O magnetismo desempenha papéis importantes na pesquisa da DARPA para desenvolver a interface cérebro-máquina sem cirurgia.

Algumas das pesquisas mais exóticas envolvendo magnetismo são patrocinadas pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa dos Estados Unidos, conhecida como DARPA. Um de seus programas, literalmente, confunde a mente enquanto investiga áreas antes consideradas o reino da ficção científica e pode levar a novos avanços médicos.

Sob seu programa de Neurotecnologia Não Cirúrgica de Próxima Geração (N3), cientistas em laboratórios de pesquisa de prestígio estão explorando como fazer interfaces cérebro-máquina vestíveis que podem, em última instância, permitir diversas aplicações de segurança nacional, como controle de sistemas de defesa cibernética ativos e enxames de veículos aéreos não tripulados, ou juntando-se a sistemas de computador para realizar multitarefas durante missões complexas.

Nota deste site: Lembre-se que a DARPA é uma agência desenvolvedora de armas. O que neste texto está disfarçado de pesquisas científicas em favor da saúde, você pode ter certeza que isso é para disfarçar. Apenas guarde as informações desta matéria para em breve confirmar o que já foi feito na humanidade.

A agência recentemente concedeu financiamento a seis organizações para a segunda fase do programa, que começou em 2018. Na liderança estão o Battelle Memorial Institute, a Carnegie Mellon University, o Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, o Palo Alto Research Center (PARC), a Rice University, e Teledyne Scientific juntamente com outras instituições que atuam como colaboradores.

Vários dos projetos estão intimamente alinhados com os efeitos e a tecnologia do magnetismo. Entramos em contato com a DARPA e as equipes de projeto para obter detalhes sobre dois deles, em particular – o projeto Brainstorm liderado por Battelle e o projeto MOANA cedido pela Rice University.

“A DARPA está se preparando para um futuro no qual uma combinação de sistemas não tripulados, inteligência artificial e operações cibernéticas pode causar conflitos em cronogramas que são muito curtos para os humanos gerenciarem de forma eficaz apenas com a tecnologia atual”, disse Al Emondi, o N3 gerenciador de programa. “Ao criar uma interface cérebro-máquina mais acessível que não requer cirurgia para ser usada, a DARPA pode fornecer ferramentas que permitem que os comandantes de missão permaneçam significativamente envolvidos em operações dinâmicas que se desenrolam em alta velocidade.”

Para que a população principalmente fisicamente capaz dos militares se beneficie da neurotecnologia, são necessárias interfaces não cirúrgicas. No entanto, de fato, uma tecnologia semelhante também poderia beneficiar muito as populações clínicas. Ao eliminar a necessidade de cirurgia, os sistemas N3 procuram expandir o grupo de pacientes que podem acessar tratamentos como a estimulação cerebral profunda para gerenciar doenças neurológicas.

As equipes do N3 estão buscando uma série de abordagens que usam ótica, acústica e eletromagnetismo para registrar a atividade neural e enviar sinais de volta ao cérebro em alta velocidade e resolução. A pesquisa está dividida em duas vertentes. As equipes estão buscando interfaces completamente não invasivas que são inteiramente externas ao corpo ou sistemas de interface minuciosamente invasivos que incluem nanotransdutores que podem ser temporariamente e não cirurgicamente entregues ao cérebro para melhorar a resolução do sinal.

As neurotecnologias não invasivas, como o eletroencefalograma e a estimulação transcraniana por corrente contínua, já existem, mas não oferecem a precisão, a resolução do sinal e a portabilidade necessárias para aplicações avançadas por pessoas que trabalham em ambientes reais. A tecnologia N3 imaginada rompe as limitações da tecnologia existente ao fornecer um dispositivo integrado que não requer implantação cirúrgica, mas tem a precisão de ler e gravar em 16 canais independentes em um volume de 16 mm3 de tecido neural em 50 ms.

Cada canal é capaz de interagir especificamente com regiões submilimétricas do cérebro com uma especificidade espacial e temporal que é comparável às abordagens invasivas existentes. Dispositivos individuais podem ser combinados para fornecer a capacidade de interface com vários pontos no cérebro ao mesmo tempo. Para permitir futuras interfaces cérebro-máquina não invasivas, os pesquisadores do N3 estão trabalhando para desenvolver soluções que abordem desafios como a física de dispersão e enfraquecimento de sinais conforme eles passam pela pele, crânio e tecido cerebral, bem como projetar algoritmos para decodificação e codificação de sinais neurais que são representados por modalidades, como luz, energia acústica ou eletromagnética.

“Se o N3 for bem-sucedido, acabaremos com sistemas de interface neural vestíveis que podem se comunicar com o cérebro a partir de uma faixa de apenas alguns milímetros, movendo a neurotecnologia para além da clínica e em uso prático para a segurança nacional”, disse Emondi. “Assim como os militares colocam equipamentos de proteção e táticos na preparação para uma missão, no futuro eles podem colocar um fone de ouvido contendo uma interface neural, usar a tecnologia como for necessária e, em seguida, deixar a ferramenta de lado quando a missão for concluída.”

Projeto BrainSTORMS de Battelle para transdutores EM

Para o projeto BrainSTORMS, a equipe Battelle, sob o investigador principal, Dr. Patrick Ganzer, visa desenvolver um sistema de interface minuciosamente invasivo que emparelha um transceptor externo com nanotransdutores eletromagnéticos que são entregues de forma não cirúrgica aos neurônios de interesse. Os nanotransdutores converteriam sinais elétricos dos neurônios em sinais magnéticos que podem ser registrados e processados ​​pelo transceptor externo, e vice-versa, para permitir a comunicação bidirecional.

“No Battelle, estamos entusiasmados com o programa BrainSTORMS (sistema cerebral para transmitir ou receber sinais magnetoelétricos)”, comentou Ganzer. “Continuamos a trabalhar na segunda fase de desenvolvimento de uma interface cérebro-computador (BCI) bidirecional de alto desempenho para aplicações clínicas ou para uso por militares fisicamente aptos.”

“Nosso trabalho gira em torno de nanotransdutores magnetoelétricos (MEnTs) localizados no tecido neural para posterior interface neural bidirecional. Nossa pesquisa preliminar nos dá um alto grau de confiança no sucesso programático e seríamos negligentes se não concedêssemos crédito à nossa incrível equipe que inclui a Cellular Nanomed Inc., a Universidade de Miami, Indiana University-Purdue University Indianapolis, Carnegie Mellon University , a Universidade de Pittsburgh e o Laboratório de Pesquisa da Força Aérea.”

A Figura 1 descreve a abordagem da Fase 1 original, em que os MEnTs são injetados primeiro no sistema circulatório, localizados no tecido cerebral usando um gradiente de campo magnético e, em seguida, interagem com o tecido neural e campos magnéticos aplicados para fornecer interface neural não cirúrgica. Vários desses objetivos e

As métricas do programa N3 foram alcançadas durante a Fase 1, aproveitando a experiência multimodal da equipe BrainSTORMS nos domínios do eletromagnético, materiais em nanoescala e neurofisiologia. Os esforços da Fase 2 se concentrarão no desenvolvimento dos MEnTs para gravar informações no cérebro.

A maior parte da pesquisa atual da BCI, incluindo a tecnologia NeuroLife do Battelle, concentra-se em ajudar as pessoas com deficiência que devem se submeter a procedimentos invasivos de implante, incluindo cirurgia cerebral, para habilitar uma BCI que pode restaurar a função perdida.

Na abordagem BrainSTORMS, no entanto, o nanotransdutor pode ser introduzido temporariamente no corpo por meio de injeção e, em seguida, direcionado para uma área específica do cérebro para ajudar a completar uma tarefa por meio da comunicação com um transceptor baseado em capacete. Após a conclusão, o nanotransdutor pode ser conduzido magneticamente para fora do cérebro e para a corrente sanguínea para ser processado para fora do corpo.

O nanotransdutor usaria nanopartículas magnetoelétricas para estabelecer um canal de comunicação bidirecional com o cérebro. Os neurônios do cérebro operam por meio de sinais elétricos. O núcleo magnético dos nanotransdutores converteria os sinais elétricos neurais em sinais magnéticos que seriam enviados através do crânio para o transceptor baseado em capacete usado pelo usuário. O transceptor do capacete também poderia enviar sinais magnéticos de volta aos nanotransdutores, onde seriam convertidos em impulsos elétricos capazes de serem processados ​​pelos neurônios, permitindo a comunicação bidirecional de e para o cérebro.

