Seis caminos hacia el futuro no quirúrgico de las interfaces cerebro-máquina

Los equipos seleccionados para el programa de Neurotecnología no quirúrgica de próxima generación de DARPA buscarán una combinación de enfoques para desarrollar interfaces portátiles para comunicarse con el cerebro.
ALCANCE@DARPA.MIL
20/20/2019
Neurotecnología no quirúrgica de próxima generación (N3)

DARPA ha concedido financiación a seis organizaciones para apoyar la próxima generación no quirúrgico Neurotechnology (N 3 del programa),primero anunciada en marzo de 2018 . El Instituto Battelle Memorial, la Universidad Carnegie Mellon, el Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins, el Centro de Investigación Palo Alto (PARC), la Universidad Rice y Teledyne Scientific están liderando equipos multidisciplinarios para desarrollar interfaces cerebrales bidireccionales de alta resolución para uso de personas sin discapacidades. Miembros del servicio. Estas interfaces portátiles podrían, en última instancia, habilitar diversas aplicaciones de seguridad nacional, como el control de sistemas de defensa cibernética activa y enjambres de vehículos aéreos no tripulados, o la formación de equipos informáticos para realizar tareas múltiples durante misiones complejas.

«DARPA se está preparando para un futuro en el que una combinación de sistemas no tripulados, inteligencia artificial y operaciones cibernéticas puede hacer que los conflictos se desarrollen en plazos que son demasiado cortos para que los humanos puedan administrarlos de manera efectiva solo con la tecnología actual», dijo Al Emondi, N 3 gerente del programa . «Al crear una interfaz cerebro-máquina más accesible que no requiere cirugía para su uso, DARPA podría ofrecer herramientas que permitan a los comandantes de misiones seguir participando de manera significativa en operaciones dinámicas que se desarrollan a gran velocidad».

En los últimos 18 años, DARPA ha demostrado neurotecnologías cada vez más sofisticadas que se basan en electrodos implantados quirúrgicamente para interactuar con los sistemas nerviosos central o periférico. La agencia ha demostrado logros como el control neural de las extremidades protésicas y la restauración del sentido del tacto a los usuarios de esas extremidades, el alivio de enfermedades neuropsiquiátricas por lo demás intratables , como la depresión, y la mejora de la formación y memoria de la memoria . Debido a los riesgos inherentes de la cirugía, estas tecnologías se han limitado hasta ahora a ser utilizadas por voluntarios con necesidades clínicas.

Para que la población del cuerpo del ejército, principalmente capacitada, se beneficie de la neurotecnología, se requieren interfaces no quirúrgicas.Sin embargo, de hecho, una tecnología similar también podría beneficiar enormemente a las poblaciones clínicas. Al eliminar la necesidad de cirugía, los sistemas N3 buscan expandir el grupo de pacientes que pueden acceder a tratamientos como la estimulación cerebral profunda para controlar enfermedades neurológicas.

Los equipos N 3 están siguiendo una gama de enfoques que utilizan óptica, acústica y electromagnética para registrar la actividad neuronal y / o enviar señales al cerebro a alta velocidad y resolución. La investigación se divide en dos pistas. Los equipos persiguen interfaces completamente no invasivas que son completamente externas al cuerpo o sistemas de interfaz minuciosamente invasivos que incluyen nanotransductores que pueden ser enviados al cerebro de forma temporal y no quirúrgica para mejorar la resolución de la señal.

  • El equipo de Battelle, bajo el investigador principal, el Dr. Gaurav Sharma, apunta a desarrollar un sistema de interfaz minuciosamente invasivo que empareja un transceptor externo con nanotransductores electromagnéticos que se suministran de forma no quirúrgica a las neuronas de interés. Los nanotransductores convertirían las señales eléctricas de las neuronas en señales magnéticas que pueden ser grabadas y procesadas por el transceptor externo, y viceversa, para permitir la comunicación bidireccional.
  • El equipo de la Universidad Carnegie Mellon, bajo el investigador principal, el Dr. Pulkit Grover, tiene como objetivo desarrollar un dispositivo completamente no invasivo que utilice un enfoque acústico-óptico para grabar desde el cerebro y campos eléctricos interferentes para escribir en neuronas específicas. El equipo utilizará ondas de ultrasonido para guiar la luz dentro y fuera del cerebro para detectar actividad neural. El enfoque de escritura del equipo explota la respuesta no lineal de las neuronas a los campos eléctricos para permitir la estimulación localizada de tipos celulares específicos.
  • El equipo del Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins, bajo la investigación del Dr. David Blodgett, tiene como objetivo desarrollar un sistema óptico completamente no invasivo y coherente para grabar desde el cerebro. El sistema medirá directamente los cambios en la longitud de la trayectoria óptica en el tejido neural que se correlacionan con la actividad neural.
  • El equipo de PARC, bajo el investigador principal, el Dr. Krishnan Thyagarajan, tiene como objetivo desarrollar un dispositivo acústico magnético completamente no invasivo para escribir en el cerebro. Su enfoque combina ondas de ultrasonido con campos magnéticos para generar corrientes eléctricas localizadas para la neuromodulación. El enfoque híbrido ofrece el potencial de una neuromodulación localizada más profunda en el cerebro.
  • El equipo de la Universidad Rice, bajo el investigador principal, el Dr. Jacob Robinson, tiene como objetivo desarrollar un sistema bidireccional minuciosamente invasivo para registrar y escribir en el cerebro. Para la función de grabación, la interfaz utilizará la tomografía óptica difusa para inferir la actividad neuronal mediante la medición de la dispersión de la luz en el tejido neural. Para habilitar la función de escritura, el equipo utilizará un enfoque magneto-genético para hacer que las neuronas sean sensibles a los campos magnéticos.
  • El equipo de Teledyne, bajo el investigador principal, el Dr. Patrick Connolly, tiene como objetivo desarrollar un dispositivo integrado, completamente no invasivo, que utiliza magnetómetros con micro bomba óptica para detectar pequeños campos magnéticos localizados que se correlacionan con la actividad neuronal. El equipo utilizará ultrasonido enfocado para escribir a las neuronas.

A lo largo de todo el programa, la investigación se beneficiará de los conocimientos proporcionados por expertos legales y éticos independientes que acordaron proporcionar información sobre el progreso de la N 3 y considerar posibles aplicaciones futuras militares y civiles e implicaciones de la tecnología. Además, los reguladores federales están cooperando con DARPA para ayudar a los equipos a comprender mejor la autorización de uso humano a medida que la investigación se pone en marcha. A medida que avanza el trabajo, estos reguladores ayudarán a guiar las estrategias para presentar solicitudes para Exenciones de Dispositivos de Investigación y Nuevos Medicamentos de Investigación para permitir los ensayos en humanos de los sistemas N 3 durante la última fase del programa de cuatro años.

«Si N 3 tiene éxito, terminaremos con sistemas de interfaz neuronal portátiles que pueden comunicarse con el cerebro desde unos pocos milímetros, moviendo la neurotecnología más allá de la clínica y hacia un uso práctico para la seguridad nacional», dijo Emondi. «Al igual que los miembros del servicio se ponen equipos de protección y tácticos en preparación para una misión, en el futuro podrían ponerse un auricular que contenga una interfaz neuronal, usar la tecnología como se necesita, y luego dejar la herramienta a un lado cuando la misión esté completa».

Los detalles adicionales del programa y las métricas del programa están disponibles en el anuncio general de la agencia para 2018:https://go.usa.gov/xmK4s .

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