Proyecto darpa

Durham, Carolina del Norte - dispositivos, incluyendo extremidades "neuroprosthetic" para personas paralizadas y "neurorobots" controlados por señales cerebrales de los operadores humanos pueden ser las aplicaciones finales de tecnologías de interfaz cerebro-máquina desarrollados bajo un contrato de US $ 26 millones para la Universidad de Duke patrocinado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA). El contrato forma parte del Programa de interfaces cerebro-máquina DARPA que tiene como objetivo desarrollar nuevas tecnologías para mejorar el rendimiento mediante el acceso al cerebro humano en tiempo real e integrar la información en dispositivos externos. Investigador principal del proyecto DARPA es profesor de Neurobiología Miguel Nicolelis, Co-PI son Craig Henríquez, quien es el W.H. Gardner Jr. Profesor Asociado de Ingeniería Biomédica; Profesor de Neurocirugía Dennis Turner y Profesor Asociado de Ingeniería Biomédica Patrick Wolf. Otros empleados del centro incluyen John Chapin, de la Universidad Estatal de Nueva York, Brooklyn, José Príncipe de la Universidad de Florida, Mandayam Srinivasan, del Instituto de Tecnología de Massachusetts y Harvey Wiggins de Plexon Inc. en Dallas. El apoyo ayudará DARPA Centro de Lanzamiento de Duke para Neuroingeniería, co-dirigida por Nicolelis y Henríquez, cuyos científicos e ingenieros tratarán de probar una nueva era tecnológica en la que las señales cerebrales que pueden controlar las máquinas que mejoran y amplían las capacidades humanas de una manera nunca antes posible. Además del desarrollo de prótesis controladas por el cerebro, los neurocirujanos pueden aplicar permitido por las nuevas tecnologías para ayudar a los cirujanos a distinguir el tejido cerebral sano de lo que es parte de un tumor o un punto de referencia para las convulsiones cerebro-mapping. "Esta tecnología puede aumentar de inmediato la resolución a la que los cirujanos pueden cartografiar la extensión de un tumor o una región específica del cerebro", dijo Nicolelis. "Este mapeo mejora puede resultar en un mejor pronóstico para el paciente, porque menos tejido tendría que ser eliminado." Más allá de los usos médicos, interfaces cerebro-máquina también podrían aplicarse para mejorar las capacidades de los seres humanos normales, dijeron los investigadores. Como ejemplos, dijeron, podría permitir a los robots neuro-controlado para la búsqueda y rescate o de exploración remota de peligrosos o inaccesibles. El centro de Duke constará inicialmente de una colaboración de diferentes laboratorios en el servicio del centro médico y neurobiología en la Escuela Pratt de Ingeniería Departamento de Ingeniería Biomédica. Sin embargo, los investigadores esperan que unir los esfuerzos del centro en un nuevo edificio de ingeniería multidisciplinar, actualmente en construcción. En el marco del apoyo DARPA:[pic 1]

 * Ingeniero biomédico Henríquez y sus colegas coordinarán el desarrollo de equipos y métodos para la visualización y el análisis de la enorme cantidad de datos producidos por las matrices de electrodos en el cerebro de animales de experimentación.

* Neurocirujano Turner y sus colegas estudiarán el uso potencial de interfaces cerebro-máquina en pacientes con trastornos neurológicos.

* Ingeniero Biomédico Patrick Wolf y sus colegas desarrollarán un "neuro" detección y análisis de las señales del cerebro en miniatura, así como enlaces a la comunicación óptica entre los componentes del chip y de control de la interfaz.

* Laboratorio de John Chapin desarrollar el mecanismo de retroalimentación sensorial por el que los animales y los humanos pueden "escuchar" las acciones de un brazo o de la mano neurorobotic.

* José Príncipe y sus colegas desarrollarán nuevos algoritmos informáticos para traducir las señales del control derivado del cerebro manda a operar un brazo robótico.

* Laboratorio Mandayam Srinivasan desarrollar nuevas interfaces para proporcionar señales de retroalimentación visual y táctil de sujetos animales operativo brazos robóticos, y

* Harvey Wiggins de Plexon Inc. en Dallas proporcionará hardware y software que permitirá el desarrollo y prueba de las interfaces cerebro-máquina. Según Nicolelis, la concentración inicial del nuevo centro estará en brazos neuroprosthetic para paralíticos, basado en el éxito de los experimentos iniciales con animales. "El año pasado, se informó de experimentos en primates que muestran que la interfaz cerebro-máquina podría, de hecho, el control de un brazo de robot", dijo Nicolelis. "Si bien este fue un sistema de primera generación, que nos ha demostrado que no era una gran oportunidad para continuar la investigación que llevará a las aplicaciones clínicas. Estamos muy agradecidos a DARPA por su visión en el establecimiento de un programa que puede proporcionar apoyo fundamental para poner en marcha este esfuerzo ". En 2000, Nicolelis y sus colegas probaron un monos sistema neural que permite a los animales utilizan sus señales cerebrales, detectada por los electrodos implantados, para controlar un brazo robótico para alcanzar un pedazo de comida. Los científicos también han transmitido las señales del cerebro en Internet, el control remoto de un brazo de robot 600 millas de distancia. La técnica utilizada, llamada "población grabaciones multi-neurona" fue desarrollado originalmente por el centro colaborador Chapin. En los experimentos, los científicos han utilizado matrices de hasta 96 electrodos para detectar señales de múltiples áreas del cerebro, incluyendo la corteza motora desde donde se controla el movimiento. Entonces, los científicos registraron la salida de estos electrodos como los animales han aprendido "tareas alcance", incluyendo para llegar a los pequeños trozos de comida. Los científicos han alimentado los datos de masa de señales neuronales generados durante muchas repeticiones de estas actividades en una computadora, que analiza las señales del cerebro para detectar patrones de detectores que permiten a los investigadores predecir la trayectoria de la mano del mono de las señales. Entonces, mediante la programación de la computadora conectada al brazo robótico para percibir estos modelos de señales desde el cerebro del mono, los científicos han sido capaces de permitir que el mono, de hecho, controlar el brazo sólo a través de las señales neuronales. Este experimento de prueba de concepto demostró la eficacia de la inscripción de varias áreas del cerebro y luego dejar que el ordenador "aprender" patrones de señal al cerebro que desencadena ciertos movimientos. En el nuevo centro, Nicolelis, Henríquez y sus colegas tendrá como objetivo aumentar el número de electrodos de registro a más de 1000 para permitir el control de más acciones complejas de brazos robóticos y otros dispositivos. El "neuro" desarrollado por Wolf y sus colegas reducirá significativamente el tamaño de los circuitos necesarios para la toma de muestras y análisis de las señales del cerebro. "Nuestro sueño es desarrollar un dispositivo portátil, como el de las señales respiratorias tanto en la robótica, la informática, o incluso al médico, para alertar al médico para un problema", dijo Nicolelis. Según Henríquez, el mayor número de electrodos de registro también permitirá una mucho más sofisticadas señales cerebrales. "Esta investigación hace un gran esfuerzo para descifrar cómo el cerebro maneja la información", dijo Henríquez. "Una vez que somos capaces de usar el cálculo para decodificar esta información, se puede traducir ese entendimiento en un algoritmo que puede ser embebido en el hardware." En última instancia, los investigadores esperan poder grabar y analizar estas señales durante largos períodos de tiempo sin dañar el tejido cerebral, dijeron los investigadores. Ya han demostrado que los animales pueden tolerar los electrodos por períodos de años sin daño aparente. Según Nicolelis, tecnología y métodos de cálculo desarrollados bajo el apoyo de DARPA también conducen a una comprensión más profunda del cerebro mismo. "Esta investigación nos proporcionará un nuevo y potente conjunto de herramientas y técnicas experimentales para responder a la pregunta de cómo millones de células cerebrales en conjunto para generar un comportamiento en particular", dijo. "Tradicionalmente, la neurociencia han adoptado un enfoque reduccionista, con los investigadores tratando de entender las neuronas individuales, moléculas y genes. Estamos tratando de entender la función del cerebro como un sistema dinámico." Nicolelis, Henríquez y sus colegas se encuentran entre los investigadores en el desarrollo de una teoría de que las neuronas no se conectan elementos del circuito permanentemente asignados a una tarea de cálculo, como el microprocesador dentro de una computadora. Por el contrario, la nueva teoría sostiene que las neuronas son adaptables, los seres que pueden participar en muchas tareas de computación a la vez vivo. Por otra parte, la teoría sostiene que estas tareas pueden cambiar de un milisegundo a milisegundo. Por ejemplo, los experimentos de Nicolelis han revelado que las señales cerebrales que producen un solo evento, como por ejemplo un alcance mono, se reflejan en muchos lugares en la misma región del cerebro - como si las neuronas "voto" en estas acciones. En sus experimentos actuales, los científicos e ingenieros de la central están desarrollando sistemas de "circuito cerrado", en el que el movimiento del brazo del robot genera señales de retroalimentación táctil en forma de presión sobre la piel de los animales. Además, proporcionan información visual que permite al animal para ver el movimiento del brazo. Tales estudios de retroalimentación podría mejorar potencialmente la capacidad de las personas paralizadas usar esa interfaz cerebro-máquina para controlar apéndices prostéticos, dijo Nicolelis. De hecho, dijo, el cerebro podría resultar extraordinariamente hábil en el uso de retroalimentación para adaptarse a un artificial apéndice similares. "Una pregunta provocativa y polémica es si el cerebro realmente puede incorporar un coche como parte de la representación neural del cuerpo", dijo. "Realmente creo que es posible. El cerebro está en constante aprendizaje y adaptación, y estudios previos han demostrado que la representación del cuerpo en el cerebro es dinámico. Por lo tanto, si se ha creado un circuito de retroalimentación cerrado en el que el cerebro controla un dispositivo y El dispositivo proporciona información al cerebro, me gustaría predecir que las personas o los animales aprenden a usar el dispositivo, sus cerebros serán básicamente dedicar espacio neuronal para representar a ese dispositivo ". Desarrollo de tecnologías de interfaz cerebro-centro de Duke también implican colaboraciones con la industria, según los investigadores. El mercado de estos dispositivos debe ser significativa, dijeron. De acuerdo con un estudio de mercado encargado por DARPA, el mercado mundial actual de alrededor de 270 millones de dólares se espera un año para ser $ 1500 millones para el año 2005. "En nuestras conversaciones con las empresas, se encontró que, a pesar de estas tecnologías están en su infancia, las empresas están haciendo hincapié en su desarrollo empresarial", dijo Henríquez. "Creemos que el centro Duke ayudará a promover el desarrollo de la próxima generación de tecnologías de interfaz cerebro. Y las oportunidades para su aplicación parece casi ilimitado.

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