[論文レビュー] Neurosciences and 6G: Lessons from and Needs of Communicative Brains

Renan C. Moioli, Pedro H. J. Nardelli+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2020

Molecular Communication and Nanonetworks参考文献 166被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、神経科学と6G無線通信の間で双方向的な統合を提唱し、超高信頼性・低遅延・高帯域幅を要するネットワークを必要とする新しいサービスパラダイム「脳型通信」（BTC）を導入する。6Gを活用した脳機械インターフェース（BMI）が、脳制御車両（BCV）のような高度な応用を可能にするとともに、混沌とした通信およびバイオナノモノのインターネット（IoBNT）を用いた神経科学分野の研究を促進し、2030–2035年までにスケーラブルでリアルタイムの神経通信システムを実現するというビジョンを提示する。

ABSTRACT

This paper presents the first comprehensive tutorial on a promising research field located at the frontier of two well-established domains: Neurosciences and wireless communications, motivated by the ongoing efforts to define how the sixth generation of mobile networks (6G) will be. In particular, this tutorial first provides a novel integrative approach that bridges the gap between these two, seemingly disparate fields. Then, we present the state-of-the-art and key challenges of these two topics. In particular, we propose a novel systematization that divides the contributions into two groups, one focused on what neurosciences will offer to 6G in terms of new applications and systems architecture (Neurosciences for Wireless), and the other focused on how wireless communication theory and 6G systems can provide new ways to study the brain (Wireless for Neurosciences). For the first group, we concretely explain how current scientific understanding of the brain would enable new application for 6G within the context of a new type of service that we dub braintype communications and that has more stringent requirements than human- and machine-type communication. In this regard, we expose the key requirements of brain-type communication services and we discuss how future wireless networks can be equipped to deal with such services. Meanwhile, for the second group, we thoroughly explore modern communication system paradigms, including Internet of Bio-nano Things and chaosbased communications, in addition to highlighting how complex systems tools can help bridging 6G and neuroscience applications. Brain-controlled vehicles are then presented as our case study. All in all, this tutorial is expected to provide a largely missing articulation between these two emerging fields while delineating concrete ways to move forward in such an interdisciplinary endeavor.

研究の動機と目的

• 新たな統合的フレームワークを通じて、神経科学と6G無線通信を橋渡しすること。
• 脳研究と次世代無線ネットワークとの相互利益を特定・体系化すること。
• 現在の5Gの能力を超える厳密な要件を満たす必要がある、新しいサービスクラスとして「脳型通信」（BTC）を提唱すること。
• 6G接続の高密度BMIと知能反射面（IRS）を用いて、スケーラブルな脳制御車両（BCV）の実現可能性を示すこと。
• 6Gが神経的コミュニケーション応用分野において、リアルタイムかつ高品質な身体的体験（QoPE）を実現する未来のビジョンを提示すること。

提案手法

• 『神経科学が無線通信に貢献する』（神経科学が6Gの応用を可能にする）と『無線通信が神経科学に貢献する』（6Gが神経科学の研究を可能にする）の二軸フレームワークを提唱する。
• 神経信号ダイナミクスに由来する遅延、信頼性、データレートの独自要件を持つ、新しい通信パラダイムとして脳型通信（BTC）を導入する。
• 情報理論および通信理論を用いて、混沌とした神経系およびスパiking神経系をモデル化・最適化し、BTC波形を分析する。
• 深層信念ネットワークおよびマルチクラス分類器を含む高度な信号処理技術を活用し、BCV用の神経制御信号を復号する。
• バイオナノモノのインターネット（IoBNT）、知能反射面（IRS）、拡張現実（XR）といった新技術を統合し、環境センシングおよびユーザーエクスペリエンスを強化する。
• 特に脳制御車両（BCV）を事例として採用し、6Gと神経科学的応用の間の相乗効果を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 脳の通信メカニズムからの知見は、次世代6G無線ネットワークの設計にどのように寄与できるか？
• RQ2 現在の5Gの能力を超える、脳型通信（BTC）の主要な技術的要件は何か？
• RQ3 6Gを活用した脳機械インターフェース（BMI）は、スケーラブルかつリアルタイムな脳制御車両（BCV）の制御をどのように可能にするか？
• RQ4 6Gネットワークは、IoBNT や混沌とした信号伝送といった新しい通信パラダイムを通じて、神経科学の研究をどのように強化できるか？
• RQ5 情報理論的ツールは、生物学的インスピレーションを受けるスパiking神経系における通信のモデリングおよび最適化に、どのように役立つか？

主な発見

• BTCは、現在の5Gの能力を超える超高信頼性・低遅延・高帯域幅を要する、新たな高要求通信サービスクラスとして特定された。
• 脳制御車両（BCV）は、6Gを活用した高密度BMIと知能反射面（IRS）を備えた場合にのみ、信頼性がありリアルタイムな制御が可能であることが示された。
• IoBNTと知能センサーネットワーク（ISN）の統合により、BCVの動的環境サンプリングおよび状況認識能力の向上が実現された。
• 混沌とした通信波形とスパiking系の情報理論的分析は、BTCのモデリングおよび最適化に向けた有望な道筋を示している。
• 将来的なシナリオでは、6Gが3次元ホログラフィックAR、BCVによるリアルタイムギフト配達、QoPEの保証といった複雑でマルチモーダルな応用をサポートできることを示した。
• 神経科学と6Gの統合により、スケーラブルでリアルタイムかつ高精細な神経通信システムが実現可能となり、BCVを越えて広範なBMIおよびIoBNTエコシステムへの応用が期待される。