Forskare har utvecklat en pappers tunt hjärnimplantat kallat BISC som skapar en högbandsbredds trådlös länk mellan hjärnan och datorer. Enkelchip-enheten, som kan glida in i det smala utrymmet mellan hjärnan och skallen, kan öppna nya möjligheter för behandling av tillstånd som epilepsi, förlamning och blindhet genom att stödja avancerade AI-modeller som dekodar rörelse, perception och avsikt.
Ett samarbete mellan Columbia University, NewYork-Presbyterian Hospital, Stanford University och University of Pennsylvania har resulterat i Biological Interface System to Cortex (BISC), en ultratunn hjärn-datorgränssnitt beskriven av Columbia Engineering och rapporterad av ScienceDaily. Systemet, som detaljerats i en studie publicerad 8 december i tidskriften Nature Electronics, inkluderar en minimalinvasiv implantat, en bärbar relästation och en stödjande mjukvarumiljö.
BISC:s implantat är byggt kring en enda komplementär metalloxidhalvedare (CMOS) integrerad krets som tunnats till 50 mikrometer och upptar mindre än 1/1000 av volymen hos en standardimplantat, med en totalvolym på cirka 3 kubikmillimeter. Enligt Columbia University integrerar micro-elektrokortikografi-enheten 65 536 elektroder, 1 024 simultana inspelningskanaler och 16 384 stimuleringskanaler, och är flexibel nog att böja sig efter hjärnans yta.
Till skillnad från många befintliga medicinska hjärn-datorgränssnitt (BCI) som förlitar sig på en stor implanterad behållare som rymmer flera elektroniska komponenter med ledningar till hjärnan, integrerar BISC alla nödvändiga element direkt på en enda chip. Implantatet inkluderar en radiotransceiver, trådlös strömförsörjning, digital styr elektronik, strömhantering, dataomvandlare och analoga komponenter behövs för både inspelning och stimulering.
“Vårt implantat är en enda integrerad kretschip som är så tunn att den kan glida in i utrymmet mellan hjärnan och skallen, och vila på hjärnan som ett stycke vått pappersark”, sa Ken Shepard, Lau Family Professor i elektroteknik vid Columbia University och seniorförfattare som ledde ingenjörsarbeetet.
En extern, batteridriven relästation som bärs av användaren försörjer implantatet med ström och kommunicerar med det via en anpassad ultrabredbands radiokoppling som når datapassning på cirka 100 megabit per sekund. Columbia-teamet noterar att detta är minst 100 gånger högre än passningen hos andra tillgängliga trådlösa BCI. Relästationen framstår externt som en 802.11 Wi-Fi-enhet, och fungerar effektivt som en brygga från implantatet till standarddatorer.
Chippet tillverkades med TSMC:s 0,13 mikrometer Bipolar-CMOS-DMOS (BCD)-teknik, som kombinerar digital logik, högspännings- och högströmsanaloga funktioner samt strömdrivna enheter på samma die – ett tillvägagångssätt som forskarna säger är essentiellt för BISC:s kompakta, blandade signaldesign.
BISC introducerar också sitt eget kommandosätt och mjukvarustack, och bildar en dedikerad beräkningsmiljö för hjärninterfacet. De högbandsbredds inspelningar som demonstrerats i studien möjliggör användning av avancerade maskininlärnings- och djupinlärningsalgoritmer för att tolka komplex hjärnaktivitet relaterad till intentioner, perceptuella upplevelser och interna hjärntillstånd.
“Denna högupplösta, högdatarate-enhet har potential att revolutionera hanteringen av neurologiska tillstånd från epilepsi till förlamning”, sa Dr. Brett Youngerman, biträdande professor i neurokirurgi vid Columbia University och neurokirurg vid NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center, som fungerade som projektets huvudkliniska samarbetspartner. Youngerman och kollegor har nyligen säkrat ett bidrag från National Institutes of Health för att utforska BISC:s användning vid läkemedelsresistent epilepsi.
Omfattande prekliniskt arbete i motoriska och visuella kortex, utfört med medseniorförfattaren Andreas S. Tolias vid Stanford’s Byers Eye Institute och Bijan Pesaran vid University of Pennsylvania, visade att implantatet kan ge stabila, högkvalitativa inspelningar. Korttids intraoperativa studier på humana patienter är redan igång, där kirurger för in det pappers tunna implantatet genom en liten öppning i skallen och glider det på hjärnans yta i subdurarummet.
“BISC förvandlar hjärnbarken till en effektiv portal som levererar högbandsbredds, minimalinvasiv läsning-skrivning kommunikation med AI och externa enheter”, sa Tolias, som länge arbetat med att träna AI-system med storskaliga neurala inspelningar, inklusive de insamlade med BISC.
Enligt Columbia Engineering utvecklades BISC-plattformen under Defense Advanced Research Projects Agency’s Neural Engineering System Design-program och bygger på Columbia’s expertis inom mikroelektronik, neurovetenskapsprogrammen vid Stanford och Penn, samt kirurgiska kapaciteter vid NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center.
För att flytta tekniken mot bredare forskning och slutlig klinisk användning har medlemmar från Columbia- och Stanford-teamen medgrundat Kampto Neurotech, ett startupbolag lett av Columbia electrical engineering-alumnus och projektledare Nanyu Zeng. Företaget producerar forskningsredo versioner av chippet och arbetar för att säkra ytterligare finansiering för att förbereda systemet för användning på humana patienter.
Genom att para ultrahögupplöst, helt trådlös neural inspelning med sofistikerade dekodningsalgoritmer hävdar forskarna att BISC erbjuder en väg mot mindre, säkrare och kraftfullare neurala gränssnitt som kan förbättra behandlingar för neurologiska störningar och, över tid, möjliggöra mer sömlös interaktion mellan hjärnan och AI-drivna enheter.
