Чип с искусственным разумом научили диагностировать назревающие припадки

Махса Шоаран из лаборатории интегрированных нейротехнологий Инженерной школы в сотрудничестве со Стефани Лакур из лаборатории мягких биоэлектронных интерфейсов разработали NeuralTree — замкнутую систему нейромодуляции на чипе, которая может обнаруживать и облегчать симптомы заболеваний.

Благодаря 256-канальной сенсорной матрице высокого разрешения и энергоэффективному процессору машинного обучения система может извлекать и классифицировать широкий набор биомаркеров из данных пациентов и животных моделей заболеваний in-vivo, что приводит к высокой степени точности в предсказании симптомов.

NeuralTree выигрывает от точности нейронной сети и аппаратной эффективности алгоритма дерева решений, — говорит Шоаран.

Мы впервые смогли интегрировать такой сложный, но энергоэффективный нейронный интерфейс для задач двоичной классификации, таких как обнаружение судорог или тремора, а также для многоклассовых задач, таких как классификация движений пальцев для нейропротезирования.

Результаты работы были представлены на Международной конференции по твердотельным схемам IEEE 2022 года и опубликованы в журнале IEEE Journal of Solid-State Circuits, флагманском журнале сообщества интегральных схем.

Эффективность, масштабируемость и универсальность

NeuralTree функционирует путем извлечения из мозговых волн нейронных биомаркеров — паттернов электрических сигналов, которые, как известно, связаны с определенными неврологическими расстройствами. Затем прибор классифицирует сигналы и определяет, предвещают ли они надвигающийся эпилептический припадок или, например, паркинсоновский тремор. Если симптом обнаружен, то нейростимулятор, также расположенный на чипе, активируется и посылает электрический импульс для его блокировки.

Шоаран объясняет, что уникальный дизайн NeuralTree обеспечивает системе беспрецедентную эффективность и универсальность по сравнению с современными разработками. Чип имеет 256 входных каналов, по сравнению с 32 для предыдущих встроенных устройств машинного обучения, что позволяет обрабатывать больше данных.

Эффективный по площади дизайн чипа означает, что он также очень мал (3,48 мм2), что дает ему большой потенциал для масштабирования на большее количество каналов. Интеграция алгоритма обучения «energy-aware», который ограничивает функции, потребляющие много энергии, также делает NeuralTree очень энергоэффективным.

В дополнение к этим преимуществам система может обнаруживать более широкий спектр симптомов, чем другие устройства, которые до сих пор были сосредоточены в основном на обнаружении эпилептических припадков. Алгоритм машинного обучения чипа был натренирован на массивах данных пациентов с эпилепсией и болезнью Паркинсона и точно классифицировал предварительно записанные нейронные сигналы из обеих категорий.

Насколько нам известно, это первая демонстрация обнаружения паркинсонического тремора с помощью классификатора на кристалле, — говорит Шоаран.

Самообновляющиеся алгоритмы

Шоаран стремится сделать нейроинтерфейсы более интеллектуальными, чтобы обеспечить эффективный контроль заболеваний, и уже предвкушает дальнейшие инновации.

В конечном итоге мы сможем использовать нейронные интерфейсы для лечения множества различных расстройств, и для этого нам нужны идей алгоритмов и прогресс в разработке чипов. Эта работа носит междисциплинарный характер, поэтому она также требует сотрудничества с такими лабораториями, как Лаборатория мягких биоэлектронных интерфейсов, которая может разрабатывать самые современные нейронные электроды, или с лабораториями, имеющими доступ к качественным данным о пациентах.

В качестве следующего шага автор заинтересована в обеспечении возможности обновления алгоритмов на кристалле, чтобы идти в ногу с эволюцией нейронных сигналов.

Нейронные сигналы меняются, и поэтому со временем производительность нейронного интерфейса снижается. Мы всегда стараемся сделать алгоритмы более точными и надежными, и одним из способов сделать это может быть включение обновлений на кристалле, или алгоритмов, которые способны обновляться самостоятельно.

30.01.2023


Подписаться в Telegram



Здоровье

Frontiers in Allergy: Собаки способны учуять стресс по запаху дыхания человека
Frontiers in Allergy: Собаки способны учуять стресс по запаху дыхания человека

Чуткие носы собак способны распознать ранние п...

