06/07/2021 - Algumas das pesquisas mais exóticas envolvendo magnetismo são patrocinadas pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa dos EUA, conhecida como DARPA. Um de seus programas, literalmente, confunde a mente ao mergulhar em áreas antes consideradas o reino da ficção científica e pode levar a novos avanços médicos. Sob seu programa de neurotecnologia não cirúrgica de última geração (N3), cientistas de laboratórios de pesquisa de prestígio estão explorando como criar interfaces cérebro-máquina vestíveis que possam permitir diversas aplicações de segurança nacional, como controle ....
de sistemas ativos de defesa cibernética e enxames de veículos aéreos não tripulados, ou em parceria com sistemas de computador para multitarefa durante missões complexas.
A agência recentemente concedeu financiamento a seis organizações para a segunda fase do programa que começou em 2018. Na liderança estão Battelle Memorial Institute, Carnegie Mellon University, Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, Palo Alto Research Center (PARC), Rice University, e Teledyne Scientific juntamente com outras instituições que atuam como colaboradoras.
Vários dos projetos estão alinhados de perto com os efeitos do magnetismo e tecnologia. Entramos em contato com a DARPA e as equipes do projeto para obter detalhes sobre dois deles, particularmente – o projeto Brainstorm liderado por Battelle e o projeto MOANA da Rice University.
“A DARPA está se preparando para um futuro em que uma combinação de sistemas não tripulados, inteligência artificial e operações cibernéticas podem causar conflitos em prazos muito curtos para os humanos gerenciarem efetivamente 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 usar, a DARPA pode fornecer ferramentas que permitem que os comandantes da missão permaneçam significativamente envolvidos em operações dinâmicas que se desenrolam em alta velocidade”.
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Para que a população principalmente apta dos militares se beneficie da neurotecnologia, são necessárias interfaces não cirúrgicas. No entanto, de fato, tecnologia semelhante também pode beneficiar muito as populações clínicas. Ao eliminar a necessidade de cirurgia, os sistemas N3 buscam expandir o grupo de pacientes que podem acessar tratamentos como estimulação cerebral profunda para gerenciar doenças neurológicas.
As equipes do N3 estão buscando uma série de abordagens que usam óptica, 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 faixas. As equipes estão buscando interfaces completamente não invasivas que são totalmente externas ao corpo ou sistemas de interface minuciosamente invasivos que incluem nanotransdutores que podem ser entregues temporariamente e não cirurgicamente ao cérebro para melhorar a resolução do sinal.
Neurotecnologias não invasivas, como o eletroencefalograma e a estimulação transcraniana por corrente contínua, já existem, mas não oferecem a precisão, resolução de sinal e portabilidade necessárias para aplicações avançadas por pessoas que trabalham em ambientes do mundo real. A tecnologia N3 prevista rompe as limitações da tecnologia existente, fornecendo 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 comparável às abordagens invasivas existentes. Dispositivos individuais podem ser combinados para fornecer a capacidade de interagir com vários pontos no cérebro de uma só vez. 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 à medida que passam pela pele, crânio e tecido cerebral, além de projetar algoritmos para decodificação e codificação de sinais neurais que são representados por modalidades como energia luminosa, 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 apenas alguns milímetros, levando a neurotecnologia para além da clínica e para uso prático para a segurança nacional”, disse Emondi. “Assim como os militares colocam equipamentos de proteção e táticos em preparação para uma missão, no futuro eles podem colocar um fone de ouvido contendo uma interface neural, usar a tecnologia da maneira que for necessária e deixar a ferramenta de lado quando a missão estiver concluída.”
Projeto BrainSTORMS da Battelle para transdutores EM
Um único nanotransdutor magnetoelétrico
Para o projeto BrainSTORMS, a equipe Battelle, sob o comando do pesquisador principal Dr. Patrick Ganzer, pretende 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 os sinais elétricos dos neurônios em sinais magnéticos que podem ser gravados e processados pelo transceptor externo e vice-versa, para permitir a comunicação bidirecional.
Múltiplos MEnTs
“Na Battelle, estamos entusiasmados com o programa BrainSTORMS (Brain System to Transmit Or Receive Magnetoelectric Signals)”, comentou Ganzer. “Continuamos a trabalhar na segunda fase do desenvolvimento de uma interface cérebro-computador bidirecional (BCI) de alto desempenho para aplicações clínicas ou para uso por militares fisicamente aptos”.
