Тонкий, как бумага, кремниевый имплантат создает быстрый беспроводной канал связи между мозгом и искусственным интеллектом, открывая новые возможности для восстановления утраченных функций.
Новый мозговой имплантат может существенно изменить способы взаимодействия людей с компьютерами, а также открыть новые возможности для лечения таких заболеваний, как эпилепсия, травмы спинного мозга, боковой амиотрофический склероз, инсульт и слепота. Создавая малоинвазивный и высокопроизводительный канал связи с мозгом, имплантат может помочь контролировать приступы и восстанавливать двигательные, речевые и зрительные функции.
Перспективность этой технологии обусловлена ее чрезвычайно малыми размерами и способностью передавать данные на очень высоких скоростях. Устройство, разработанное в рамках сотрудничества Колумбийского университета, Пресвитерианской больницы Нью-Йорка, Стэнфордского университета и Пенсильванского университета, представляет собой интерфейс «мозг — компьютер» (ИМК), созданный на основе одного кремниевого чипа. Этот чип обеспечивает беспроводную связь с высокой пропускной способностью между мозгом и внешними компьютерами. Система получила название «Биологический интерфейс с корой головного мозга» (Biological Interface System to Cortex, BISC).
В исследовании, опубликованном 8 декабря в журнале Nature Electronics, описана архитектура BISC, которая включает в себя имплантат на основе чипа, носимую «ретрансляционную станцию» и программное обеспечение, необходимое для работы платформы. «Большинство имплантируемых систем состоят из электронного блока, который занимает огромное пространство внутри тела», — говорит Кен Шепард, профессор электротехники, биомедицинской инженерии и неврологии в Колумбийском университете, один из старших авторов исследования и руководитель инженерной группы. «Наш имплантат представляет собой микросхему с одной интегральной схемой. Она настолько тонкая, что может проникнуть в пространство между мозгом и черепом и прилегать к мозгу, как влажная салфетка».
Преобразование ядра в интерфейс с высокой пропускной способностью
Шепард тесно сотрудничал со старшим автором и соавтором исследования Андреасом С. Толиасом, доктором философии, профессором Института зрения Байерса при Стэнфордском университете и одним из основателей проекта Enigma. Обширный опыт Толиаса в обучении систем искусственного интеллекта на основе крупномасштабных нейронных записей, в том числе собранных с помощью BISC, помог команде проанализировать, насколько хорошо имплант может декодировать активность мозга. «BISC превращает поверхность коры головного мозга в эффективный портал, обеспечивающий высокоскоростную, минимально инвазивную связь для чтения и записи данных с искусственным интеллектом и внешними устройствами, — говорит Толиас. — Масштабируемость на уровне одного чипа открывает путь к адаптивным нейропротезам и интерфейсам «мозг — искусственный интеллект» для лечения многих нервно-психических расстройств, таких как эпилепсия».
Доктор Бретт Янгерман, доцент кафедры нейрохирургии Колумбийского университета и нейрохирург в Медицинском центре Ирвинга при Пресвитерианской больнице Нью-Йорка и Колумбийском университете, был главным клиническим консультантом проекта. «Это устройство с высоким разрешением и пропускной способностью может произвести революцию в лечении неврологических заболеваний — от эпилепсии до паралича», — говорит он. Янгерман, Шепард и невролог из Пресвитерианской больницы Нью-Йорка и Колумбийского университета, специализирующаяся на эпилепсии, доктор Кэтрин Шевон недавно получили грант от Национального института здравоохранения на использование BISC для лечения лекарственно-устойчивой эпилепсии. «Ключ к созданию эффективных устройств для интерфейса «мозг — компьютер» — в максимальном увеличении потока информации, поступающей в мозг и исходящей из него, при этом хирургическая имплантация устройства должна быть минимально инвазивной. BISC превосходит предыдущие технологии по обоим параметрам», — добавляет Янгерман.
«Это стало возможным благодаря полупроводниковым технологиям, которые позволили уместить вычислительную мощность компьютеров размером с комнату в карман, — говорит Шепард. — Теперь мы делаем то же самое для медицинских имплантатов, позволяя сложной электронике находиться в теле человека, занимая при этом минимум места».
Разработка интерфейса «мозг-компьютер» нового поколения
Интерфейс «мозг-компьютер» взаимодействует с электрическими сигналами, которые нейроны используют для передачи информации. Современные медицинские интерфейсы «мозг-компьютер» обычно состоят из множества отдельных микроэлектронных компонентов, таких как усилители, преобразователи данных и радиопередатчики. Эти компоненты должны быть помещены в относительно большую имплантируемую капсулу, которая устанавливается либо путем удаления части черепа, либо в другой части тела, например в грудной клетке, с проводами, ведущими к мозгу.
BISC устроен иначе. Вся система размещена на одной интегральной схеме с комплементарной структурой металл-оксид-полупроводник (КМОП), толщина которой составляет 50 мкм, а объем — менее 1/1000 объема стандартного имплантата. Гибкий чип размером около 3 мм3 может изгибаться, повторяя форму поверхности мозга. Это устройство для микроэлектрокортикографии (µECoG) содержит 65 536 электродов, 1024 записывающих канала и 16 384 стимулирующих канала. Поскольку чип изготовлен с использованием методов производства полупроводниковой промышленности, он подходит для крупномасштабного производства.
Чип включает в себя радиопередатчик, беспроводную схему питания, цифровую управляющую электронику, систему управления питанием, преобразователи данных и аналоговые компоненты, необходимые как для записи, так и для стимуляции. Внешняя ретрансляционная станция обеспечивает питание и передачу данных по специальному сверхширокополосному радиоканалу со скоростью до 100 Мбит/с, что как минимум в 100 раз превышает пропускную способность любого другого беспроводного интерфейса «мозг — компьютер». Ретрансляционная станция работает как устройство стандарта 802.11 WiFi и обеспечивает связь между имплантом и любым компьютером.
BISC включает в себя собственный набор инструкций и комплексную программную среду, образуя специализированную вычислительную систему для нейроинтерфейсов. Запись с высокой пропускной способностью, продемонстрированная в этом исследовании, позволяет обрабатывать сигналы мозга с помощью передовых алгоритмов машинного и глубокого обучения, которые могут интерпретировать сложные намерения, перцептивные переживания и состояния мозга.
«Объединив все компоненты на одном кремниевом чипе, мы показали, что интерфейсы мозга могут стать меньше, безопаснее и значительно мощнее», — говорит Шепард.
Передовое производство Полупроводников
Имплантат BISC был изготовлен по технологии Bipolar-CMOS-DMOS (BCD) компании TSMC с проектным размером 0,13 мкм. Этот метод производства объединяет три полупроводниковые технологии в одном чипе для создания интегральных схем со смешанными сигналами (ИС). Он позволяет эффективно сочетать цифровую логику (на основе КМОП), сильноточные и высоковольтные аналоговые функции (на основе биполярных транзисторов и транзисторов с изолированным затвором) и силовые устройства (на основе транзисторов с изолированным затвором), которые необходимы для работы BISC.
От лабораторных исследований к клиническому применению
Чтобы внедрить систему в реальную медицинскую практику, группа Шепарда объединила усилия с Янгерманом из Медицинского центра Ирвинга при Пресвитерианской больнице Нью-Йорка и Колумбийском университете. Они разработали хирургические процедуры для безопасного размещения тонкого имплантата на доклинической модели и подтвердили, что устройство обеспечивает высококачественную и стабильную запись. Уже проводятся краткосрочные интраоперационные исследования на людях.
«Эти предварительные исследования дают нам бесценные данные о том, как устройство работает в реальных хирургических условиях, — говорит Янгерман. — Имплантаты можно вводить через малоинвазивный разрез в черепе и размещать непосредственно на поверхности мозга в субдуральном пространстве. Благодаря тонкому, как бумага, корпусу и отсутствию проникающих в мозг электродов или проводов, прикрепляющих имплантат к черепу, реактивность тканей и ухудшение сигнала со временем сведены к минимуму».
Обширные доклинические исследования моторной и зрительной коры головного мозга проводились совместно с доктором Толиасом и Биджаном Пешараном, профессором нейрохирургии Пенсильванского университета, признанными лидерами в области вычислительной и системной нейробиологии.
«Экстремальная миниатюризация, достигнутая компанией BISC, открывает широкие возможности для создания новых поколений имплантируемых технологий, которые будут взаимодействовать с мозгом с помощью других модальностей, таких как свет и звук», — говорит Пезаран.
BISC был разработан в рамках программы Neural Engineering System Design Агентства перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) и опирается на обширный опыт Колумбийского университета в области микроэлектроники, передовые нейробиологические программы Стэнфордского и Пенсильванского университетов, а также хирургические возможности медицинского центра Нью-Йоркского пресвитерианского госпиталя/Колумбийского университета имени Ирвинга.
Коммерческое развитие и будущая интеграция искусственного интеллекта
Чтобы приблизить эту технологию к практическому применению, исследователи из Колумбийского и Стэнфордского университетов создали Kampto Neurotech — стартап, основанный доктором Нанью Цзэном, выпускником факультета электротехники Колумбийского университета и одним из ведущих инженеров проекта. Компания производит готовые к исследованиям версии чипа и работает над привлечением финансирования, чтобы подготовить систему к использованию на людях.
«Это принципиально иной подход к созданию устройств для нейрокомпьютерного интерфейса, — говорит Цзэн. — Таким образом, технологические возможности BISC на много порядков превосходят возможности конкурирующих устройств».
По мере дальнейшего развития искусственного интеллекта ИМК набирают обороты как для восстановления утраченных способностей у людей с неврологическими расстройствами, так и для потенциальных будущих применений, улучшающих нормальное функционирование за счет прямой связи мозга с компьютером.
«Сочетая нейронную регистрацию сверхвысокого разрешения с полностью беспроводным управлением и передовыми алгоритмами декодирования и стимуляции, мы движемся к будущему, в котором мозг и системы искусственного интеллекта смогут беспрепятственно взаимодействовать — не только в исследовательских целях, но и на благо человека, — говорит Шепард. — Это может изменить подход к лечению заболеваний мозга, взаимодействие с машинами и, в конечном счете, взаимодействие людей с искусственным интеллектом».