Wie man 1 Million Neuronen in Echtzeit aufzeichnet
Eine innovative neue Methode könnte es Wissenschaftlern ermöglichen, die Informationen von mehr als 1 Million Neuronen gleichzeitig zu übersetzen und die Aktivität zu dekodieren, sobald sie stattfindet.
In den letzten Jahrzehnten ist die im Alltag erzeugte Datenmenge explodiert.
Wenn Sie beispielsweise die Straße entlang gehen, sammelt Ihr Handy Informationen darüber, wie viele Schritte Sie unternommen haben.
Wenn Sie mit Ihrer Karte etwas in einem Geschäft kaufen, weiß die Bank, was Sie gekauft haben, wie viel es war und wo Sie waren.
Ebenso weiß das Geschäft, ob Sie dort zuvor etwas Ähnliches gekauft haben.
Daten können effizienter als je zuvor gesammelt werden, aber die Herausforderung besteht jetzt darin, zu verstehen, was wir mit ihnen tun sollten (wenn überhaupt). Wir haben die Zahlen - aber sind sie für uns von Nutzen?
Ein großer Sprung für die Neurowissenschaften
In den Neurowissenschaften ist die Situation insofern ähnlich, als große Schritte unternommen wurden, um große Datenmengen aus dem Gehirn zu sammeln. Wissenschaftler können jetzt eine große Anzahl von Gehirnzellen gleichzeitig hören und mit ihnen kommunizieren.
Obwohl sich dieser Fortschritt in Diagnose, Behandlung und Forschung als nützlich erwiesen hat, wurde sein volles Potenzial noch nicht ausgeschöpft. Die Geschwindigkeit, mit der Daten nach ihrer Erfassung verarbeitet werden können, ist immer noch ein erheblicher Stolperstein.
Die Datenverarbeitung wird schnell zu einem Engpass für Fortschritte in anderen Bereichen der Neurowissenschaften. Wenn zum Beispiel Daten aus dem Gehirn in Echtzeit gesammelt und verstanden werden könnten, könnten große Sprünge bei der Steuerung von Roboterarmen bei gelähmten Menschen oder sogar bei der Vorhersage bevorstehender epileptischer Anfälle gemacht werden.
Um diese Ziele zu erreichen, müssen riesige Datenmeere sehr schnell analysiert und berechnet werden.
Forscher des Neuronano-Forschungszentrums der Universität Lund in Schweden haben an diesem Problem gearbeitet. Sie haben eine Methode entwickelt, die das Potenzial hat, in Echtzeit mit Millionen von Nervenzellen zu kommunizieren.
Ihre Ergebnisse wurden kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Neuroinformatik.
Ihr System konnte nicht nur das Geschwätz der Gehirnzellen abhören, sondern es auch fast augenblicklich in eine aussagekräftige Ausgabe umwandeln - innerhalb von 25 Millisekunden. Das Geheimnis dieser neuen Funktion ist ein bestimmtes Datenformat, das als hierarchisches Datenformat bezeichnet wird, und ein Prozess, der als Bitcodierung bezeichnet wird.
„Die direkte Rekodierung der Nervenzellsignale in Bitcode erhöht die Speicherkapazität erheblich. Der größte Vorteil ist jedoch, dass wir mit dieser Methode die Informationen so speichern können, dass sie den Prozessoren der Computer sofort zur Verfügung stehen. “
Jens Schouenborg, Professor für Neurophysiologie am Neuronano Research Center
Die Zukunft der Neurowissenschaften
Martin Garwicz, der auch Professor für Neurophysiologie am Neuronano Research Center ist, erklärt, wie ihre Methode anderen Interventionen (wie dem Elektroenzephalogramm, bei dem Elektroden auf der Kopfhaut platziert werden) voraus ist.
„Stellen Sie sich vor, Sie möchten hören, worüber 10 Personen im Nachbarzimmer sprechen. Wenn Sie zuhören, indem Sie Ihr Ohr an die Wand legen, hören Sie nur ein Murmeln. Wenn Sie jedoch jeder Person im Raum ein Mikrofon aufsetzen, ändert sich Ihre Fähigkeit, das Gespräch zu verstehen “, sagt er.
"Und dann", fügt Garwicz hinzu, "denken Sie darüber nach, eine Million Menschen zuzuhören, Muster in der Kommunikation zu finden und sofort darauf zu reagieren - das macht unsere neue Methode möglich."
Diese neue Methode ermöglicht den bidirektionalen Verkehr: Nachrichten von Nervenzellen können gesammelt und Antworten zurückgesendet werden. Die Technologie basiert auf der Art und Weise, wie Verkehr in Bitcode umgewandelt wird.
„Ein wesentlicher Vorteil dieser Architektur und dieses Datenformats besteht darin, dass keine weitere Übersetzung erforderlich ist, da die Signale des Gehirns direkt in Bitcode übersetzt werden. Dies bedeutet einen erheblichen Vorteil bei der gesamten Kommunikation zwischen Gehirn und Computer, nicht zuletzt in Bezug auf klinische Anwendungen. “
Hauptstudienautor Bengt Ljungquist
In Zukunft könnte dieses Modell den Neurowissenschaften helfen, enorme Fortschritte zu erzielen. Während sich die Schnittstellen zwischen Gehirn und Maschine sowie zwischen Computer und Computer in den letzten Jahren erheblich verbessert haben, stoßen sie bei der Datenverarbeitung häufig auf Blockaden.
Wenn das Bitcodesystem erfolgreich ist, kann dieser Block von seinem Pfad verschoben werden.
