新的大腦植入物可以顯著改變人們與計算機交互的方式。同時，它也帶來了新的治療可能性。通過創建一條微創、高通量的大腦通訊路徑，治療癲癇、脊髓損傷、ALS、中風和失明等疾病。因此，它有可能支持癲癇發作控制。並有助於恢復移動、說話和視力的能力。
這項技術的前景來自於其極小的尺寸以及以非常高的速度傳輸數據的能力。它是與哥倫比亞大學合作開發的。紐約長老會醫院斯坦福大學和賓夕法尼亞大學該設備是使用單個矽芯片構建的腦機接口（BCI）。該芯片在大腦和外部計算機之間創建無線、高帶寬連接。該系統被稱為皮質生物接口系統（BISC）。
該研究發表於 12 月 8 日 自然電子學 BISC 架構摘要，包括基於芯片的植入式設備、可穿戴“廣播站”以及運行該平台所需的軟件“大多數植入系統都是圍繞電子罐構建的，佔據了身體上巨大的空間，”電氣工程教授、生物醫學工程教授 Ken Shepherd 說。哥倫比亞大學神經科學教授。 “我們的植入物是一個單一的集成電路芯片，它非常薄，可以放入大腦和頭骨之間的空間，”資深作者兼工程負責人馬科博士說。像濕紙巾一樣停留在大腦上。 ”
將 Cortex 轉換為高帶寬接口
謝潑德與斯坦福大學拜爾斯眼科研究所教授、資深作者和合著者安德烈亞斯·S·托利亞斯博士密切合作。 Tolias 是 Enigma 項目的聯合創始人兼主任，他在大規模神經記錄上訓練人工智能係統方面擁有豐富的經驗。包括通過 BISC 收集的數據，該團隊能夠分析植入物解讀大腦活動的能力。 “BISC 將大腦表面變成一個高效的門戶。通過提供與人工智能和外部設備的高帶寬微創讀寫通信，”Tolias 說。 “單芯片可擴展性為可重構神經系統和大腦人工智能接口鋪平了道路。治療癲癇等許多神經精神疾病”
Brett Youngerman 博士是哥倫比亞大學神經外科助理教授。紐約長老會/哥倫比亞大學歐文醫學中心的神經外科醫生是該項目的主要臨床合作者。 “這種高分辨率、高通量的設備有可能徹底改變從癲癇到癱瘓等神經系統疾病的治療，”他說。 Youngerman、Shepard 和紐約長老會/哥倫比亞癲癇神經學家 Catherine Schevon 博士最近獲得了美國國立衛生研究院的資助，使用 BISC 治療耐藥性癲癇。 Youngerman 補充道：“有效的腦機接口的關鍵是最大限度地提高進出大腦的信息流。在使植入手術設備盡可能微創的同時，BISC 在這兩個領域都優於以前的技術。”
“半導體技術使這成為可能。它可以將房間大小的計算機的處理能力裝進你的口袋裡，”謝潑德說。 “我們現在正在對醫療植入物做同樣的事情。這使得複雜的電子設備能夠容納在體內，幾乎不佔用任何空間。”
下一代腦機接口工程
腦機接口通過與神經細胞用於通信的電信號連接來發揮作用。當今的醫療級腦機接口通常使用多個獨立的微電子元件，例如放大器。數據轉換器和無線電發射器這些部件必須存放在相對較大的埋地罐中。這涉及去除部分頭骨或將其放置在身體的另一部分，例如胸部，並用電線一直延伸到大腦。
BISC 的構建方式不同。整個系統基於單個增強型金屬氧化物半導體 (CMOS) 集成電路，該集成電路已減薄至 50 μm，所佔體積不到標準植入物的 1/1000。總尺寸約3毫米3柔性芯片可以彎曲以貼合大腦表面。微皮質描記術 (μECoG) 設備由 65,536 個電極、1,024 個記錄通道和 16,384 個刺激通道組成。由於該芯片採用半導體行業採用的製造方法製造，因此適合大規模生產。
