Pesquisadores desenvolveram um implante cerebral fino como papel chamado BISC que cria uma ligação sem fios de alta largura de banda entre o cérebro e computadores. O dispositivo de chip único, que pode deslizar para o espaço estreito entre o cérebro e o crânio, pode abrir novas possibilidades para tratar condições como epilepsia, paralisia e cegueira, apoiando modelos avançados de IA que decodificam movimento, perceção e intenção.
Uma colaboração entre a Universidade de Columbia, o Hospital NewYork-Presbyterian, a Universidade de Stanford e a Universidade da Pensilvânia produziu o Biological Interface System to Cortex (BISC), uma interface cérebro-computador ultrafina descrita pela Columbia Engineering e relatada pela ScienceDaily. O sistema, detalhado num estudo publicado a 8 de dezembro na revista Nature Electronics, inclui um implante minimamente invasivo, uma estação de retransmissão portátil e um ambiente de software de suporte.
O implante do BISC é construído à volta de um circuito integrado de óxido metálico complementar único (CMOS) que foi afinado para 50 micrómetros e ocupa menos de 1/1000 do volume de um implante padrão, com um volume total de cerca de 3 milímetros cúbicos. De acordo com a Universidade de Columbia, o dispositivo de micro-eletrocorticografia incorpora 65.536 elétrodos, 1.024 canais de registo simultâneos e 16.384 canais de estimulação, sendo flexível o suficiente para se curvar à superfície do cérebro.
Ao contrário de muitas interfaces cérebro-computador de grau médico existentes que dependem de um grande recipiente implantado que abriga múltiplos componentes eletrónicos com fios a correr para o cérebro, o BISC integra todos os elementos necessários diretamente num único chip. O implante inclui um transceptor de rádio, circuitos de alimentação sem fios, eletrónica de controlo digital, gestão de energia, conversores de dados e os componentes analógicos necessários tanto para registo como para estimulação.
“O nosso implante é um chip de circuito integrado único tão fino que pode deslizar para o espaço entre o cérebro e o crânio, repousando sobre o cérebro como uma folha de papel de seda molhado”, disse Ken Shepard, o Professor da Família Lau de Engenharia Elétrica na Universidade de Columbia e autor sénior que liderou o trabalho de engenharia.
Uma estação de retransmissão externa alimentada por bateria, usada pelo utilizador, fornece energia ao implante e comunica com ele através de uma ligação de rádio ultrawideband personalizada que atinge caudais de dados de cerca de 100 megabits por segundo. A equipa da Columbia nota que isto é pelo menos 100 vezes superior ao caudal de outras interfaces cérebro-computador sem fios atualmente disponíveis. A estação de retransmissão aparece externamente como um dispositivo Wi-Fi 802.11, ligando efetivamente o implante a computadores padrão.
O chip foi fabricado usando a tecnologia Bipolar-CMOS-DMOS (BCD) de 0,13 micrómetros da TSMC, que combina lógica digital, funções analógicas de alta tensão e alta corrente, e dispositivos de potência no mesmo die — uma abordagem que os investigadores dizem ser essencial para o design compacto e de sinal misto do BISC.
O BISC também introduz o seu próprio conjunto de instruções e pilha de software, formando um ambiente de computação dedicado para interfaces cerebrais. As gravações de alta largura de banda demonstradas no estudo permitem o uso de algoritmos avançados de machine learning e deep learning para interpretar atividade cerebral complexa relacionada com intenções, experiências perceptivas e estados cerebrais internos.
“Este dispositivo de alta resolução e alto caudal de dados tem o potencial de revolucionar a gestão de condições neurológicas desde a epilepsia até à paralisia”, disse o Dr. Brett Youngerman, professor assistente de cirurgia neurológica na Universidade de Columbia e neurocirurgião no NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center, que serviu como principal colaborador clínico do projeto. Youngerman e colegas garantiram recentemente uma subvenção dos National Institutes of Health para explorar o uso do BISC na epilepsia resistente a medicamentos.
Trabalho pré-clínico extenso nas cortezes motoras e visuais, conduzido com o coautor sénior Andreas S. Tolias no Byers Eye Institute de Stanford e Bijan Pesaran na Universidade da Pensilvânia, mostrou que o implante pode fornecer gravações estáveis e de alta qualidade. Estudos intraoperatórios a curto prazo em pacientes humanos já estão em curso, nos quais os cirurgiões inserem o dispositivo fino como papel através de uma pequena abertura no crânio e o deslizam para a superfície do cérebro no espaço subdural.
“O BISC transforma a superfície cortical num portal eficaz, fornecendo comunicação de leitura-escrita de alta largura de banda e minimamente invasiva com IA e dispositivos externos”, disse Tolias, que tem trabalhado há muito no treino de sistemas de IA usando gravações neurais em grande escala, incluindo as recolhidas com BISC.
De acordo com a Columbia Engineering, a plataforma BISC foi desenvolvida sob o programa Neural Engineering System Design da Defense Advanced Research Projects Agency e baseia-se na experiência da Columbia em microeletrónica, nos programas de neurociência em Stanford e Penn, e nas capacidades cirúrgicas no NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center.
Para avançar a tecnologia para investigação mais ampla e uso clínico eventual, membros das equipas de Columbia e Stanford cofundaram a Kampto Neurotech, uma startup liderada pelo alumni de engenharia elétrica da Columbia e engenheiro do projeto Nanyu Zeng. A empresa está a produzir versões do chip prontas para investigação e trabalhando para garantir financiamento adicional para preparar o sistema para uso em pacientes humanos.
Ao combinar gravação neural totalmente sem fios de ultra-alta resolução com algoritmos de decodificação sofisticados, os investigadores argumentam que o BISC oferece um caminho para interfaces neurais mais pequenas, seguras e poderosas que poderiam melhorar os tratamentos para perturbações neurológicas e, ao longo do tempo, permitir uma interação mais fluida entre o cérebro e dispositivos impulsionados por IA.
