Para peneliti telah mengembangkan implan otak setipis kertas bernama BISC yang menciptakan tautan nirkabel bandwidth tinggi antara otak dan komputer. Perangkat single-chip ini, yang dapat meluncur ke ruang sempit antara otak dan tengkorak, dapat membuka kemungkinan baru untuk mengobati kondisi seperti epilepsi, lumpuh, dan kebutaan dengan mendukung model AI canggih yang mendekode gerakan, persepsi, dan niat.
Kolaborasi antara Universitas Columbia, Rumah Sakit NewYork-Presbyterian, Universitas Stanford, dan Universitas Pennsylvania telah menghasilkan Biological Interface System to Cortex (BISC), antarmuka otak-komputer super tipis yang dijelaskan oleh Columbia Engineering dan dilaporkan oleh ScienceDaily. Sistem ini, yang dirinci dalam studi yang diterbitkan pada 8 Desember di jurnal Nature Electronics, mencakup implan minimally invasive, stasiun relay yang dipakai, dan lingkungan perangkat lunak pendukung.
Implan BISC dibangun di sekitar sirkuit terpadu semikonduktor oksida logam pelengkap tunggal (CMOS) yang telah ditipiskan menjadi 50 mikrometer dan menempati kurang dari 1/1000 volume implan standar, dengan volume total sekitar 3 milimeter kubik. Menurut Universitas Columbia, perangkat micro-electrocorticography ini mengintegrasikan 65.536 elektroda, 1.024 saluran perekaman simultan, dan 16.384 saluran stimulasi, dan cukup fleksibel untuk melengkung ke permukaan otak.
Tidak seperti banyak antarmuka otak-komputer kelas medis yang ada yang bergantung pada kanister implan besar yang menampung berbagai komponen elektronik dengan kabel yang berjalan ke otak, BISC mengintegrasikan semua elemen yang diperlukan langsung pada chip tunggal. Implan ini mencakup transceiver radio, sirkuit daya nirkabel, elektronik kontrol digital, manajemen daya, konverter data, dan komponen analog yang diperlukan untuk perekaman dan stimulasi.
“Implan kami adalah chip sirkuit terpadu tunggal yang sangat tipis sehingga dapat meluncur ke ruang antara otak dan tengkorak, bertumpu pada otak seperti selembar kertas tisu basah,” kata Ken Shepard, Profesor Keluarga Lau Teknik Elektro di Universitas Columbia dan penulis senior yang memimpin pekerjaan teknik.
Stasiun relay eksternal yang digerakkan baterai yang dipakai pengguna menyediakan daya untuk implan dan berkomunikasi dengannya melalui tautan radio ultrawideband khusus yang mencapai throughput data sekitar 100 megabit per detik. Tim Columbia mencatat bahwa ini setidaknya 100 kali lebih tinggi daripada throughput BCI nirkabel lainnya yang tersedia saat ini. Stasiun relay muncul secara eksternal sebagai perangkat Wi-Fi 802.11, yang secara efektif menjembatani implan ke komputer standar.
Chip ini difabrikasi menggunakan teknologi Bipolar-CMOS-DMOS (BCD) 0,13 mikrometer TSMC, yang menggabungkan logika digital, fungsi analog tegangan tinggi dan arus tinggi, serta perangkat daya pada die yang sama—pendekatan yang menurut peneliti esensial untuk desain campuran sinyal kompak BISC.
BISC juga memperkenalkan set instruksi dan tumpukan perangkat lunaknya sendiri, membentuk lingkungan komputasi khusus untuk antarmuka otak. Perekaman bandwidth tinggi yang ditunjukkan dalam studi memungkinkan penggunaan algoritma machine-learning dan deep-learning canggih untuk menafsirkan aktivitas otak kompleks terkait niat, pengalaman persepsi, dan keadaan otak internal.
“Perangkat resolusi tinggi dan throughput data tinggi ini memiliki potensi untuk merevolusi pengelolaan kondisi neurologis dari epilepsi hingga lumpuh,” kata Dr. Brett Youngerman, asisten profesor bedah saraf di Universitas Columbia dan neurocirurgis di NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center, yang menjabat sebagai kolaborator klinis utama proyek. Youngerman dan rekan-rekannya baru-baru ini mengamankan hibah National Institutes of Health untuk mengeksplorasi penggunaan BISC untuk epilepsi resisten obat.
Pekerjaan praklinis ekstensif di korteks motorik dan visual, dilakukan dengan penulis co-senior Andreas S. Tolias di Byers Eye Institute Stanford dan Bijan Pesaran di Universitas Pennsylvania, menunjukkan bahwa implan dapat memberikan perekaman stabil dan berkualitas tinggi. Studi intraoperatif jangka pendek pada pasien manusia sudah berlangsung, di mana ahli bedah memasukkan perangkat setipis kertas melalui lubang kecil di tengkorak dan menggesernya ke permukaan otak di ruang subdural.
“BISC mengubah permukaan kortikal menjadi portal efektif, menyediakan komunikasi baca-tulis bandwidth tinggi dan minimally invasive dengan AI dan perangkat eksternal,” kata Tolias, yang telah lama bekerja pada pelatihan sistem AI menggunakan perekaman neural skala besar, termasuk yang dikumpulkan dengan BISC.
Menurut Columbia Engineering, platform BISC dikembangkan di bawah program Neural Engineering System Design Defense Advanced Research Projects Agency dan memanfaatkan keahlian Columbia dalam mikroelektronika, program neurosains di Stanford dan Penn, serta kemampuan bedah di NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center.
Untuk memajukan teknologi menuju penelitian yang lebih luas dan penggunaan klinis akhir, anggota tim Columbia dan Stanford telah mendirikan Kampto Neurotech, startup yang dipimpin oleh alumni teknik elektro Columbia dan insinyur proyek Nanyu Zeng. Perusahaan ini memproduksi versi chip siap riset dan bekerja untuk mengamankan dana tambahan untuk menyiapkan sistem untuk digunakan pada pasien manusia.
Dengan memasangkan perekaman neural nirkabel ultra-resolusi tinggi dengan algoritma dekoding canggih, para peneliti berpendapat bahwa BISC menawarkan jalan menuju antarmuka neural yang lebih kecil, lebih aman, dan lebih kuat yang dapat meningkatkan pengobatan gangguan neurologis dan, seiring waktu, memungkinkan interaksi yang lebih mulus antara otak dan perangkat berbasis AI.
