VIDEO: Čip šalje moždane signale WiFijem

Novi moždani implantat koji su razvili znanstvenici Columbia Engineeringa na američkom Sveučilištu Columbia, transformirat će interakciju čovjeka i računala te proširiti mogućnosti liječenja neuroloških stanja poput epilepsije, ozljede leđne moždine, amiotrofične lateralne skleroze (ALS), moždanog udara i sljepoće, pomažući u upravljanju napadajima i vraćanju motoričkih, govornih i vidnih funkcija.

Transformacijski potencijal ovog novog sustava leži u njegovoj maloj veličini i sposobnosti prijenosa podataka velikim brzinama. Razvijeno od strane istraživača sa Sveučilišta Columbia, New York-Presbyterian, Sveučilišta Stanford i Sveučilišta Pennsylvania, ovo sučelje mozga i računala (BCI) oslanja se na jedan silicijski čip za uspostavljanje bežične veze velike propusnosti između mozga i bilo kojeg vanjskog računala. Platforma se naziva Biološki sustav sučelja za korteks (BISC), kao što možete vidjeti u ovom videu.

Opisan u studiji objavljenoj 8. prosinca u časopisu Nature Electronics, BISC uključuje implantat s jednim čipom, nosivu „relejnu stanicu“ i prilagođeni softver potreban za rad sustava. „Većina implantabilnih sustava izgrađena je oko spremnika elektronike koji zauzima ogromne količine prostora unutar tijela“, kaže  Ken Shepard, profesor  elektrotehnike na Sveučilištu Lau Family , profesor  biomedicinskog inženjerstva i profesor neuroloških znanosti na Sveučilištu Columbia, koji je jedan od glavnih autora rada. „Naš implantat je jedan integrirani krug koji je toliko tanak da može kliziti u prostor između mozga i lubanje, naslanjajući se na mozak poput komada mokrog papirnatog tkiva.“

BCI-ji rade tako što se povezuju s električnim signalima koje neuroni koriste za prijenos informacija kroz mozak. Današnji najsuvremeniji BCI-ji, koji se koriste u medicinskom kontekstu, izrađeni su od pojedinačnih mikroelektroničkih komponenti, uključujući pojačala, pretvarače podataka, radio odašiljače i sklopove za upravljanje napajanjem. Kako bi se smjestili svi ovi uređaji, veliki spremnik elektronike mora se kirurški implantirati u tijelo, bilo uklanjanjem dijela lubanje ili postavljanjem uređaja na drugo mjesto, poput prsnog koša, i provođenjem žica do mozga.

BISC funkcionira drugačije. Cijeli implantat, koji zauzima manje od 1/1000 veličine konvencionalnog uređaja, je jedan komplementarni metal-oksid-poluvodički (CMOS) integrirani krug istanjen na samo 50 μm. S ukupnim volumenom od približno 3 mm³, fleksibilni čip prilagođava se površini mozga. Ovaj uređaj za mikroelektrokortikografiju (µECoG) integrira 65.536 elektroda, 1024 kanala za simultano snimanje i 16.384 kanala za stimulaciju. Korištenjem tehnika proizvodnje velikih razmjera razvijenih u industriji poluvodiča, ovi se implantati mogu lako proizvoditi u velikim razmjerima.

Jednočipni implantat uključuje radio primopredajnik, bežični sklop za napajanje, digitalno upravljanje, upravljanje napajanjem, pretvorbu podataka i analogne sklopove potrebne za podršku sučelja za snimanje i stimulaciju. Relejna stanica na baterije napaja i komunicira s implantatom, prenoseći podatke putem prilagođene ultraširokopojasne radio veze koja postiže propusnost podataka od 100 Mbps - vezu s najmanje 100 puta većom propusnošću od bilo kojeg konkurentskog bežičnog BCI uređaja.

Relejna stanica je sama po sebi 802.11 WiFi uređaj, koji zapravo formira relejnu bežičnu mrežnu vezu s bilo kojeg računala na mozak.

BISC ima vlastiti skup instrukcija, podržan opsežnim softverskim paketom, koji zajedno čine računalnu arhitekturu dizajniranu za BCI-je. Ove mogućnosti snimanja velike propusnosti omogućuju slanje obrazaca moždanih signala naprednim okvirima strojnog učenja ili dubokog učenja za dekodiranje složenih namjera, percepcija ili stanja.

BISC implantat proizveden je korištenjem TSMC-ove svestrane 0,13-μm bipolarne CMOS-DMOS (BCD) tehnologije. Ovaj proizvodni proces integrira tri tehnologije na jedan čip kako bi se stvorili integrirani krugovi (IC) mješovitog signala. Ova integracija omogućuje učinkovitu kombinaciju digitalne logike (iz CMOS-a), analognih funkcija visoke struje i visokog napona (iz bipolarnih i DMOS tranzistora) i energetskih uređaja (iz DMOS-a), a sve je to bitno za BISC.

Kako bi ovu tehnologiju učinili dostupnom liječnicima i pacijentima, Shepardova grupa blisko je surađivala s Youngermanom u Medicinskom centru Irving Sveučilišta New York-Presbyterian/Columbia. Zajedno su usavršili kirurške metode za sigurnu implantaciju tankog uređaja u predkliničkom modelu i demonstrirali njegovu kvalitetu i stabilnost snimanja, kao što je opisano u trenutnoj studiji. Studije na ljudskim pacijentima za kratkotrajna intraoperativna snimanja su u tijeku.

Timovi s Columbije i Stanforda pokrenuli su Kampto Neurotech, spin-off tvrtku koju je osnovao bivši student elektrotehnike s Columbije, dr. Nanyu Zeng, jedan od glavnih inženjera projekta. Kampto Neurotech razvija komercijalne verzije čipa za predkliničke istraživačke primjene i prikuplja sredstva za unapređenje sustava prema ljudskoj upotrebi.