На конференции IEEE Custom Integrated Circuits исследователи из Qualcomm, Университета Брауна и Калифорнийского университета Сан-Диего представили схему коммуникации для нейрогранул (neurograins) — миниатюрных беспроводных имплантатов площадью 0,25 мм?. Она обеспечивает двустороннюю связь с внешним устройством на частоте 30 МГц со скоростью передачи 10 Мбит/с и приёма 1 Мбит/с. Благодаря сети из таких имплантов нейроинтерфейсы следующего поколения перестали быть научной фантастикой.

Нейрокомпьютерные интерфейсы уже справились с несколькими удивительными задачами: они позволяют парализованным людям набирать слова и перемещать робота силой мысли. Профессор Брауновского университета — Арто Нурмикко — принимал участие в их решении этих задач, но даже он признаёт, что эти технологии находятся в зачаточном состоянии.

«Мы пытаемся перейти от сгибания пальцев к завязыванию шнурков и концерту на рояле. Это требует от нейроинтерфейса гораздо большей пространственной и временной детализации», — говорит Нурмикко. Его команда верит, что такой детализации можно будет достичь, перейдя от одиночных проводных зондов к сети из крошечных беспроводных имплантов.

Разработка нейрогранул началась в 2017 году, когда Университет Брауна получил грант на создание нейроинтерфейсов нового поколения. Каждое устройство состоит из антенны и чипа и работает как пассивная RFID-метка: улавливает внешний радиосигнал и использует полученную энергию для питания электрода, который считывает скачки напряжения от отдельных нейронов. Набор антенн снаружи головы обеспечивает нейрогранулы энергией и обменивается с ними информацией.

Для управления тысячью имплантов с одной антенны ученым и инженерам пришлось решить несколько сложных задач. Гранулы не могли синхронизировать время между собой, принимали сигнал разной мощности, из-за чего у них не было опорного напряжения для разделения максимумов и минимумов входящих битов.

«Мы должны были создать синхронизированную сеть без единой опорной точки и часов между узлами и использовать минимум мощности и минимум площади», — рассказывает Винсент Люнг, технический директор лаборатории Qualcomm в Калифорнийском университете Сан-Диего.

Решение нашли в виде маломощного компаратора напряжения и схемы коммутации, совместившей амплитудную манипуляцию с широтно-импульсной модуляцией (ASK with PWM). В этой схеме цифровому сигналу соответствует как изменение амплитуды, так и изменение длительности импульса. У каждого бита есть высокое и низкую значение. У «1» максимум импульса длится в два раза дольше следующего за ним минимума, а у «0» — в полтора раза. Это гарантирует, что сигнал может быть принят, даже если ни одна из гранул не синхронизирована и нет надежного опорного напряжения, с которым можно было бы сравнить их сигнал.

Для сбора информации, внешний контроллер подает инициирующий радиосигнал, а затем последовательно обращается к каждой нейрогрануле и даёт команду на передачу данных со скоростью 10 Мбит/с. При такой схеме, информация с тысячи имплантов будет собрана за 100 миллисекунд.

Теперь перед учёными встала другая задача: интегрировать чтение информации с нейронов и систему стимуляции. Но даже с этим дополнением нейрогранулы могут уменьшиться в десять раз, имплантация станет менее травматичной, а нас потенциально ждет дивный новый мир.