Ученые обнаружили крошечный мозговой чип, который передает мысли в режиме реального времени

Перспективность этой технологии заключается в ее чрезвычайно небольшом размере в сочетании с ее способностью передавать данные на очень высоких скоростях. Устройство, разработанное в результате сотрудничества Колумбийского университета, Нью-Йоркской пресвитерианской больницы, Стэнфордского университета и Пенсильванского университета, представляет собой интерфейс мозг-компьютер (BCI), построенный на одном кремниевом чипе. Этот чип образует беспроводную связь с высокой пропускной способностью между мозгом и внешними компьютерами. Эта система известна как система биологического интерфейса с корой головного мозга (BISC).

Исследование, опубликованное 8 декабря в Природная электроника описывает архитектуру BISC, которая включает в себя имплантат на основе чипа, носимую «релейную станцию» и программное обеспечение, необходимое для работы платформы. «Большинство имплантируемых систем построены вокруг контейнера с электроникой, который занимает огромные объемы пространства внутри тела», — говорит Кен Шепард, профессор электротехники семьи Лау, профессор биомедицинской инженерии и профессор неврологических наук в Колумбийском университете, который был одним из старших авторов и руководил инженерными работами. «Наш имплантат представляет собой единый чип интегральной схемы, который настолько тонкий, что может скользить в пространство между мозгом и черепом, опираясь на мозг, как кусок влажной папиросной бумаги».

Преобразование коры головного мозга в высокоскоростной интерфейс

Шепард тесно сотрудничал со старшим и соавтором-корреспондентом Андреасом С. Толиасом, доктором философии, профессором Института глаз Байерса при Стэнфордском университете и директором-соучредителем проекта «Энигма». Обширный опыт Толиаса в обучении систем искусственного интеллекта на крупномасштабных нейронных записях, в том числе собранных с помощью BISC, помог команде проанализировать, насколько хорошо имплантат может декодировать активность мозга. «BISC превращает кортикальную поверхность в эффективный портал, обеспечивая высокоскоростную и минимально инвазивную связь чтения и записи с искусственным интеллектом и внешними устройствами», — говорит Толиас. «Его одночиповая масштабируемость открывает путь к адаптивным нейропротезам и интерфейсам мозг-ИИ для лечения многих нервно-психических расстройств, таких как эпилепсия».

Доктор Бретт Янгерман, доцент кафедры неврологической хирургии Колумбийского университета и нейрохирург Ирвингского медицинского центра Нью-Йоркского пресвитерианского/Колумбийского университета, был главным клиническим соавтором проекта. «Это устройство с высоким разрешением и высокой пропускной способностью данных может произвести революцию в лечении неврологических заболеваний — от эпилепсии до паралича», — говорит он. Янгерман, Шепард и невролог по эпилепсии из Нью-Йорка и Колумбии, доктор Кэтрин Шевон, недавно получили грант Национального института здравоохранения на использование BISC для лечения лекарственно-устойчивой эпилепсии. «Ключом к созданию эффективных устройств интерфейса мозг-компьютер является максимизация потока информации в мозг и из него, при этом делая устройство минимально инвазивным при хирургической имплантации. BISC превосходит предыдущие технологии на обоих фронтах», — добавляет Янгерман.

«Полупроводниковая технология сделала это возможным, позволив вычислительной мощности компьютеров размером с комнату теперь помещаться в вашем кармане», — говорит Шепард. «Сейчас мы делаем то же самое с медицинскими имплантатами, позволяя сложной электронике существовать в организме, почти не занимая при этом места».

Инжиниринг нового поколения BCI

BCI функционируют путем подключения к электрическим сигналам, используемым нейронами для общения. Современные BCI медицинского уровня обычно основаны на нескольких отдельных микроэлектронных компонентах, таких как усилители, преобразователи данных и радиопередатчики. Эти части необходимо хранить в относительно большом имплантированном контейнере, помещаемом либо путем удаления части черепа, либо в другую часть тела, например, в грудь, с проводами, идущими к мозгу.

BISC устроен по-другому. Вся система размещена на одной комплементарной интегральной схеме металл-оксид-полупроводник (КМОП), толщина которой уменьшена до 50 мкм и занимает менее 1/1000 объема стандартного имплантата. Общим размером около 3 мм.³Гибкий чип может изгибаться в соответствии с поверхностью мозга. Это устройство микроэлектрокортикографии (µECoG) содержит 65 536 электродов, 1024 канала записи и 16 384 канала стимуляции. Поскольку чип производится с использованием методов производства полупроводниковой промышленности, он подходит для крупномасштабного производства.