Entre os colaboradores está Sakhrat Khizroev, da Universidade de Miami, que lidera os esforços de síntese e caracterização de nanopartículas. Junto com Ping Liang, Khizroev foi pioneiro em nanotransdutores magnetoelétricos para aplicações médicas. Cellular Nanomed Inc., uma pequena empresa com sede na Califórnia liderada por Liang, está desenvolvendo a tecnologia de transceptor externo.

MOANA (Magnetic, Optical, and Acoustic Neural Access) liderado pela Rice University

O projeto Moana, liderado por uma equipe da Rice University sob o investigador principal, Dr. Jacob Robinson, visa desenvolver um sistema bidirecional minuciosamente invasivo para gravar e gravar no cérebro. Para a função de gravação, a interface usará tomografia óptica difusa para inferir a atividade neural medindo a dispersão de luz no tecido neural. Para habilitar a função de gravação, a equipe usará uma abordagem magneto-genética para tornar os neurônios sensíveis aos campos magnéticos.

“A eletrônica de potência customizada desenvolvida por nossos colaboradores Angel Peterchev e Stefan Goetz na Duke University nos permite aumentar ligeiramente a temperatura de nanopartículas específicas que podem ser injetadas em um modelo animal”, explica Robinson, professor associado ECE e BioE da Rice. “Quando aquecidas, essas nanopartículas feitas pelo laboratório de Gang Bao em Rice podem ativar células cerebrais de insetos geneticamente modificadas. Usando diferentes amplitudes e intensidades de campos magnéticos, mostramos que podemos ligar e desligar rapidamente comportamentos específicos em moscas-das-frutas usando um campo magnético aplicado remotamente. No futuro, e em conjunto com o FDA dos EUA, esperamos usar tecnologias semelhantes para ativar remotamente neurônios específicos no córtex visual de humanos para ajudar a restaurar a visão de pessoas que sofrem de cegueira.”

O objetivo é projetar para fornecer uma interface cérebro-computador de alta largura de banda sem a necessidade de um dispositivo implantado cirurgicamente. O dispositivo consistirá em uma série de chips semicondutores de óxido metálico complementar (CMOS) flexíveis que podem se conformar à superfície do couro cabeludo e implementar nossa tecnologia de leitura óptica baseada em Tomografia Óptica Difusa Funcional de Tempo de Voo (ToFF-DOT) .

Além disso, uma matriz de estimulação magnética será encaixada em uma tampa de cabeça para ativar canais de íons sensíveis magnéticos geneticamente modificados. Esta tecnologia de estimulação e leitura se comunicará sem fio com uma estação base e se dobrará em um volume de <125 cm3. O sistema modular é planejado para ser configurável para cobrir qualquer parte da cabeça para fazer interface com várias regiões corticais.

Na Fase 1, a equipe identificou uma tecnologia de estimulação magnética geneticamente direcionada que pode alcançar a estimulação específica do tipo de célula com uma resolução espacial definida pela distribuição de células geneticamente modificadas (<1 mm) e com uma resolução temporal próxima de 10 ms, conforme ilustrado na Fig. 1. Seu trabalho mostrou uma melhoria de mais de 10 vezes na resolução temporal em comparação com a estimulação magnetogenética de última geração.

Eles também realizaram, conforme ilustrado na Fig. 2, a retirada da fita do chip MOANA com sucesso e o projeto de um protótipo de patch flexível para a imagem de um fantasma cerebral através de um fantasma de crânio de 5 mm. A capacidade de contagem de fótons atendeu às especificações de projeto para um sistema ToFF-DOT integrado.

Entre outras realizações na Fase 1, estavam os esforços na tecnologia de gravação que alcançou a entrega direcionada e não invasiva de vírus em camundongos, demonstrando estimulação magnética rápida em células de mamíferos; também na entrega viral usando aglomerados de nanocristais de óxido de ferro magnético de núcleo / casca com alta eficiência de aquecimento magnético e multiplexação magnetotérmica.

Na Fase 2, a equipe pretende avançar ainda mais seu trabalho em direção ao objetivo de alcançar a demonstração em humanos na Fase 3. Entre os objetivos da Fase 3 estão realizar leituras não cirúrgicas, escrever com magnetogenética e demonstrar cérebro de circuito fechado ligação MOANA para o cérebro em humanos.