طوّر الباحثون زرعة دماغية رقيقة كالورقة تُدعى BISC تخلق رابطًا لاسلكيًا عالي عرض النطاق بين الدماغ والحواسيب. هذا الجهاز أحادي الشريحة، الذي يمكن إدخاله في الفراغ الضيق بين الدماغ والجمجمة، قد يفتح إمكانيات جديدة لعلاج حالات مثل الصرع والشلل والعمى من خلال دعم نماذج ذكاء اصطناعي متقدمة تحلل الحركة والإدراك والنية.
تعاون بين جامعة كولومبيا ومستشفى نيويورك-بريسبيتريان وجامعة ستانفورد وجامعة بنسلفانيا أنتج نظام الواجهة البيولوجية إلى القشرة (BISC)، واجهة دماغ-حاسوب فائقة النحافة وصفها هندسة كولومبيا ونقلته ScienceDaily. يشمل النظام، المفصل في دراسة نُشرت في 8 ديسمبر في مجلة Nature Electronics، زرعة غير جراحية بشكل كبير، محطة وسيطة يرتديها المستخدم، وبيئة برمجيات داعمة.
زرعة BISC مبنية حول دائرة متكاملة واحدة من أكسيد معدني شبه موصل مكمل (CMOS) خُففت إلى 50 ميكرومترًا وتشغل أقل من 1/1000 حجم الزرعة القياسية، بحجم إجمالي يقارب 3 مليمترات مكعبة. وفقًا لجامعة كولومبيا، يدمج الجهاز ميكرو-إلكتروكورتيكوغرافيا 65,536 قطبًا، 1,024 قناة تسجيل متزامنة، و16,384 قناة تحفيز، وهو مرن بما يكفي ليتقوس على سطح الدماغ.
على عكس العديد من واجهات الدماغ-الحاسوب الطبية الحالية التي تعتمد على حاوية مزروعة كبيرة تحتوي على مكونات إلكترونية متعددة مع أسلاك تمتد إلى الدماغ، يدمج BISC جميع العناصر الضرورية مباشرة على شريحة واحدة. تشمل الزرعة مستقبلًا إذاعيًا، دوائر طاقة لاسلكية، إلكترونيات تحكم رقمية، إدارة طاقة، محولات بيانات، والمكونات التناظرية اللازمة للتسجيل والتحفيز.
“زرعتنا هي شريحة دائرة متكاملة واحدة رقيقة جدًا بحيث يمكن إدخالها في الفراغ بين الدماغ والجمجمة، مستلقية على الدماغ مثل قطعة ورق نسيج مبللة” ، قال كين شيبارد، أستاذ عائلة لاو في الهندسة الكهربائية في جامعة كولومبيا ومؤلف رئيسي قاد العمل الهندسي.
محطة وسيطة خارجية تعمل بالبطارية يرتديها المستخدم توفر الطاقة للزرعة وتتواصل معها عبر رابط راديوي فائق عرض النطاق مخصص يصل إلى معدلات بيانات تبلغ حوالي 100 ميغابت في الثانية. يشير فريق كولومبيا إلى أن هذا أعلى بـ100 مرة على الأقل من معدل البيانات للواجهات الدماغ-حاسوب اللاسلكية الأخرى المتاحة حاليًا. تظهر محطة الوسيط خارجيًا كجهاز واي فاي 802.11، مما يربط الزرعة بفعالية بالحواسيب القياسية.
تم تصنيع الشريحة باستخدام تقنية TSMC Bipolar-CMOS-DMOS (BCD) بدقة 0.13 ميكرومتر، والتي تجمع المنطق الرقمي والوظائف التناظرية عالية الجهد والتيار العالي والأجهزة الطاقية على نفس الشريحة - نهج يقول الباحثون إنه أساسي للتصميم المدمج وإشارة مختلطة لـBISC.
يُقدم BISC أيضًا مجموعة تعليماته الخاصة وكومة البرمجيات، مكونًا بيئة حوسبة مخصصة لواجهات الدماغ. تمكن التسجيلات عالية عرض النطاق المُظهرة في الدراسة من استخدام خوارزميات التعلم الآلي والتعلم العميق المتقدمة لتفسير النشاط الدماغي المعقد المتعلق بالنوايا والتجارب الإدراكية والحالات الدماغية الداخلية.
“يمتلك هذا الجهاز عالي الدقة وعالي تدفق البيانات إمكانية ثورية في إدارة الحالات العصبية من الصرع إلى الشلل” ، قال الدكتور بريت يونغرمان، أستاذ مساعد في الجراحة العصبية في جامعة كولومبيا وجراح أعصاب في NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center، الذي شغل منصب المتعاون السريري الرئيسي للمشروع. حصل يونغرمان وزملاؤه مؤخرًا على منحة من المعاهد الوطنية للصحة لاستكشاف استخدام BISC في الصرع المقاوم للأدوية.
عمل ما قبل السريري واسع النطاق في القشرتين الحركية والبصرية، أجري مع المؤلف المشترك الرئيسي أندرياس إس. تولياس في معهد بايرز للعيون بستانفورد وبيجان بيزاران في جامعة بنسلفانيا، أظهر أن الزرعة يمكنها توفير تسجيلات مستقرة وعالية الجودة. دراسات داخل الجراحة قصيرة الأمد في مرضى بشريين جارية بالفعل، حيث يُدخل الجراحون الجهاز الرقيق كالورقة من خلال فتحة صغيرة في الجمجمة ويُنزلقونه على سطح الدماغ في الفضاء تحت الجافية.
“يحول BISC سطح القشرة إلى بوابة فعالة، توفر اتصالًا قراءة-كتابة عالي عرض النطاق وغير جراحي بشكل كبير مع الذكاء الاصطناعي والأجهزة الخارجية” ، قال تولياس، الذي عمل طويلاً على تدريب أنظمة الذكاء الاصطناعي باستخدام تسجيلات عصبية واسعة النطاق، بما في ذلك تلك المجموعة باستخدام BISC.
وفقًا لهندسة كولومبيا، تم تطوير منصة BISC تحت برنامج تصميم نظام الهندسة العصبية التابع لـDefense Advanced Research Projects Agency ويستفيد من خبرة كولومبيا في الإلكترونيات الدقيقة، وبرامج العلوم العصبية في ستانفورد وبنسلفانيا، وقدرات الجراحة في NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center.
لنقل التكنولوجيا نحو بحوث أوسع واستخدام سريري نهائي، أسس أعضاء من فرق كولومبيا وستانفورد Kampto Neurotech، شركة ناشئة يقودها خريج هندسة كهربائية من كولومبيا ومهندس المشروع نانيو زينغ. تنتج الشركة إصدارات جاهزة للبحث من الشريحة وتعمل على تأمين تمويل إضافي لإعداد النظام للاستخدام في مرضى بشريين.
من خلال ربط التسجيل العصبي اللاسلكي الكامل عالي الدقة الفائقة مع خوارزميات فك التشفير المتطورة، يجادل الباحثون بأن BISC يوفر مسارًا نحو واجهات عصبية أصغر وأكثر أمانًا وقوة يمكن أن تعزز علاج الاضطرابات العصبية وتمكن، مع مرور الوقت، تفاعلًا أكثر سلاسة بين الدماغ والأجهزة المدفوعة بالذكاء الاصطناعي.
