Certaines des recherches les plus exotiques impliquant le magnétisme sont parrainées par la US Defense Advanced Research Projects Agency, connue sous le nom de DARPA.

L’un de leurs programmes, littéralement, laisse perplexe car il explore des domaines autrefois considérés comme le domaine de la science-fiction et pourrait conduire à de nouvelles percées médicales.

Dans le cadre de son programme de neurotechnologie non chirurgicale de nouvelle génération (N3), des scientifiques de laboratoires de recherche prestigieux explorent comment créer des interfaces cerveau-machine portables qui pourraient à terme permettre diverses applications de sécurité nationale telles que le contrôle de systèmes de cyberdéfense actifs et d’essaims de véhicules aériens sans pilote, ou faire équipe avec des systèmes informatiques pour effectuer plusieurs tâches lors de missions complexes.

L’agence a récemment accordé un financement à six organisations pour la deuxième phase du programme qui a débuté en 2018. À la tête du programme, le Battelle Memorial Institute, l’Université Carnegie Mellon, le Laboratoire de physique appliquée de l’Université Johns Hopkins, le Centre de recherche Palo Alto (PARC), l’Université Rice, et Teledyne Scientific ainsi que d’autres institutions faisant office de collaborateurs.

Plusieurs des projets sont étroitement liés aux effets du magnétisme et à la technologie. Nous avons contacté la DARPA et les équipes du projet pour obtenir des détails sur deux d’entre eux, en particulier – le projet Brainstorm dirigé par Battelle et le projet MOANA confié à l’Université Rice.

« La DARPA se prépare à un avenir dans lequel une combinaison de systèmes sans pilote, d’intelligence artificielle et de cyber-opérations peut provoquer des conflits dans des délais trop courts pour que les humains puissent les gérer efficacement avec la seule technologie actuelle », a déclaré Al Emondi, le N3 gestionnaire de programme.

«En créant une interface cerveau-machine plus accessible qui ne nécessite pas de chirurgie, la DARPA pourrait fournir des outils qui permettent aux commandants de mission de rester impliqués de manière significative dans des opérations dynamiques qui se déroulent à une vitesse rapide.»

Pour que la population militaire principalement valide puisse bénéficier de la neurotechnologie, des interfaces non chirurgicales sont nécessaires.

Pourtant, en fait, une technologie similaire pourrait également grandement bénéficier aux populations cliniques. En supprimant le besoin de chirurgie, les systèmes N3 cherchent à élargir le bassin de patients pouvant accéder à des traitements tels que la stimulation cérébrale profonde pour gérer les maladies neurologiques.

Les équipes N3 poursuivent une gamme d’approches qui utilisent l’optique, l’acoustique et l’électromagnétisme pour enregistrer l’activité neuronale et renvoyer des signaux au cerveau à haute vitesse et résolution.

La recherche est partagée entre deux pistes.

Les équipes recherchent soit des interfaces complètement non invasives qui sont entièrement externes au corps, soit des systèmes d’interfaces minutieusement invasives qui incluent des nanotransducteurs qui peuvent être délivrés temporairement et de manière non chirurgicale au cerveau pour améliorer la résolution du signal.

Des neurotechnologies non invasives telles que l’électroencéphalogramme et la stimulation transcrânienne à courant continu existent déjà, mais n’offrent pas la précision, la résolution du signal et la portabilité requises pour les applications avancées par les personnes travaillant dans des environnements réels.

La technologie N3 envisagée dépasse les limites de la technologie existante en fournissant un dispositif intégré qui ne nécessite pas d’implantation chirurgicale mais qui a la précision de lire et d’écrire sur 16 canaux indépendants dans un volume de 16 mm3 de tissu neural en 50 ms.

Chaque canal est capable d’interagir spécifiquement avec des régions submillimétriques du cerveau avec une spécificité spatiale et temporelle comparable aux approches invasives existantes. Des dispositifs individuels peuvent être combinés pour offrir la possibilité de s’interfacer à plusieurs points du cerveau à la fois.

Pour permettre de futures interfaces cerveau-machine non invasives, les chercheurs de N3 travaillent à développer des solutions qui répondent à des défis tels que la physique de la diffusion et l’affaiblissement des signaux lorsqu’ils traversent la peau, le crâne et les tissus cérébraux, ainsi que la conception d’algorithmes de décodage. et coder des signaux neuronaux qui sont représentés par des modalités telles que l’énergie lumineuse, acoustique ou électromagnétique.

« Si N3 réussit, nous nous retrouverons avec des systèmes d’interface neuronale portables capables de communiquer avec le cerveau sur une distance de quelques millimètres seulement, déplaçant la neurotechnologie au-delà de la clinique et vers une utilisation pratique pour la sécurité nationale », a déclaré Emondi. « Tout comme les militaires mettent un équipement de protection et tactique en vue d’une mission, à l’avenir, ils pourraient mettre un casque contenant une interface neuronale, utiliser la technologie selon les besoins, puis mettre l’outil de côté une fois la mission terminée. »

Projet BrainSTORMS de Battelle pour les transducteurs EM

Pour le projet BrainSTORMS, l’équipe Battelle, dirigée par le chercheur principal, le Dr Patrick Ganzer, vise à développer un système d’interface minutieusement invasif qui associe un émetteur-récepteur externe à des nanotransducteurs électromagnétiques qui sont délivrés de manière non chirurgicale aux neurones d’intérêt.

Les nanotransducteurs convertiraient les signaux électriques des neurones en signaux magnétiques pouvant être enregistrés et traités par l’émetteur-récepteur externe, et vice versa, pour permettre une communication bidirectionnelle.

« Chez Battelle, nous sommes enthousiasmés par le programme BrainSTORMS (Brain System to Transmit Or Receive Magnetoelectric Signals) », a commenté Ganzer. « Nous continuons à travailler sur la deuxième phase de développement d’une interface cerveau-ordinateur (BCI) bidirectionnelle haute performance pour des applications cliniques ou pour une utilisation par des militaires valides. »

« Notre travail se concentre sur les nanotransducteurs magnétoélectriques (MEnT) localisés dans le tissu neural pour un interfaçage neuronal bidirectionnel ultérieur. Nos recherches préliminaires nous donnent un degré élevé de confiance dans le succès des programmes et nous serions négligents si nous ne rendions pas hommage à notre incroyable équipe qui comprend Cellular Nanomed Inc., l’Université de Miami, l’Université d’Indiana-Université Purdue d’Indianapolis, l’Université Carnegie Mellon , l’Université de Pittsburgh et l’Air Force Research Laboratory.

Projet BrainSTORMS Fig. 1

La figure 1 décrit l’approche originale de la phase 1, dans laquelle les MEnT sont d’abord injectés dans le système circulatoire, localisés dans le tissu cérébral à l’aide d’un gradient de champ magnétique, puis interagissent avec le tissu neural et les champs magnétiques appliqués pour fournir un interfaçage neural non chirurgical.

Les métriques du programme N3 ont été obtenues au cours de la phase 1, en tirant parti de l’expertise multimodale de l’équipe BrainSTORMS dans les domaines de l’électromagnétisme, des matériaux nanométriques et de la neurophysiologie. Les efforts de la phase 2 se concentreront sur le développement des MEnT pour écrire des informations dans le cerveau.

Tests pour BrainSTORMS

La plupart des recherches actuelles sur le BCI, y compris la technologie NeuroLife de Battelle, se concentrent sur l’aide aux personnes handicapées qui doivent subir des procédures d’implantation invasives, y compris une chirurgie cérébrale, pour permettre un BCI qui peut restaurer la fonction perdue.

Dans l’approche BrainSTORMS, cependant, le nanotransducteur pourrait être introduit temporairement dans le corps par injection, puis dirigé vers une zone spécifique du cerveau pour aider à accomplir une tâche grâce à la communication avec un émetteur-récepteur basé sur un casque. Une fois terminé, le nanotransducteur pourrait être guidé magnétiquement hors du cerveau et dans la circulation sanguine pour être traité hors du corps.

Le nanotransducteur utiliserait des nanoparticules magnétoélectriques pour établir un canal de communication bidirectionnel avec le cerveau.

Les neurones du cerveau fonctionnent grâce à des signaux électriques. Le noyau magnétique des nanotransducteurs convertirait les signaux électriques neuronaux en signaux magnétiques qui seraient envoyés à travers le crâne jusqu’à l’émetteur-récepteur à base de casque porté par l’utilisateur. L’émetteur-récepteur du casque pourrait également renvoyer des signaux magnétiques aux nanotransducteurs où ils seraient convertis en impulsions électriques capables d’être traitées par les neurones, permettant une communication bidirectionnelle vers et depuis le cerveau.

Parmi les collaborateurs se trouve Sakhrat Khizroev de l’Université de Miami, qui a dirigé les efforts de synthèse et de caractérisation des nanoparticules. En collaboration avec Ping Liang, Khizroev a été le pionnier des nanotransducteurs magnétoélectriques pour les applications médicales. Cellular Nanomed Inc., une petite entreprise californienne dirigée par Liang, développe la technologie des émetteurs-récepteurs externes.

MOANA (Accès Neural Magnétique, Optique et Acoustique) dirigé par Rice University

Projet MOANA Fig. 1

Le projet Moana, dirigé par une équipe de l’équipe de l’Université Rice sous la direction du chercheur principal, le Dr Jacob Robinson, vise à développer un système bidirectionnel et minutieusement invasif pour l’enregistrement et l’écriture dans le cerveau. Pour la fonction d’enregistrement, l’interface utilisera la tomographie optique diffuse pour déduire l’activité neuronale en mesurant la diffusion de la lumière dans le tissu neural. Pour activer la fonction d’écriture, l’équipe utilisera une approche magnéto-génétique pour rendre les neurones sensibles aux champs magnétiques.