Cancer: Риск развития рака зависит от метаболического синдрома
Cancer: Риск развития рака зависит от метаболического синдрома

Новое исследование показывает, что люди с...

Nature Communications: В мигрирующих нейронах найден конус роста
Nature Communications: В мигрирующих нейронах найден конус роста

Мигрирующие нейроны обладают конусом роста, ко...

Cell: Открыта новая роль нейтрофилов в борьбе с раком
Cell: Открыта новая роль нейтрофилов в борьбе с раком

В исследовании, опубликованном в журнале ...

IEEE: Экзоскелет поможет перенесшим инсульт вернуться к нормальной жизни
IEEE: Экзоскелет поможет перенесшим инсульт вернуться к нормальной жизни

Портативное роботизированное устройство, котор...

NSMBio: Исследование проливает свет на истоки неврологических заболеваний
NSMBio: Исследование проливает свет на истоки неврологических заболеваний

Новое исследование, проведенное группой ученых...

Journal of the American Heart Association: Сидячий образ жизни приближает смерть
Journal of the American Heart Association: Сидячий образ жизни приближает смерть

Основываясь на десятилетних наблюдениях з...

Нервная анорексия у мужчин опасна для жизни
Нервная анорексия у мужчин опасна для жизни

Нервная анорексия поражает как мужчин, та...

Cell: Выяснилось, почему из-за конфет и жвачки без сахара бывают газы
Cell: Выяснилось, почему из-за конфет и жвачки без сахара бывают газы

Исследователи из Калифорнийского универси...

ИВЛ может травмировать менее эластичные легкие недоношенных
ИВЛ может травмировать менее эластичные легкие недоношенных

Многие недоношенные дети нуждаются в меха...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

EHJ-DH: Инструмент на основе ИИ успешно предсказывает фатальный сердечный ритм
EHJ-DH: Инструмент на основе ИИ успешно предсказывает фатальный сердечный ритм
Frontiers in Allergy: Собаки способны учуять стресс по запаху дыхания человека
Frontiers in Allergy: Собаки способны учуять стресс по запаху дыхания человека
Chem: Имплантируемые батареи могут работать на собственном кислороде организма
Chem: Имплантируемые батареи могут работать на собственном кислороде организма
NREE: Виноградари всего мира бьют тревогу из-за изменения климата
NREE: Виноградари всего мира бьют тревогу из-за изменения климата
Current Biology: У бенгальских кошек в ДНК лишь несколько процентов от леопарда
Current Biology: У бенгальских кошек в ДНК лишь несколько процентов от леопарда
В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом
В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом
В двумерных сверхпроводниках открыта незаметная квантовая критическая точка
В двумерных сверхпроводниках открыта незаметная квантовая критическая точка
Ученые предложили способ узнать, когда именно появляется сознание у младенцев
Ученые предложили способ узнать, когда именно появляется сознание у младенцев
Воздействие табака до рождения повышает риск развития диабета 2 типа у взрослых
Воздействие табака до рождения повышает риск развития диабета 2 типа у взрослых
Рост эффективности бифункциональных катализаторов удешевит производства водорода
Рост эффективности бифункциональных катализаторов удешевит производства водорода
Science: Облик будущих партнеров запечатлен у бабочек Heliconius в генах
Science: Облик будущих партнеров запечатлен у бабочек Heliconius в генах
NMI: Создана модель ИИ для разработки новых антибиотиков против супербактерий
NMI: Создана модель ИИ для разработки новых антибиотиков против супербактерий
2-фотонная фотоэмиссионная спектроскопия помогла понять поведение электронов
2-фотонная фотоэмиссионная спектроскопия помогла понять поведение электронов
Низкий социальный статус повышает риск проблем со здоровьем из-за алкоголизма
Низкий социальный статус повышает риск проблем со здоровьем из-за алкоголизма
BioDesign Research: Для производства каротиноидов разработали специальные дрожжи
BioDesign Research: Для производства каротиноидов разработали специальные дрожжи

Новости компаний, релизы

НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
«Инструменты инновационного развития»
«Инструменты инновационного развития»
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса