Investigadores han desarrollado un implante cerebral del grosor del papel llamado BISC que crea un enlace inalámbrico de alto ancho de banda entre el cerebro y las computadoras. Este dispositivo de un solo chip, que puede deslizarse en el estrecho espacio entre el cerebro y el cráneo, podría abrir nuevas posibilidades para tratar afecciones como la epilepsia, la parálisis y la ceguera al respaldar modelos avanzados de IA que decodifican movimiento, percepción e intención.
Una colaboración entre la Universidad de Columbia, el Hospital NewYork-Presbyterian, la Universidad de Stanford y la Universidad de Pensilvania ha producido el Biological Interface System to Cortex (BISC), una interfaz cerebro-computadora ultrafina descrita por Columbia Engineering y reportada por ScienceDaily. El sistema, detallado en un estudio publicado el 8 de diciembre en la revista Nature Electronics, incluye un implante mínimamente invasivo, una estación de relevo portátil y un entorno de software de soporte.
El implante de BISC está construido alrededor de un circuito integrado de un solo semiconductor de óxido metálico complementario (CMOS) que ha sido adelgazado a 50 micrómetros y ocupa menos de 1/1000 del volumen de un implante estándar, con un volumen total de aproximadamente 3 milímetros cúbicos. Según la Universidad de Columbia, el dispositivo de micro-electrocorticografía incorpora 65.536 electrodos, 1.024 canales de grabación simultáneos y 16.384 canales de estimulación, y es lo suficientemente flexible para adaptarse a la superficie del cerebro.
A diferencia de muchas interfaces cerebro-computadora (BCI) de grado médico existentes que dependen de un gran contenedor implantado que alberga múltiples componentes electrónicos con cables que van al cerebro, BISC integra todos los elementos necesarios directamente en un solo chip. El implante incluye un transceptor de radio, circuitos de alimentación inalámbrica, electrónica de control digital, gestión de energía, convertidores de datos y los componentes analógicos necesarios para grabación y estimulación.
“Nuestro implante es un chip de circuito integrado único que es tan delgado que puede deslizarse en el espacio entre el cerebro y el cráneo, descansando sobre el cerebro como una hoja de papel tissue mojado”, dijo Ken Shepard, profesor de la familia Lau de Ingeniería Eléctrica en la Universidad de Columbia y autor principal que lideró el trabajo de ingeniería.
Una estación de relevo externa alimentada por batería, que usa el usuario, suministra energía al implante y se comunica con él a través de un enlace de radio ultrawideband personalizado que alcanza caudales de datos de aproximadamente 100 megabits por segundo. El equipo de Columbia señala que esto es al menos 100 veces mayor que el caudal de otras BCI inalámbricas actualmente disponibles. La estación de relevo aparece externamente como un dispositivo Wi-Fi 802.11, conectando efectivamente el implante a computadoras estándar.
El chip fue fabricado utilizando la tecnología Bipolar-CMOS-DMOS (BCD) de 0,13 micrómetros de TSMC, que combina lógica digital, funciones analógicas de alto voltaje y alta corriente, y dispositivos de potencia en el mismo die, un enfoque que los investigadores dicen es esencial para el diseño compacto y de señal mixta de BISC.
BISC también introduce su propio conjunto de instrucciones y pila de software, formando un entorno de cómputo dedicado para interfaces cerebrales. Las grabaciones de alto ancho de banda demostradas en el estudio permiten el uso de algoritmos avanzados de aprendizaje automático y aprendizaje profundo para interpretar la actividad cerebral compleja relacionada con intenciones, experiencias perceptivas y estados cerebrales internos.
“Este dispositivo de alta resolución y alto caudal de datos tiene el potencial de revolucionar el manejo de condiciones neurológicas desde la epilepsia hasta la parálisis”, dijo el Dr. Brett Youngerman, profesor asistente de cirugía neurológica en la Universidad de Columbia y neurocirujano en NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center, quien sirvió como colaborador clínico principal del proyecto. Youngerman y colegas recientemente obtuvieron una subvención de los Institutos Nacionales de Salud para explorar el uso de BISC en epilepsia resistente a fármacos.
Trabajo preclínico extenso en cortezas motoras y visuales, realizado con el coautor principal Andreas S. Tolias en el Byers Eye Institute de Stanford y Bijan Pesaran en la Universidad de Pensilvania, mostró que el implante puede proporcionar grabaciones estables y de alta calidad. Estudios intraoperatorios a corto plazo en pacientes humanos ya están en marcha, en los que los cirujanos insertan el dispositivo del grosor del papel a través de una pequeña abertura en el cráneo y lo deslizan sobre la superficie del cerebro en el espacio subdural.
“BISC convierte la superficie cortical en un portal efectivo, entregando comunicación de lectura-escritura de alto ancho de banda y mínimamente invasiva con IA y dispositivos externos”, dijo Tolias, quien ha trabajado durante mucho tiempo en entrenar sistemas de IA usando grabaciones neurales a gran escala, incluidas las recopiladas con BISC.
Según Columbia Engineering, la plataforma BISC se desarrolló bajo el programa Neural Engineering System Design de la Defense Advanced Research Projects Agency y se basa en la experiencia de Columbia en microelectrónica, los programas de neurociencia en Stanford y Penn, y las capacidades quirúrgicas en NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center.
Para avanzar la tecnología hacia una investigación más amplia y uso clínico eventual, miembros de los equipos de Columbia y Stanford han cofundado Kampto Neurotech, una startup liderada por el alumni de ingeniería eléctrica de Columbia y ingeniero del proyecto Nanyu Zeng. La empresa está produciendo versiones del chip listas para investigación y trabajando para asegurar financiamiento adicional para preparar el sistema para uso en pacientes humanos.
Al combinar grabación neural completamente inalámbrica de ultra alta resolución con algoritmos de decodificación sofisticados, los investigadores argumentan que BISC ofrece un camino hacia interfaces neurales más pequeñas, seguras y potentes que podrían mejorar los tratamientos para trastornos neurológicos y, con el tiempo, habilitar una interacción más fluida entre el cerebro y dispositivos impulsados por IA.