該芯片包含一個無線電收發器。無線電源電路 數字控制電子設備 電源管理數據轉換器以及用於記錄和刺激的必要模擬組件。外部中繼站通過定制超寬帶無線電鏈路提供電力和數據通信，速度高達 100 Mbps，吞吐量比目前可用的任何其他無線 BCI 高至少 100 倍。中繼站作為 WiFi 802.11 設備工作，有效地將任何計算機連接到嵌入式設備。
BISC 將自己的命令集集成到綜合軟件環境中。這為大腦接口創建了一個專門的計算機系統。這項研究中顯示的高帶寬記錄允許先進的機器學習和深度學習算法處理大腦信號。可以解釋複雜的意圖感知體驗和大腦狀態
“通過將所有東西集成到一塊矽片中，我們已經展示了大腦接口如何變得更小、更安全和更高效，”謝潑德說。
先進半導體製造
BISC 牙種植體採用技術製造。台積電的 0.13μm 雙極-CMOS-DMOS (BCD) 製造方法在單個芯片上結合了三種半導體技術，以創建混合信號集成電路 (IC)，使數字邏輯（來自 CMOS）能夠執行高電流、高電壓模擬功能。功率器件（來自雙極晶體管和 DMOS）和功率器件（來自 DMOS）高效地協同工作。所有這些對於 BISC 的有效性都是必要的。
從實驗室轉向臨床應用
為了將該系統轉變為現實世界的醫療用途，Shepard 的團隊與紐約長老會/哥倫比亞大學歐文醫學中心的 Youngerman 合作，開發了一種外科手術，可以在臨床前模型中安全地插入薄植入物。並確認設備能夠產生高質量且穩定的錄音。目前正在進行針對人類患者的短期術中研究。
“這些初步研究為我們提供了有關該設備在真實手術環境中如何運行的寶貴信息，”Youngerman 說。 “植入物可以通過顱骨上的微創切口插入，並且可以直接滑到頦下管中的大腦表面。其薄如紙的外形以及沒有將植入物綁在顱骨上的穿腦電極或電線，可以減少組織反應和信號隨著時間的推移而退化。”
Tolias 博士和賓夕法尼亞大學神經外科教授 Bijan Pesaran 都在運動和視覺皮層方面進行了廣泛的臨床前工作。兩人都是計算和系統神經科學領域公認的領導者。
“BISC 的極端小型化作為下一代植入技術的平台非常令人興奮。它還以其他方式連接到大腦，例如光和聲音，”Pesaran 說。
BISC 是通過國防高級研究計劃局 (DARPA) 神經工程系統設計計劃開發的，並藉鑑了哥倫比亞大學在微電子領域的深厚專業知識。斯坦福大學和賓夕法尼亞大學的高級神經科學課程和外科手術能力紐約長老會/哥倫比亞大學歐文醫學中心
AI未來商業發展與融合
為了使這項技術更接近實際應用，哥倫比亞大學和斯坦福大學的研究人員創建了 Kampto Neurotech，這是一家由哥倫比亞大學電氣工程校友 Nanyu Zeng 博士創立的初創公司。他是該項目的首席工程師之一。該公司正在生產該芯片的研究就緒版本。並努力爭取資金來準備該系統用於人類患者。
Zeng 說：“這是構建 BCI 設備的一種根本不同的方式。” “通過這種方式，BISC 的技術能力遠遠優於競爭設備。”
隨著人工智能的不斷發展，BCI 在恢復神經系統疾病患者失去的能力方面正在獲得動力。以及未來可能通過直接腦機通信來增強正常性能的應用。
“通過將超高分辨率神經記錄與完全無線操作相結合，並搭配先進的解碼和刺激算法。我們正在邁向大腦和人工智能係統可以無縫交互的未來。不僅僅是為了研究“這可能會改變我們治療大腦疾病的方式。如何連接到機器以及人類最終如何與人工智能互動。 ”
