मिशिगन टेक के शोधकर्ता पार्किंसंस रोगियों के लिए ‘स्मार्ट’ डीप ब्रेन स्टिमुलेशन सिस्टम विकसित करते हैं

मिशिगन टेक्नोलॉजिकल यूनिवर्सिटी के शोधकर्ता पार्किंसंस रोग के इलाज के लिए उपयोग की जाने वाली गहरी मस्तिष्क उत्तेजना प्रणालियों की प्रभावशीलता और ऊर्जा दक्षता में सुधार के लिए न्यूरोमॉर्फिक कंप्यूटिंग का उपयोग कर रहे हैं।

वर्तमान में लाइलाज, पार्किंसंस रोग एक neurodegenerative विकार है जो दुनिया भर में लाखों लोगों को प्रभावित करता है। डीप ब्रेन स्टिमुलेशन (डीबीएस) दवाओं का एक विकल्प है जो प्रभावी हैं लेकिन प्रभावशीलता खो देते हैं क्योंकि रोगी दवा प्रतिरोध विकसित करते हैं। समय के साथ, स्थिति को नियंत्रित करने और संभावित गंभीर दुष्प्रभावों के साथ आने के लिए दवा की बड़ी खुराक आवश्यक हो जाती है। डीबीएस एक विकल्प है।

रोगियों के लिए गहरी मस्तिष्क उत्तेजना प्रणाली में सुधार

डीबीएस सिस्टम दिमाग के लिए पेसमेकर की तरह काम करता है। वे दबा देते हैं। पार्किंसंस रोग के मोटर लक्षणधीमी या विलंबित गतिविधियों (जिसे ब्रैडीकिनेसिया कहा जाता है), कंपकंपी और कठोरता सहित मस्तिष्क में एक विशिष्ट लक्ष्य में प्रत्यारोपित एक इलेक्ट्रोड, छाती में बैटरी से चलने वाले उपकरण का उपयोग करके विद्युत आवेगों का उत्सर्जन करता है।

निदान किए गए लोगों के लिए डीबीएस प्रणाली जीवन बदल सकती है। पार्किंसंस रोग. लेकिन बैटरी लाइफ एक चुनौती है। वर्तमान उपकरण एक इम्प्लांटेबल पल्स जनरेटर (आईपीजी) का उपयोग करते हैं, जो रोगी की चिकित्सा स्थिति की परवाह किए बिना मस्तिष्क को निरंतर आवृत्ति पर उत्तेजना संकेत भेजने के लिए शल्य चिकित्सा से छाती या पेट में डाला जाता है। गैर-रिचार्जेबल बैटरी लगभग दो से पांच साल तक चलती हैं। बैटरी बदलना मरीजों के लिए विनाशकारी हो सकता है। इसके लिए एक शल्य प्रक्रिया की आवश्यकता होती है। और IPG की निरंतर उत्तेजना अवांछित दुष्प्रभाव पैदा कर सकती है।

बायोमेडिकल इंजीनियरिंग के एक सहायक प्रोफेसर चुन्जिउ (ट्रेसी) यू, इलेक्ट्रिकल और कंप्यूटर इंजीनियरिंग के एक सहायक प्रोफेसर होंगयु एन के साथ, एक अलग उपकरण का उपयोग करके एक रणनीति विकसित करने के लिए अपनी शोध टीमों के साथ काम कर रहे हैं: न्यूरोमोर्फिक कंप्यूटिंग।

मस्तिष्क से प्रेरित कंप्यूटिंग या के रूप में संदर्भित न्यूरोसाइंस द्वारा संचालित आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस, न्यूरोमॉर्फिक कंप्यूटिंग माइक्रोचिप्स और एल्गोरिदम का उपयोग करके तंत्रिका तंत्र का अनुकरण करती है। यह बेहद ऊर्जा कुशल भी है,” यू ने कहा।

“पार्किंसंस रोग के लिए गहरी मस्तिष्क उत्तेजना में सुधार के लिए न्यूरोमॉर्फिक कंप्यूटिंग का उपयोग बहुत नवीन है। हमारे ज्ञान के लिए, यह इस क्षेत्र में पहला प्रयास है।”ट्रेसी यू, बायोमेडिकल इंजीनियरिंग के सहायक प्रोफेसर

बंद-लूप स्मार्ट सिस्टम बुद्धिमान समायोजन प्रदान करता है।

बायोमेडिकल इंजीनियरिंग विभाग में U की ब्रेन-इंस्पायर्ड इंजीनियरिंग लैब और इलेक्ट्रिकल और कंप्यूटर इंजीनियरिंग विभाग में An की ब्रेन-इंस्पायर्ड इंजीनियरिंग लैब दोनों में अनुसंधान दल DBS सिस्टम को बेहतर बनाने के लिए रणनीति विकसित कर रहे हैं।

सहयोगी परियोजना एक बंद-लूप डीबीएस प्रणाली पर केंद्रित है जो रोगी के लक्षणों के अनुसार बुद्धिमानी से उत्तेजना संकेतों को समायोजित कर सकती है।

“अधिकांश मौजूदा डीबीएस सिस्टम ओपन-लूप हैं। ओपन-लूप डीबीएस दिन में 24 घंटे, साल में 365 दिन चलता है, यू ने कहा। ओपन-लूप सिस्टम ऊर्जा खपत में उच्च हैं, मस्तिष्क को निरंतर उत्तेजना प्रदान करते हैं। क्योंकि वास्तविक समय उपकरण के लिए लक्षण अज्ञात हैं।” यू ने समझाया, “एक बंद-लूप प्रणाली का उपयोग करने से हमें डीबीएस उपकरणों की ऊर्जा दक्षता में सुधार करने की अनुमति मिलती है। “रोगी के मस्तिष्क संकेतों का उपयोग चिकित्सीय संकेत उत्पन्न करने के लिए किया जाता है – एक उत्तेजना – आवश्यकतानुसार, वास्तविक समय में।”

लक्षण का पता लगाने के लिए स्पाइकिंग न्यूरल नेटवर्क का उपयोग करना

U&NK के क्लोज्ड-लूप डीबीएस की आधारशिला स्पिकिंग न्यूरल नेटवर्क या एसएनएन है, जो एक प्रकार का कृत्रिम न्यूरल नेटवर्क है। एसएनएन पार्किंसंस के लक्षणों का पता लगा सकते हैं और इष्टतम विद्युत उत्तेजना दालों को उत्पन्न कर सकते हैं।

एक ने समझाया, “एसएनएन के भीतर संचार संकेतों को वोल्ट में छोटे स्पाइक विद्युत दालों द्वारा दर्शाया जाता है।” “डिजिटल सिस्टम में, डेटा को उच्च और निम्न वोल्टेज द्वारा दर्शाया जाता है। उदाहरण के लिए, एक उच्च वोल्टेज एक तर्क का प्रतिनिधित्व करता है और एक निम्न वोल्टेज स्तर एक तर्क शून्य का प्रतिनिधित्व करता है। इस प्रकार, डिजिटल सिस्टम डेटा का प्रतिनिधित्व करते हैं। बाइनरी नंबरों में एनकोड करें।

एसएनएन में, डेटा को समय के साथ ले जाया जा सकता है, जैसे कि स्पाइक्स के बीच का अंतराल, एन के अनुसार। “नतीजतन, एसएनएन सिस्टम अन्य कृत्रिम तंत्रिका नेटवर्क की तुलना में अधिक ऊर्जा कुशल हैं,” उन्होंने कहा।

शोधकर्ताओं का नया क्लोज्ड-लूप डीबीएस सिस्टम एक विशिष्ट मस्तिष्क तरंग, या दोलन, बैंडविड्थ पर तंत्रिका गतिविधि को मापकर पार्किंसंस के लक्षणों की गंभीरता का आकलन करने में सक्षम है। दिया गति को नियंत्रित करने वाले मस्तिष्क के हिस्से बीटा दोलन उत्पन्न करते हैं।.

“हम बायोमार्कर के रूप में बीटा ऑसिलेटरी गतिविधि का उपयोग करते हैं क्योंकि यह भूकंपीय संकेतों जैसे अन्य स्रोतों की तुलना में बहुत तेजी से पता लगाया जा सकता है,” एक ने कहा। “यदि पता चला तंत्रिका गतिविधि असामान्य रूप से मजबूत है, तो यह पार्किंसंस रोग के अधिक गंभीर लक्षणों को इंगित करता है।”

ऐन की प्रयोगशाला में एसएनएन अत्याधुनिक न्यूरोमॉर्फिक चिप का उपयोग करते हुए काम करते हैं:
लांग इंटेल. इंटेल के सहयोग से, प्रयोगशाला पार्किंसंस रोग के रोगियों की सहायता के लिए चिप की अत्यधिक कुशल बुद्धि का उपयोग करने के तरीकों की खोज कर रही है।

“हमने पाया है कि न्यूरोमॉर्फिक चिप्स, जिसमें इंटेल लोही भी शामिल है, ऊर्जा दक्षता के मामले में अन्य कम्प्यूटेशनल प्लेटफार्मों को 109 गुना बेहतर प्रदर्शन करते हैं,” एक ने कहा।

एक और नवाचार: एन और यू ने एसएनएन की पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक मेमोरी को ए से बदल दिया स्मारक: अगली पीढ़ी के कंप्यूटर और इलेक्ट्रॉनिक्स में प्रयुक्त एक विद्युत घटक। एक मेमिस्टर एक मेमोरी चिप की तरह सूचनाओं को स्टोर कर सकता है और विद्युत सर्किट में एक अवरोधक की तरह विद्युत प्रवाह के प्रवाह को अवरुद्ध कर सकता है।

एक मेमिस्टर एक प्रतिरोधक की तरह दिखता है। अंतर यह है कि इसका प्रतिरोध परिवर्तनशील है। “ध्यान से डिज़ाइन किए गए संकेतों के साथ, एक मेमिस्टर के प्रतिरोध को कई या हजारों अलग-अलग प्रतिरोधों में परिवर्तित किया जा सकता है। यह सुविधा उन सूचनाओं की मात्रा को काफी बढ़ा देती है जिन्हें व्यक्तिगत यादों द्वारा संग्रहीत किया जा सकता है। कर सकते हैं,” ऐन ने कहा।

सिमुलेशन में, मेमिस्टर का उपयोग करने वाले डीबीएस सिस्टम छोटे चिप्स, तेज ट्रांसमिशन सिग्नल और कम ऊर्जा खपत का कारण बनते हैं।

“यह परिणाम बेहद आशाजनक है,” एक ने कहा।

कस्टम डीबीएस चिप डिजाइन करना अगला कदम है।

ऐन और यू विशेष रूप से बंद-लूप डीबीएस सिस्टम के लिए संयुक्त रूप से अपनी मेमोरी न्यूरोमॉर्फिक चिप डिजाइन करने की योजना बना रहे हैं।

एन ने कहा, “इन नए, अभिनव कम्प्यूटेशनल प्रतिमानों पर हमारा शोध – उभरते हुए एआई चिप्स के डिजाइन के साथ – मस्तिष्क पुनर्वास के लिए स्मार्ट चिकित्सा उपकरणों के आगे और तेजी से विकास के लिए एक नया द्वार खोलेगा।” “यहां तक ​​कि पहनने योग्य चिकित्सा उपकरण अब संभावना के दायरे में हैं।”

मिशिगन टेक में उनके छात्रों के लिए, चल रहे सहयोगी अनुसंधान एक तरह का अनूठा सीखने का अनुभव प्रदान करते हैं जो चिप डिजाइन, एआई, न्यूरोमॉर्फिक कंप्यूटिंग और मस्तिष्क-कंप्यूटर इंटरफेस पर काम करने के साथ आता है।

बायोमेडिकल इंजीनियरिंग के जैकब जैक्सन ’23 ने कहा, “नई गहरी मस्तिष्क उत्तेजना तकनीकों का पता लगाने का अवसर जो भविष्य में न्यूरोलॉजिकल स्थितियों वाले लोगों की मदद कर सकता है, प्रयोगशाला में काम करना और इस क्षेत्र में ज्ञान को आगे बढ़ाना मेरे लिए रोमांचक है।” ” एक मेजर जो यूके की एक लैब में रिसर्च करता है। वह गिरावट में मिशिगन टेक में अपना स्नातक कार्य शुरू करने की योजना बना रहा है। “मैं तंत्रिका इंजीनियरिंग अनुसंधान का इतना आनंद ले रहा हूं कि मुझे पता था कि यह मेरे लिए सही रास्ता था,” उन्होंने कहा।

मिशिगन टेक्नोलॉजिकल यूनिवर्सिटी एक सार्वजनिक शोध विश्वविद्यालय है जिसकी स्थापना 1885 में ह्यूटन, मिशिगन में हुई थी और इसमें दुनिया भर के 55 देशों के 7,000 से अधिक छात्र हैं। निवेश पर प्रतिफल के लिए लगातार देश के सर्वश्रेष्ठ विश्वविद्यालयों में शुमार, मिशिगन का प्रमुख तकनीकी विश्वविद्यालय विज्ञान और प्रौद्योगिकी, इंजीनियरिंग, कंप्यूटिंग, वानिकी, व्यवसाय और अर्थशास्त्र, स्वास्थ्य व्यवसायों, मानविकी, गणित, सामाजिक में 120 से अधिक स्नातक और स्नातक डिग्री कार्यक्रमों की पेशकश करता है। विज्ञान, और कला। सुपीरियर झील से कुछ मील की दूरी पर मिशिगन के ऊपरी प्रायद्वीप में ग्रामीण परिसर स्थित है, जो बाहरी रोमांच के लिए साल भर के अवसर प्रदान करता है।