расстройств.

Глубокая стимуляция мозга уже применяется при двигательных нарушениях, в частности при болезни Паркинсона. Её также изучают для лечения тяжёлой депрессии, посттравматического стрессового расстройства и обсессивно-компульсивного расстройства. Большинство существующих устройств подаёт импульсы по заранее заданным настройкам, а не в ответ на текущую активность мозга. Адаптивные системы часто анализируют сигналы только из одной области, хотя при психических заболеваниях важную роль могут играть связи между несколькими участками мозга.

«Наша работа основана на растущем массиве исследований, согласно которым психические расстройства связаны скорее с нарушением коммуникации между областями мозга, чем с нарушением работы какой-либо одной области».

Махса Шуаран, руководитель лаборатории интегрированных нейротехнологий EPFL

LogSync регистрирует мозговые сигналы и выделяет показатели, отражающие силу мозговых волн и синхронность сигналов из разных областей. Алгоритм машинного обучения анализирует эти характеристики и различает когнитивные и эмоциональные состояния. При обнаружении заданного состояния устройство может сформировать сигнал для стимуляции.

Команда проверила алгоритм на записях активности мозга людей, участвовавших в более ранних психиатрических исследованиях. В одном наборе данных фиксировалось изменение вовлечённости во время умственного задания, в другом — эмоциональное возбуждение при просмотре видеороликов. Алгоритм различал состояния по нейронным сигналам. В экспериментах на крысах, проведённых в Университете Миннесоты, система отслеживала мозговые колебания и выдавала сигналы стимуляции в заданные фазы их активности.

По словам Шуаран, чип и алгоритмы проектировали совместно, учитывая ограничения имплантируемого устройства по энергопотреблению. Это позволило выполнять обработку сигналов и распознавание состояний на одном чипе. Для анализа мозговых сетей LogSync также использует логарифмические вычисления, упрощающие обработку данных в реальном времени.

Результаты опубликованы в журнале IEEE Journal of Solid-State Circuits. Разработка ведётся в рамках гранта Национального института психического здоровья США на 6,6 млн швейцарских франков. Проект посвящён имплантам для измерения и управления колебательными сетями мозга, прежде всего при расстройствах настроения и тревожных расстройствах. Авторы отмечают, что такой подход может быть применим и в адаптивной стимуляции при двигательных нарушениях, а также в некоторых неинвазивных нейротехнологиях.