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“Nosso trabalho se concentra em nanotransdutores magnetoelétricos (MEnTs) localizados em tecido neural para subsequente interface neural bidirecional. Nossa pesquisa preliminar nos dá um alto grau de confiança no sucesso programático e seríamos negligentes se não dermos 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”.
Projeto BrainSTORMs Fig. 1
A Figura 1 descreve a abordagem original da Fase 1, na qual os MEnTs são primeiro injetados 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 de eletromagnetismo, materiais em nanoescala e neurofisiologia. Os esforços da Fase 2 se concentrarão no desenvolvimento dos MEnTs para gravar informações no cérebro.
Testes para BrainSTORMS
A maior parte da pesquisa atual da BCI, incluindo a tecnologia NeuroLife da Battelle, concentra-se em ajudar pessoas com deficiência que devem se submeter a procedimentos invasivos de implante, incluindo cirurgia cerebral, para permitir uma BCI que possa restaurar a função perdida.
Na abordagem BrainSTORMS, no entanto, o nanotransdutor pode ser temporariamente introduzido no corpo por meio de injeção e, em seguida, direcionado para uma área específica do cérebro para ajudar a completar uma tarefa através da comunicação com um transceptor baseado em capacete. Após a conclusão, o nanotransdutor pode ser magneticamente guiado 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. Neurônios no cérebro operam através de sinais elétricos. O núcleo magnético dos nanotransdutores converteria os sinais elétricos neurais em magnéticos que seriam enviados através do crânio para o transceptor baseado no 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 o esforço de síntese e caracterização de nanopartículas. Junto com Ping Liang, Khizroev foi pioneiro em nanotransdutores magnetoelétricos para aplicações médicas. A Cellular Nanomed Inc., uma pequena empresa com sede na Califórnia liderada por Liang, está desenvolvendo a tecnologia de transceptor externo.
MOANA (Acesso Neural Magnético, Óptico e Acústico) liderado pela Rice University
MOANA project Fig. 1
O projeto Moana, liderado por uma equipe da Rice University sob o comando do pesquisador principal Dr. Jacob Robinson, visa desenvolver um sistema bidirecional minuciosamente invasivo para gravar e escrever no cérebro. Para a função de registro, a interface usará tomografia óptica difusa para inferir a atividade neural medindo a dispersão da luz no tecido neural. Para habilitar a função de escrita, a equipe usará uma abordagem magneto-genética para tornar os neurônios sensíveis aos campos magnéticos.
“A eletrônica de potência personalizada 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 na 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 ativar e desativar 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”.
Projeto MOANA Fig. 2
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 matriz de chiplets flexíveis de metal-óxido-semicondutor (CMOS) complementares que podem se adaptar 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 instalada em uma tampa de cabeça para ativar canais de íons sensíveis magnéticos geneticamente modificados. Essa tecnologia de estimulação e leitura se comunicará sem fio com uma estação base e 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 conseguiram, conforme ilustrado na Fig. 2, a fita adesiva bem-sucedida do chiplet MOANA e o projeto de um protótipo de patch flexível para a geração de imagens de um fantasma de cérebro 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 alcançaram 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, gravações com magnetogenética e demonstrar circuito fechado cerebral ligação MOANA ao cérebro em humanos.
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Outros projetos N3 também envolvem ciência e tecnologia magnética:
A equipe do PARC, sob o comando do pesquisador principal Dr. Krishnan Thyagarajan, pretende desenvolver um dispositivo acústico-magnético completamente não invasivo para escrever no cérebro. Sua abordagem combina ondas de ultrassom com campos magnéticos para gerar correntes elétricas localizadas para neuromodulação. A abordagem híbrida oferece o potencial para neuromodulação localizada mais profundamente no cérebro. A equipe da Teledyne, sob o comando do investigador principal Dr. Patrick Connolly, pretende desenvolver um dispositivo totalmente não invasivo e integrado que usa micro magnetômetros bombeados opticamente para detectar pequenos campos magnéticos localizados que se correlacionam com a atividade neural. A equipe usará ultrassom focado para escrever nos neurônios.
Fonte: https://magneticsmag.com/