엔지니어들이 미래의 신경으로 작동되는 인공 의족을 위한 길을 밝히다 - Sciencetimes

UNSW 시드니의 생물 의학 및 전기 엔지니어는 전기가 아닌 빛을 사용하여 신경 활동을 측정하는 새로운 방법을 개발했으며, 이는 신경 작동 보철 및 뇌-기계 인터페이스와 같은 의료 기술의 완전한 재구상으로 이어질 수 있습니다.

UNSW 전기 공학 및 통신 학교의 François Ladouceur 교수는 다학문 팀이 대유행 직전에 이론적으로 입증된 것을 실험실에서 방금 시연했다고 말했습니다. — 살아있는 동물의 몸에서 신경 자극을 등록할 수 있습니다.

이러한 광학 전극은 신경 자극을 감지하기 위해 전기를 사용하는 기존의 전극만큼 성능을 ​​발휘할 뿐만 아니라 “경쟁 기술이 해결할 수 없는 매우 까다로운 문제”도 해결한다고 Ladouceur 교수는 말합니다.

“첫째, 수천 개의 전극이 매우 작은 영역 내에서 수천 개의 신경에 연결될 수 있도록 기존 전극을 사용하여 인터페이스의 크기를 축소하는 것은 매우 어렵습니다.

“생물학적 조직에 연결하기 위해 수천 개의 전극을 축소하고 더 ​​가깝게 배치할 때의 문제 중 하나는 개별 저항이 증가하여 신호 대 잡음비를 저하시켜 신호를 읽는 데 문제가 있다는 것입니다. 이 ‘임피던스 불일치’.

“또 다른 문제는 우리가 ‘누화(crosstalk)’라고 부르는 것입니다. 이 전극을 축소하고 더 ​​가깝게 가져오면 근접성 때문에 서로 대화를 시작하거나 영향을 미치기 시작합니다.”

그러나 광전극은 신경 신호를 감지하기 위해 전기가 아닌 빛을 사용하기 때문에 임피던스 불일치 문제가 중복되고 누화가 최소화됩니다.

“우리 접근 방식의 진정한 장점은 이 연결을 광학 영역에서 매우 조밀하게 만들 수 있고 전기 영역에서 지불해야 하는 비용을 지불하지 않는다는 것입니다.”라고 Ladouceur 교수는 말합니다.

생체 내 데모

최근 신경 공학 저널(Journal of Neural Engineering)에 발표된 연구에서 UNSW의 Ladouceur 교수와 동료 연구원들은 광학 전극을 사용하여 살아있는 동물의 신경 섬유를 따라 이동할 때 신경 자극을 정확하게 측정할 수 있음을 보여주고 싶었습니다.

의생명공학대학원을 이끌고 Tyree Foundation of Health Engineering의 소장인 Scientia 교수 Nigel Lovell은 이를 실험실에서 시연하기 위해 노력한 연구팀의 일원이었습니다.

그는 팀이 마취된 동물의 좌골 신경에 광극을 연결했다고 말합니다. 그런 다음 작은 전류로 신경을 자극하고 신경 신호를 옵트로드로 기록했습니다. 그런 다음 그들은 기존의 전극과 생체 증폭기를 사용하여 동일한 작업을 수행했습니다.

“우리는 신경 반응이 본질적으로 동일하다는 것을 입증했습니다.”라고 Lovell 교수는 말합니다. “광학 장치에는 여전히 노이즈가 더 많지만 이것이 완전히 새로운 기술이고 우리가 작업할 수 있다는 점을 감안하면 놀라운 일이 아닙니다. 그러나 궁극적으로 우리는 전기적으로 또는 광학적으로 측정하여 동일한 특성을 식별할 수 있습니다.”

보철을 위한 새로운 새벽

지금까지 팀은 상대적으로 약하고 마이크로볼트 단위로 측정되는 신경 자극이 옵트로드 기술로 등록될 수 있음을 보여줄 수 있었습니다. 다음 단계는 신경 및 흥분성 조직의 복잡한 네트워크를 처리할 수 있도록 옵트로드의 수를 늘리는 것입니다.

Ladouceur 교수는 프로젝트 초기에 동료들이 스스로에게 물었습니다. 어느 정도의 기교를 지닌 손을 조작하려면 남자나 여자가 얼마나 많은 신경 연결이 필요합니까?

“물체를 집어들 수 있다는 것, 마찰을 판단할 수 있다는 것, 그것을 잡기 위해 적절한 압력을 가할 수 있다는 것, A에서 B로 정확하게 이동할 수 있다는 것, 빠르고 느리게 갈 수 있다는 것, 이 모든 것들이 우리가 우리가 언제 이러한 작업을 수행할 것인지 생각조차 하지 마십시오. 답은 명확하지 않습니다. 우리는 문헌에서 꽤 많이 검색해야 했지만 약 5000~10,000개의 연결이라고 생각합니다.”

다시 말해, 뇌와 손 사이에는 피질에서 아래로 내려가는 신경 다발이 있으며 결국 손의 섬세한 작동을 제어하는 ​​5000~10,000개의 신경으로 나뉩니다.

수천 개의 광학 연결이 있는 칩이 뇌에 연결되거나 신경 다발이 분리되기 전에 팔의 일부 위치에 연결될 수 있다면 의수는 잠재적으로 생물학적 손과 거의 동일한 기능으로 기능할 수 있습니다.

그것은 어쨌든 꿈이며, Ladouceur 교수는 그것이 현실이 되기까지 수십 년의 추가 연구가 있을 것이라고 말합니다. 여기에는 광전극이 양방향이 될 수 있는 능력 개발이 포함됩니다. 그들은 신체로 가는 도중에 뇌에서 신호를 수신하고 해석할 뿐만 아니라 뇌로 되돌아가는 신경 자극의 형태로 피드백을 받을 수 있습니다.

긴 게임: 두뇌-기계 인터페이스

신경 보철은 옵트로드 기술이 재정의할 가능성이 있는 유일한 공간이 아닙니다. 인간은 기술과 기계를 인체에 통합하여 수리하거나 향상시키는 것에 대해 오랫동안 환상을 가져왔습니다.

인공와우, 심박 조율기 및 심장 제세동기와 같은 일부는 이제 현실이 되었으며, 스마트 시계 및 지속적인 생체 피드백을 제공하는 기타 추적 장치는 말할 것도 없습니다.

그러나 생물의학 공학 및 신경과학에서 보다 야심찬 목표 중 하나는 뇌를 신체의 나머지 부분뿐만 아니라 잠재적으로 세계와 연결하는 것을 목표로 하는 뇌-기계 인터페이스입니다.

“신경 인터페이스 영역은 매우 흥미로운 분야이며 향후 10년 동안 집중적인 연구 및 개발의 주제가 될 것입니다.”라고 Lovell 교수는 말합니다.

현재로서는 이것이 사실보다 허구에 가깝지만, 많은 생명공학 회사들이 이것을 매우 진지하게 받아들이고 있습니다. 기업가 Elon Musk는 인공 지능을 뇌 활동에 통합할 뿐만 아니라 마비 환자를 도울 수 있는 잠재력을 가진 뇌-컴퓨터 인터페이스를 만드는 것을 목표로 하는 Neuralink의 공동 설립자 중 한 명입니다.

Neuralink 접근 방식은 장치에 기존의 와이어 전극을 사용하므로 뇌와 이식된 장치 사이에 수백만 또는 수백만 개의 연결을 호스팅하는 장치를 개발하려면 임피던스 불일치 및 혼선을 극복해야 합니다. 최근 머스크는 기술 개발 속도가 느려 좌절감을 느낀 것으로 알려졌다.

Ladouceur 교수는 Neuralink와 경쟁업체가 이러한 장애물을 성공적으로 제거할 수 있는지 여부는 시간이 말해줄 것이라고 말합니다. 그러나 신경 활동을 포착하는 이식 가능한 생체 내 장치가 현재 약 100개 정도의 전극으로 제한되어 있다는 점을 감안할 때 아직 갈 길이 멉니다.

Ladouceur 교수는 “불가능하다고 말하는 것은 아니지만 표준 전극을 고수한다면 정말 문제가 됩니다.”라고 말합니다.

“광학 영역에서는 이러한 문제가 없습니다. 우리 장치에서 신경 활동이 있는 경우 그 존재는 빛을 비추어 감지하고 정량화할 수 있는 액정의 방향에 영향을 미칩니다. 와이어 전극이 하는 것처럼 생물학적 조직에서 전류를 추출하므로 바이오 센싱이 훨씬 더 효율적으로 수행될 수 있습니다.”

이제 연구원들은 옵트로드 방법이 생체 내에서 작동함을 보여주었으므로 옵트로드 기술이 양방향임을 보여주는 연구를 곧 발표할 것입니다. 즉, 신경 신호를 읽을 수 있을 뿐만 아니라 쓸 수도 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2022/10/221026103143.htm