« L’électronique de puissance personnalisée développée par nos collaborateurs Angel Peterchev et Stefan Goetz de l’Université Duke nous permet d’augmenter légèrement la température de nanoparticules spécifiques pouvant être injectées dans un modèle animal », explique Robinson, professeur agrégé ECE et BioE à Rice.

« Lorsqu’elles sont chauffées, ces nanoparticules fabriquées par le laboratoire de Gang Bao à Rice peuvent activer des cellules cérébrales d’insectes génétiquement modifiées sélectionnées. En utilisant différentes amplitudes et intensités de champ des champs magnétiques, nous avons montré que nous pouvons rapidement activer et désactiver des comportements spécifiques chez les mouches des fruits en utilisant un champ magnétique appliqué à distance. À l’avenir, et en collaboration avec la FDA américaine, nous espérons utiliser des technologies similaires pour activer à distance des neurones spécifiques dans le cortex visuel des humains afin d’aider à redonner la vue aux personnes souffrant de cécité.

Projet MOANA Fig. 2

L’objectif est de concevoir une interface cerveau-ordinateur à large bande passante sans avoir besoin d’un dispositif implanté chirurgicalement. Le dispositif consistera en un réseau de puces métalliques complémentaires flexibles en métal-oxyde-semiconducteur (CMOS) qui peuvent se conformer à la surface du cuir chevelu et mettre en œuvre notre technologie de lecture optique basée sur la tomographie optique diffuse fonctionnelle à temps de vol (ToFF-DOT) .

En outre, un réseau de stimulation magnétique sera installé dans un capuchon de tête pour activer des canaux ioniques sensibles magnétiques génétiquement modifiés. Cette technologie de stimulation et de lecture communiquera sans fil avec une station de base et se repliera dans un volume < 125 cm3. Le système modulaire est prévu pour être configurable pour couvrir n’importe quelle partie de la tête pour s’interfacer avec plusieurs régions corticales.

Au cours de la phase 1, l’équipe a identifié une technologie de stimulation magnétique génétiquement ciblée qui permet d’obtenir une stimulation spécifique au type cellulaire avec une résolution spatiale définie par la distribution de cellules génétiquement modifiées (< 1 mm) et avec une résolution temporelle approchant 10 ms, comme illustré à la Fig. 1. Leurs travaux ont montré une amélioration de plus de 10 fois de la résolution temporelle par rapport à la stimulation magnétogénétique de pointe.

Ils ont également réussi, comme le montre la figure 2, à retirer avec succès la puce MOANA et à concevoir un prototype de patch flexible pour l’imagerie d’un fantôme cérébral à travers un fantôme de crâne de 5 mm. La capacité de comptage de photons répondait aux spécifications de conception d’un système ToFF-DOT intégré.

Parmi les autres réalisations de la phase 1, figurent des efforts dans la technologie d’écriture qui a permis d’obtenir une administration ciblée et non invasive de virus chez la souris, démontrant une stimulation magnétique rapide dans les cellules de mammifères ; également dans la livraison virale en utilisant des grappes de nanocristaux d’oxyde de fer magnétique de noyau/coque avec une efficacité de chauffage magnétique élevée et un multiplexage magnétothermique.

Au cours de la phase 2, l’équipe vise à faire avancer ses travaux vers l’objectif d’atteindre la démonstration chez l’homme au cours de la phase 3. Parmi les objectifs de la phase 3, citons la réalisation de lectures non chirurgicales, l’écriture avec la magnétogénétique et la démonstration du cerveau en boucle fermée. lien MOANA au cerveau chez l’homme.

D’autres projets N3 impliquent également la science et la technologie magnétique :

L’équipe PARC, dirigée par le chercheur principal Dr Krishnan Thyagarajan, vise à développer un dispositif acousto-magnétique totalement non invasif pour écrire dans le cerveau. Leur approche associe des ondes ultrasonores à des champs magnétiques pour générer des courants électriques localisés pour la neuromodulation. L’approche hybride offre le potentiel d’une neuromodulation localisée plus profondément dans le cerveau.

L’équipe de Teledyne, dirigée par le chercheur principal, le Dr Patrick Connolly, vise à développer un dispositif intégré entièrement non invasif qui utilise des magnétomètres micro-pompés optiquement pour détecter de petits champs magnétiques localisés en corrélation avec l’activité neuronale. L’équipe utilisera des ultrasons focalisés pour écrire sur les neurones.

Pour plus d’informations, voir  www.darpa.mil .


Source



Pour en savoir plus sur la technologie magnétique et les vaccins Covid, voir tous les articles de La Quinta Columna, sur Scandal.


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