Кремниевый имплант бумажной толщины обеспечивает быструю беспроводную коммуникацию между мозгом и ИИ, открывая новые возможности по восстановлению утраченных функций.
BISC — ультратонкий нервный имплант, создающий высокоскоростную беспроводную связь между мозгом и компьютерами. В его крохотный одночиповый дизайн упакованы десятки тысяч электродов и он поддерживает продвинутые модели ИИ для расшифровки движения, восприятия и намерений. Предварительная клиническая работа показала, что его можно вставлять в небольшое отверстие в черепе, и он сохраняет стабильность, в подробностях фиксируя нервную деятельность. Эта технология может переформатировать лечение эпилепсии, паралича и слепоты.
Новый мозговой имплант может значительным образом перестроить общение человека с компьютером, в то же время предоставив новые возможности для лечения таких состояний, как эпилепсия, повреждение спинного мозга, амиотрофический склероз, инсульт и слепота. Создав минимально инвазивный, высокоскоростной канал коммуникации с мозгом, он может помочь поддерживать контроль в случае приступов и восстанавливать двигательные, речевые и визуальные способности.
Надежда на эту технологию заключается в её крайне малом размере вкупе со способностью передавать данные на очень высоких скоростях. Разработанное при сотрудничестве между Колумбийским университетом, Нью-Йоркской пресвитерианской больницей, Стэнфордским университетом и Университетом Пенсильвании, это устройство представляет собой интерфейс мозг-компьютер (BCI — brain-computer interface), построенный на основе одного кремниевого чипа. Чип создаёт беспроводную высокоскоростную связь между мозгом и внешними компьютерами. Система известна под названием BISC (Biological Interface System to Cortex — биологическая система связи с корой головного мозга).
В исследовании, опубликованном 8 декабря в Nature Electronics, описана архитектура BISC, куда входит имплант на основе чипа, портативная «радиорелейная станция», и программное обеспечение, необходимое для управления платформой. «Большинство имплантируемых систем строится на базе капсулы с электроникой, занимающей в организме невообразимое количество пространства, — говорит Кен Шепард, профессор электроинженерии, профессор биомедицинской инженерии и профессор неврологических наук в Колумбийском университете, выступивший одним из старших авторов статьи и руководивший проектированием устройства. — Наш имплант — единый чип на интегральных схемах, который так тонок, что он может проскользнуть в пространство между мозгом и черепом, покоясь на поверхности мозга, подобно кусочку влажной салфетки».
Трансформируя кору мозга в высокоскоростной интерфейс
Шепард близко сотрудничал со старшим и ответственным соавтором статьи Андреасом С. Толиасом, профессором Института Byers Eye Стэнфордского университета и одним из директоров-основателей Проекта Энигма. Богатый опыт Толиаса в обучении систем ИИ на основании широкомасштабных нейронных записей, включая те из них, которые собирались BISC, помог учёным проанализировать насколько эффективно имплант расшифровывает активность мозга. «BISC превращает поверхность коры мозга в эффективный портал, обеспечивая высокоскоростную, минимально инвазивную связь с ИИ и внешними устройствами, — говорит Толиас. — Его одночиповая масштабируемость прокладывает путь к адаптивным нейропротезам и интерфейсам мозг-ИИ для лечения многих нейропсихиатрических расстройств, таких как эпилепсия».
Д-р Бретт Янгерман, профессор-адъюнкт неврологической хирургии Колумбийского университета и нейрохирург Медцентра Ирвинга выступал в роли главного клинического сотрудника проекта. «Это высокоразрешающее, высокопроизводительное устройство передачи данных обладает потенциалом произвести революцию в лечении неврологических состояний от эпилепсии до паралича», — говорит он. Янгерман, Шепард и специалист по эпилепсии, невролог, д-р Кэтрин Шевон недавно получили от Национальных институтов здоровья грант на использование BISC при лечении препаратоустойчивой эпилепсии. «Основой создания эффективных устройств с интерфейсом мозг-компьютер является максимальное использование потока информации в мозг и из мозга, при этом делая устройство настолько минимально инвазивным в его хирургическом имплантировании, насколько это возможно. BISC превосходит предыдущие технологии по обоим фронтам», — добавляет Янгерман.
«Это стало возможным благодаря полупроводниковым технологиям, позволившим мощностям компьютеров размером с комнату теперь умещаться в вашем кармане, — говорит Шепард. — Теперь мы делаем то же самое с медицинскими имплантируемыми устройствами, позволяя сложной электронике существовать внутри организма, почти не занимая пространства».
Проектирование BCI следующего поколения
BCI работают, связываясь с электрическими сигналами, используемыми нейронами для коммуникации. Имеющиеся на сегодня BCI медицинского уровня обычно работают на нескольких отдельных микроэлектронных компонентах, таких как усилители, преобразователи данных и радиопередатчики. Эти части должны храниться в имплантированных капсулах относительно больших размеров, которые внедряются либо путём удаления части черепа, либо в другой части тела, например, в груди, соединяясь с мозгом проводами.
BISC устроен другим образом. Система целиком помещается на единой КМОП-интегрированной схеме (CMOS), доведённой до толщины в 50 микрон и занимающей менее 1/1000-й от объёма стандартного импланта. Имея общий объём в 3 мм³, этот гибкий чип может принимать форму поверхности мозга. В этом микроэлектрокортикографическом (µECoG) устройстве содержится 65 536 электродов, 1024 записывающих канала и 16 384 канала стимуляции. Поскольку чип производится с использованием производственных методов полупроводниковой индустрии, он подходит для широкомасштабного производства.