Чип объединяет радиоприемопередатчик, беспроводную цепь питания, цифровую управляющую электронику, систему управления питанием, преобразователи данных и аналоговые компоненты, необходимые как для записи, так и для стимуляции. Внешняя ретрансляционная станция обеспечивает передачу энергии и данных через специальную сверхширокополосную радиосвязь, скорость которой достигает 100 Мбит/с, что как минимум в 100 раз выше, чем у любого другого беспроводного BCI, доступного в настоящее время. Ретрансляционная станция, работающая как устройство Wi-Fi 802.11, эффективно соединяет любой компьютер с имплантатом.

BISC включает в себя собственный набор команд и комплексную программную среду, образуя специализированную вычислительную систему для мозговых интерфейсов. Запись с высокой пропускной способностью, продемонстрированная в этом исследовании, позволяет обрабатывать сигналы мозга с помощью передовых алгоритмов машинного и глубокого обучения, которые могут интерпретировать сложные намерения, опыт восприятия и состояния мозга.

«Объединив все на одном кристалле, мы показали, как мозговые интерфейсы могут стать меньше, безопаснее и значительно мощнее», — говорит Шепард.

Передовое производство полупроводников

Имплантат BISC был изготовлен с использованием технологии TSMC Bipolar-CMOS-DMOS (BCD) 0,13 мкм. Этот метод изготовления объединяет три полупроводниковые технологии в один чип для производства интегральных схем (ИС) смешанных сигналов. Он позволяет цифровой логике (из КМОП), сильноточным и высоковольтным аналоговым функциям (из биполярных и DMOS транзисторов) и силовым устройствам (из DMOS) эффективно работать вместе, и все это важно для производительности BISC.

Переход от лаборатории к клиническому использованию

Чтобы перевести систему в реальное медицинское использование, группа Шепарда сотрудничала с Янгерманом из Медицинского центра Ирвинга Нью-Йоркского пресвитерианского/Колумбийского университета. Они разработали хирургические процедуры для безопасного размещения тонкого имплантата в доклинической модели и подтвердили, что устройство обеспечивает высококачественные и стабильные записи. Краткосрочные интраоперационные исследования на людях уже проводятся.

«Эти первоначальные исследования дают нам бесценные данные о том, как устройство работает в реальных хирургических условиях», — говорит Янгерман. «Имплантаты могут быть вставлены через минимально инвазивный разрез в черепе и скользить непосредственно на поверхность мозга в субдуральном пространстве. Тонкий как бумага форм-фактор и отсутствие проникающих в мозг электродов или проводов, привязывающих имплантат к черепу, минимизируют реактивность тканей и деградацию сигнала с течением времени».

Обширная доклиническая работа в моторной и зрительной коре проводилась под руководством доктора Толиаса и Биджана Песарана, профессора нейрохирургии Пенсильванского университета, признанных лидеров в области вычислительной и системной нейробиологии.

«Чрезвычайная миниатюризация BISC очень интересна как платформа для новых поколений имплантируемых технологий, которые также взаимодействуют с мозгом с помощью других модальностей, таких как свет и звук», — говорит Песаран.

BISC был разработан в рамках программы проектирования нейроинженерных систем Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства обороны (DARPA) и опирается на глубокий опыт Колумбийского университета в области микроэлектроники, передовые программы нейробиологии в Стэнфорде и Пенсильвании, а также хирургические возможности Медицинского центра Ирвинга Нью-Йоркского пресвитерианского/Колумбийского университета.

Коммерческое развитие и будущая интеграция искусственного интеллекта

Чтобы приблизить технологию к практическому использованию, исследователи из Колумбии и Стэнфорда создали Kampto Neurotech, стартап, основанный выпускником Колумбийского университета в области электротехники доктором Нанью Цзэном, одним из ведущих инженеров проекта. Компания производит готовые к исследованиям версии чипа и работает над обеспечением финансирования для подготовки системы к использованию на пациентах.

«Это принципиально иной способ создания устройств BCI», — говорит Цзэн. «Таким образом, BISC обладает технологическими возможностями, которые на много порядков превосходят возможности конкурирующих устройств».

Поскольку искусственный интеллект продолжает развиваться, BCI набирает обороты как для восстановления утраченных способностей у людей с неврологическими расстройствами, так и для потенциальных будущих приложений, которые улучшают нормальное функционирование посредством прямой связи мозга с компьютером.

«Объединяя нейронную запись сверхвысокого разрешения с полностью беспроводной работой и сочетая ее с передовыми алгоритмами декодирования и стимуляции, мы движемся к будущему, в котором мозг и системы искусственного интеллекта смогут беспрепятственно взаимодействовать — не только для исследований, но и на благо человечества», — говорит Шепард. «Это может изменить то, как мы лечим расстройства мозга, как мы взаимодействуем с машинами и, в конечном итоге, как люди взаимодействуют с ИИ».