2013年7月17日报告
超声波检查神经尘埃，以获得最终的大脑界面
大脑在头骨中神奇的机械隔离，使得高冲击机动，比如顶足球，成为一个器官的常规，否则它在自身重量下几乎无法支撑。这种保护水平的缺点是，进入大脑进行大规模活动记录是一个困难的命题。目前最先进的同时电记录技术大约是2000个神经元。这是Miguel Nicolelis作为他雄心勃勃的项目的一部分所做的，这个项目是建立一个脑机接口(BCI)，它将被一个瘫痪的人用来执行即将到来的世界杯足球赛的开幕开球。
我们最近回顾了一次详细的探索，作者亚当·马布勒斯通(Adam Marblestone)等人描述了各种可用的技术，可以将更多的记录通道挤进大脑。其中一项技术，超声波，在连接“最后一英里”，即颅骨内的硬件和神经元附近的实际记录点方面特别有吸引力。一篇新论文发表在Arxiv预打印服务器将抽象的概念思想与详细的设计和分析相结合，为实现这一目标提供了可行的策略。他们破解大脑坚果的方法是在大脑皮层上布满基于cmos的“智能尘埃”传感器，这些传感器可以通过位于大脑上方几毫米处的超声波中枢进行检测。
使用电磁辐射(特别是射频)为嵌入的记录元件供电和通信的问题是，大量的传输能量在传输过程中沉积在组织中。与射频相比，组织中相对较低的声速伴随着较低的波长。在与皮质内记录相关的尺度上，这个较小的波长将传输特性转换为“远场”。因此，集线器可以向各向同性辐射，或用声波发射，分散的尘埃颗粒具有更大的覆盖范围，同时仍然允许通过频率宾箱进行一些选择性。例如，在10兆赫时，脑组织中超声波的波长约为150微米，而射频可能为5毫米左右。在5毫米波长，射频天线系统将以次优效率运行。
尘埃颗粒本身被设想为与压电元件耦合的相对简单的CMOS电路，用于接收和重新发射超声波功率。一个活跃的Mote设计可以恢复和校正功率，还可以对采集到的神经信号进行预处理。一个更紧凑的占用空间可以通过使用被动微粒设计，它扩展了无源RFID的概念，包括用测量的神经电位调制后向散射。这种魔鬼般的设计可能不超过100微米(相当于一个金字塔形电池)，并且只使用一个FET和一对电阻。
无源微尘的可行性取决于它能够从超声波集线器拦截足够的功率，也取决于它能够在FET的栅极处感知足够的电压。在为大脑设计最佳超声波系统的过程中，有许多权衡，并且必须从某个起点开始前进。“罗利距离”是发生向远场过渡的点。在这里，压力场收敛到一个自然焦点，放置在这个距离的尘埃可以最大限度地接收功率。假设共振频率为10MHz，这个距离将在2mm左右，这是放置在皮层内的微粒拦截来自覆盖中枢的辐射的理想跨度。这些集线器的最佳外部尺寸是1毫米左右。
我向通讯作者Dinjin Seo询问了关于中枢在皮质表面硬膜下放置的几个问题。他指出，理想情况下，询问器的背面，即面对硬脑膜流体环境的背面，将具有显著的阻抗失配，以减少该方向的不良能量耦合。与皮层表面微粒相对的那张脸，如果匹配得更好，就能以远高于50%的效率向那个方向传播。集线器假定由外部射频源供电，它们以相同的方式进行通信。骨骼显著地衰减了超声波(头骨大约22 dB/(cmMHz))，这种通信方法在这里不如射频有效。理论上，尘埃颗粒可以在100微米的距离内分散，而询问器轮毂可以在1毫米的距离内分离。
接近头骨是这种皮质特异性超声实施的一个优势。然而，如果适用于室内心室位置，该系统可能更有效。如果刺突图是人们所追求的，那么在脑室附近的白质束中放置微粒有一定的吸引力。例如，硬件的毒性在理论上可以通过聚合物封装来任意降低，然而，颗粒物理存在的长期影响，以及它们所传导的稀有压缩循环，可能对一些细胞来说太大了。轴突由一层厚厚的髓磷脂保护，与这些自然结构一起工作可能提供更安全的耦合策略。如果轴突受损，具有侧枝的灰质神经元可能会在攻击中幸存下来。
本文探讨了有关超声安全限值的传统概念电磁辐射．他们开发了模型，其中包括所谓的压电网络的KLM描述，以提供基本的性能表征。幻影大脑模型也将需要提供实际测量来补充模型，对脑组织的异质性进行更细致的评估也将有所帮助。理论上，平均气温上升1摄氏度可能是一个可以接受的极限，然而，当地组织的浓度可能会以与芬迪湾聚集时平均1米的潮汐可能会变成10米的潮汐相同的方式出现。
一个额外的考虑可能是适当支撑枢纽和尘埃对抗自然物质通量大脑。随着时间的推移，这种硬件在大脑的关键引流点或脑室之间的孔积聚，从耐久性的角度来看可能是不可取的，但如果尘埃被证明是危险的，则是可取的。正如Marblestone所指出的那样，在多个抽象层次上公开共享详细的计算和设计，就像这里所做的那样近乎完美，对于尽快在这一开创性领域向前推进至关重要。
进一步探索
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