В чипе совмещены радио-приёмопередатчик, беспроводная схема питания, электроника цифрового управления, система управления питанием, преобразователи данных и аналоговые компоненты, необходимые как для записи, так и для стимуляции. Внешняя ретрансляционная станция обеспечивает передачу энергии и данных за счёт специально разработанной сверхширокополосной радиосвязи, скорость которой достигает 100 Мбит/с, и эта производительность как минимум в 100 раз превосходит любые из имеющихся на данный момент BCI. Работая в режиме 802.11 wi-fi устройства, ретранслятор эффективно связывает имплант с любым компьютером.
В BISC встроен собственный набор инструкций, а также полноценная программная среда, что обеспечивает специализированную компьютерную систему для мозговых интерфейсов. Высокоскоростная запись, продемонстрированная в этом исследовании, позволяет обрабатывать сигналы мозга с помощью передовых алгоритмов машинного и глубокого обучения, которые могут интерпретировать сложные намерения, опыт восприятия и состояния мозга.
«Интегрировав всё в одном кусочке кремния, мы показали, как сделать мозговые интерфейсы меньше, безопаснее и существенно мощнее», — говорит Шепард.
Передовое производство полупроводников
BISC-имплант был создан с использованием 0,13-микронной технологии Bipolar-CMOS-DMOS (BCD) компании TSMC. Этот производственный метод объединяет три полупроводниковые технологии в одном чипе для производства интегрированных схем со смешанным сигналом. Это делает возможной эффективную совместную работу цифровой логики (от CMOS), сильноточных и высоковольтных аналоговых функций (от двухполюсных и DMOS-транзисторов) и устройств питания (от DMOS), и все они жизненно необходимы для производительности BISC.
От лаборатории к клиническому применению
Чтобы перевести систему в повседневное медицинское использование, группа Шепарда сотрудничала с Янгерманом в Медицинском центре Колумбийского университета и Нью-Йоркской пресвитерианской больницей. Они разработали хирургические процедуры, чтобы безопасно использовать имплант в доклинической модели и подтвердили, что устройство выполняет стабильные высококачественные записи. Кратковременные внутриоперационные исследования на человеке уже проводятся.
«Эти первые исследования обеспечивают нас неоценимыми данными о том, как ведёт себя устройство в реальной хирургической обстановке, — говорит Янгерман. — Импланты могут вставляться сквозь минимально инвазивный надрез в черепе и соскальзывать непосредственно на поверхность мозга в располагающееся под твёрдой мозговой оболочкой пространство. Форм-фактор бумажной толщины и отсутствие проникающих в мозг электродов или проводов, прикрепляющих имплант к черепу минимизируют реакцию тканей и ухудшение сигнала с течением времени».
Масштабная доклиническая работа на двигательной и зрительной коре проводилась с участием д-ра Толиаса И Бижана Песарана, профессора нейрохирургии Пенсильванского университета, оба из которых — признанные лидеры в вычислительной и системной нейронауке.
«Крайняя миниатюризация BISC очень радует в качестве платформы для новых поколений имплантируемых технологий, которые также связываются с мозгом с помощью других методов, таких как свет и звук», — говорит Песаран.
BISC разрабатывался в рамках программы Дизайна нейронных инжиниринговых систем Управления перспективных исследований министерства обороны США (DARPA), и стал результатом глубоких познаний микроэлектроники Колумбийского университета, передовых программ нейронауки Стэнфордского и Пенсильванского университетов и хирургических мощностей Медицинского центра Колумбийского университета и Пресвитерианской больницы Нью-Йорка.
Коммерческое развитие и интеграция с ИИ в будущем
Чтобы приблизить технологию к практическому использованию, исследователи из Колумбии и Стэнфорда создали компанию Kampto Neurotech, стартап, основанный выпускником факультета электроинжениринга д-ром Нанью Дзеном, одним из ведущих инженеров проекта. Компания производит готовые для исследований версии чипов и работает над обеспечением финансирования для подготовки использования системы на людях.
«Это фундаментально иной способ производства BCI-устройств, — говорит Дзен. — BISC обладает технологическими возможностями, превосходящими возможности конкурирующих устройств на несколько порядков».
С продолжающимся развитием технологий ИИ, BCI наращивают обороты как для восстановления утраченных способностей у людей с неврологическими расстройствами, так и для вероятных будущих применений, расширяющих нормальное функционирование мозга за счёт его прямой связи с компьютером.
«Объединив нейронную запись ультравысокого разрешения с полностью беспроводным режимом, и присовокупив это к передовым алгоритмам кодировки и стимуляции, мы движемся в сторону будущего, где мозг и системы ИИ могут взаимодействовать беспрепятственно — не только в целях исследований, но и для блага человека, — говорит Шепард. — Это может изменить наше отношение к расстройствам мозга, нашему взаимодействию с машинами и, в конечном итоге, ко взаимодействию человека и ИИ».
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК». Источники.
Материалы предоставлены Школой инженерных и прикладных наук Колумбийского университета.
Вам также может быть интересно: