Ny metod lyckas hantera och lagra data från miljoner nervceller – i realtid

Ny metod lyckas hantera och lagra data från miljoner nervceller – i realtid
Utvecklingen inom neurovetenskapen ställer höga krav på sofistikerad datahantering, inte minst då man med implanterbara så kallade Brain Machine Interfaces upprättar elektronisk kommunikation mellan hjärnans nervceller och datorer. En ny metod som utvecklats av forskare vid Lunds universitet gör det möjligt att koda om hjärnans signaler till ett format som datorns processorer kan använda direkt.

Lundaforskarna använde simulerade registreringar från nervceller för att utvärdera systemet. De kunde då visa att de samtidigt kan samla in data från mer än en miljon nervceller, analysera informationen och sedan skicka tillbaka återkoppling inom loppet av några millisekunder.

– Metoden kommer ge oss möjlighet att på bästa sätt ta vara på de högkvalitativa och stabila registreringar som vi kan göra med elektroder utvecklade inom Neuronano Research Center, säger Jens Schouenborg, professor i neurofysiologi vid Lunds universitet och en av forskarna bakom studien.

De senaste årens framsteg inom hjärnforskningen har medfört stora utmaningar när det gäller att hantera mängden information som genereras när man ”lyssnar” på och kommunicerar med ett stort antal av hjärnans nervceller, något som är aktuellt både inom grundforskning, klinisk diagnostik och behandling.

Oavsett om det handlar om att med hjälp av signalerna från nervcellerna hos en totalförlamad patient styra en robotarm, eller att med hjälp av information från nervcellerna avslöja ett annalkande epileptiskt anfall, så krävs extremt snabb hantering och tolkning av den stora mängden biologiska data som genereras.

Forskare på Neuronano Research Center vid Lunds universitet har utvecklat ett sätt som gör det möjligt att i realtid kommunicera med miljoner nervceller samtidigt.
– Genom att koda om nervcellssignalerna direkt till så kallad bit-kod, ökar lagringskapaciteten rejält. Men den största vinsten ligger i att vi tack vare detta lagrar informationen på ett sätt så att den snabbt blir tillgänglig för datorernas processorer, förklarar Jens Schouenborg.

Förutom det stora antalet nervceller och mängden information i signalerna från varje cell så består utmaningen i att man också måste kunna simultantolka informationen för att kunna få en meningsfull kommunikation med hjärnan.
Lundaforskarna har kunnat visa att de samtidigt kan samla in data från mer än en miljon nervceller, analysera informationen och sedan skicka tillbaka återkoppling inom loppet av några millisekunder.

Martin Garwicz, en av forskarna bakom studien, beskriver hur forskarnas metod skiljer sig från andra sätt att analysera nervcellers aktivitet, baserat på till exempel EEG, då elektroder sätts utanpå kraniet.
– Antag att du vill höra vad tio personer i rummet bredvid samtalar om. Lyssnar du med örat mot väggen hör du bara ett mummel, men om du sätter en mikrofon på varje person i rummet har du helt nya möjligheter att förstå samtalet. Och tänk dig sedan att du kan lyssna på en miljon individer, hitta mönster i vad som förmedlas och direkt agera på det – det är det som vår nya metod möjliggör, säger Martin Garwicz, professor i neurofysiologi vid Lunds universitet.

Metoden som forskarna utvecklat gör en dubbelriktad kommunikation med enskilda nervceller möjlig.
– En stor fördel med den här arkitekturen och dataformatet är att det inte krävs någon ytterligare översättning, hjärnans signaler översätts direkt till bit-kod. Detta innebär en stor fördel inom all kommunikation mellan hjärnan och datorer, inte minst när det gäller kliniska tillämpningar, säger Bengt Ljungquist, försteförfattare på studien och doktorand vid Lunds universitet.

Publikation
A Bit-Encoding Based New Data Structure for Time and Memory Efficient Handling of Spike Times in an Electrophysiological Setup
Neuroinformatics, 5 mars 2018, https://doi.org/10.1007/s12021-018-9367-z