Des chercheurs ont développé un implant cérébral aussi fin qu'une feuille de papier appelé BISC qui crée un lien sans fil à large bande passante entre le cerveau et les ordinateurs. Ce dispositif à puce unique, qui peut glisser dans l'espace étroit entre le cerveau et le crâne, pourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour traiter des affections telles que l'épilepsie, la paralysie et la cécité en soutenant des modèles d'IA avancés qui décodent le mouvement, la perception et l'intention.
Une collaboration entre l'Université Columbia, l'hôpital NewYork-Presbyterian, l'Université Stanford et l'Université de Pennsylvanie a produit le Biological Interface System to Cortex (BISC), une interface cerveau-ordinateur ultra-fine décrite par Columbia Engineering et rapportée par ScienceDaily. Le système, détaillé dans une étude publiée le 8 décembre dans la revue Nature Electronics, comprend un implant minimalement invasif, une station de relais portée et un environnement logiciel de support.
L'implant BISC est construit autour d'un circuit intégré complémentaire oxyde métallique semi-conducteur unique (CMOS) aminci à 50 micromètres et occupant moins de 1/1000e du volume d'un implant standard, avec un volume total d'environ 3 millimètres cubes. Selon l'Université Columbia, le dispositif de micro-électrocorticographie intègre 65 536 électrodes, 1 024 canaux d'enregistrement simultanés et 16 384 canaux de stimulation, et est suffisamment flexible pour épouser la surface du cerveau.
Contrairement à de nombreuses interfaces cerveau-ordinateur de grade médical existantes qui reposent sur un grand boîtier implanté abritant plusieurs composants électroniques avec des fils allant au cerveau, BISC intègre tous les éléments nécessaires directement sur une seule puce. L'implant inclut un transceiver radio, des circuits d'alimentation sans fil, des électroniques de contrôle numérique, la gestion d'énergie, des convertisseurs de données et les composants analogiques nécessaires à l'enregistrement et à la stimulation.
« Notre implant est une puce de circuit intégré unique si fine qu'elle peut glisser dans l'espace entre le cerveau et le crâne, reposant sur le cerveau comme une feuille de papier mouillé », a déclaré Ken Shepard, professeur Lau Family d'ingénierie électrique à l'Université Columbia et auteur principal qui a dirigé les travaux d'ingénierie.
Une station de relais externe alimentée par batterie, portée par l'utilisateur, alimente l'implant et communique avec lui via un lien radio ultralarge bande personnalisé atteignant des débits de données d'environ 100 mégabits par seconde. L'équipe de Columbia note que cela est au moins 100 fois supérieur au débit des autres interfaces cerveau-ordinateur sans fil actuellement disponibles. La station de relais apparaît extérieurement comme un dispositif Wi-Fi 802.11, reliant efficacement l'implant aux ordinateurs standards.
La puce a été fabriquée en utilisant la technologie Bipolar-CMOS-DMOS (BCD) 0,13 micromètre de TSMC, qui combine logique numérique, fonctions analogiques haute tension et haut courant, et dispositifs de puissance sur le même die — une approche que les chercheurs considèrent essentielle au design compact et à signaux mixtes de BISC.
BISC introduit également son propre ensemble d'instructions et pile logicielle, formant un environnement de calcul dédié aux interfaces cérébrales. Les enregistrements à large bande passante démontrés dans l'étude permettent l'utilisation d'algorithmes d'apprentissage automatique et profond avancés pour interpréter l'activité cérébrale complexe liée aux intentions, expériences perceptuelles et états cérébraux internes.
« Ce dispositif haute résolution et haut débit de données a le potentiel de révolutionner la prise en charge des affections neurologiques de l'épilepsie à la paralysie », a déclaré le Dr Brett Youngerman, professeur assistant de neurochirurgie à l'Université Columbia et neurochirurgien au NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center, qui a servi de principal collaborateur clinique du projet. Youngerman et ses collègues ont récemment obtenu une subvention des National Institutes of Health pour explorer l'utilisation de BISC dans l'épilepsie pharmacorésistante.
Des travaux précliniques étendus dans les cortex moteurs et visuels, menés avec l'auteur co-senior Andreas S. Tolias à l'Institut oculaire Byers de Stanford et Bijan Pesaran à l'Université de Pennsylvanie, ont montré que l'implant peut fournir des enregistrements stables et de haute qualité. Des études intraopératoires à court terme sur des patients humains sont déjà en cours, au cours desquelles les chirurgiens insèrent le dispositif fin comme du papier par une petite ouverture dans le crâne et le font glisser sur la surface du cerveau dans l'espace sous-dural.
« BISC transforme la surface corticale en un portail efficace, offrant une communication lecture-écriture à large bande passante et minimalement invasive avec l'IA et les dispositifs externes », a déclaré Tolias, qui travaille depuis longtemps à l'entraînement de systèmes d'IA en utilisant des enregistrements neuronaux à grande échelle, y compris ceux collectés avec BISC.
Selon Columbia Engineering, la plateforme BISC a été développée dans le cadre du programme Neural Engineering System Design de la Defense Advanced Research Projects Agency et s'appuie sur l'expertise de Columbia en microélectronique, les programmes de neurosciences à Stanford et Penn, et les capacités chirurgicales au NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center.
Pour faire avancer la technologie vers une recherche plus large et une utilisation clinique éventuelle, des membres des équipes de Columbia et Stanford ont cofondé Kampto Neurotech, une startup dirigée par l'ancien étudiant en ingénierie électrique de Columbia et ingénieur du projet Nanyu Zeng. L'entreprise produit des versions du chip prêtes pour la recherche et travaille à obtenir un financement supplémentaire pour préparer le système à l'utilisation chez des patients humains.
En associant enregistrement neuronal ultra-haute résolution entièrement sans fil à des algorithmes de décodage sophistiqués, les chercheurs soutiennent que BISC offre une voie vers des interfaces neuronales plus petites, plus sûres et plus puissantes qui pourraient améliorer les traitements des troubles neurologiques et, à terme, permettre une interaction plus fluide entre le cerveau et les dispositifs pilotés par l'IA.
