Совершенно новая разработка в области мозговых имплантов обещает значительно изменить способы взаимодействия человека с компьютерами, одновременно открывая перспективы для лечения таких состояний, как эпилепсия, травмы спинного мозга, боковой амиотрофический склероз, инсульт и слепота. Это устройство создает минимально инвазивный, высокопроизводительный канал связи с мозгом, способный помочь в контроле судорог, а также восстановить двигательные, речевые и зрительные функции.
Ключевое преимущество этой технологии заключается в ее чрезвычайно малом размере в сочетании с высокой скоростью передачи данных. Устройство, разработанное в рамках сотрудничества Колумбийского университета, больницы Нью-Йорк–Пресвитериан, Стэнфордского университета и Университета Пенсильвании, представляет собой интерфейс «мозг–компьютер» (BCI), построенный на одном кремниевом чипе. Этот чип обеспечивает беспроводную высокоскоростную связь между мозгом и внешними вычислительными системами. Система получила название «Биологический интерфейс кортекса» (BISC).
Исследование, опубликованное 8 декабря в научном журнале *Nature Electronics*, подробно описывает архитектуру BISC, включающую чип-имплант, портативную «ретрансляционную станцию» и программное обеспечение для управления платформой. Профессор электротехники Колумбийского университета Кен Шепард, один из ведущих авторов и руководитель инженерных работ, отмечает, что большинство существующих имплантируемых систем построены вокруг блока электроники, занимающего значительный объем внутри тела. «Наш имплант – это единый интегральный чип, настолько тонкий, что его можно разместить в пространстве между мозгом и черепом, где он будет лежать на мозге, как тонкий лист влажной бумаги», – объясняет Шепард.
Кен Шепард тесно сотрудничал с профессором Андреасом С. Толиасом из Стэнфордского университета, который обладает обширным опытом в обучении систем искусственного интеллекта на основе крупномасштабных нейронных записей, включая те, что были получены с помощью BISC. Доктор Толиас подчеркивает, что BISC превращает поверхность коры головного мозга в эффективный портал, обеспечивающий высокоскоростную и малоинвазивную «чтение–запись» связь с искусственным интеллектом и внешними устройствами. Его масштабируемость на базе одного чипа открывает путь для адаптивных нейропротезов и интерфейсов «мозг–искусственный интеллект» для лечения многих нейропсихиатрических расстройств, например, эпилепсии.
Доктор Бретт Янгерман из Колумбийского университета, нейрохирург, выступал в качестве главного клинического партнера проекта. Он считает, что это устройство с высоким разрешением и огромной пропускной способностью данных способно совершить революцию в лечении неврологических состояний – от эпилепсии до паралича. Доктор Янгерман, Шепард и невролог-эпилептолог доктор Кэтрин Шевон недавно получили грант Национального института здравоохранения США для использования BISC в лечении фармакорезистентной эпилепсии. «Ключ к эффективным устройствам интерфейса «мозг–компьютер» – это максимизация потока информации к мозгу и от него при минимально инвазивной хирургической имплантации. BISC превосходит предыдущие технологии по обоим этим показателям», – добавляет Янгерман.
Профессор Шепард указывает, что это стало возможным благодаря развитию полупроводниковых технологий, которые позволили уместить вычислительную мощность компьютеров размером с комнату в карман. «Теперь мы делаем то же самое для медицинских имплантируемых устройств, позволяя сложной электронике существовать в теле, почти не занимая места», – говорит он.
Интерфейсы «мозг–компьютер» функционируют путем подключения к электрическим сигналам, используемым нейронами для передачи информации. Существующие медицинские BCI обычно используют набор отдельных микроэлектронных компонентов – усилителей, преобразователей данных и радиопередатчиков. Эти части должны быть размещены в относительно большом имплантируемом корпусе, который устанавливается либо путем удаления части черепа, либо в другой части тела, например, в грудной клетке, с проводами, тянущимися к мозгу.
BISC построен иначе. Вся система размещена на одной комплементарной металлооксидно-полупроводниковой (CMOS) интегральной схеме, толщина которой составляет всего 50 микрометров. Она занимает менее одной тысячной объема стандартного импланта. Гибкий чип общим размером около 3 кубических миллиметров может изгибаться, повторяя поверхность мозга. Это микроэлектрокортикографическое устройство (µECoG) содержит 65 536 электродов, 1024 канала записи и 16 384 канала стимуляции. Поскольку чип производится с использованием стандартных методов полупроводниковой промышленности, он подходит для крупномасштабного производства.
Чип объединяет радиоприемопередатчик, беспроводную цепь 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 через специальный сверхширокополосный радиоканал со скоростью 100 мегабит в секунду – это минимум в сто раз выше пропускной способности любого другого доступного беспроводного BCI. Работая как устройство стандарта 802.11 WiFi, ретрансляционная станция эффективно соединяет любой компьютер с имплантом.
BISC включает собственный набор инструкций и комплексную программную среду, формируя специализированную вычислительную систему для мозговых интерфейсов. Высокоскоростная запись, продемонстрированная в исследовании, позволяет обрабатывать мозговые сигналы с помощью передовых алгоритмов машинного и глубокого обучения, способных интерпретировать сложные намерения, перцептивный опыт и состояния мозга. «Интегрировав все на одном кремниевом чипе, мы показали, как мозговые интерфейсы могут стать меньше, безопаснее и значительно мощнее», – резюмирует Шепард.
Имплант BISC был изготовлен с использованием технологии Bipolar-CMOS-DMOS (BCD) 0,13 мкм компании TSMC. Этот метод производства объединяет три полупроводниковые технологии в одном чипе для создания смешанных интегральных схем. Он позволяет эффективно работать цифровой логике (CMOS), сильноточной и высоковольтной аналоговой функции (биполярные и DMOS транзисторы) и силовым устройствам (DMOS), что критически важно для производительности BISC.
Для перехода системы к реальному медицинскому применению группа Шепарда сотрудничала с доктором Янгерманом из Медицинского центра Нью-Йорк–Пресвитериан/Колумбийского университета Ирвинг. Они разработали хирургические процедуры для безопасной установки тонкого импланта в доклинической модели и подтвердили, что устройство обеспечивает высококачественные, стабильные записи. Краткосрочные интраоперационные исследования на пациентах-людях уже ведутся.
Доктор Янгерман отмечает: «Эти первоначальные исследования дают нам бесценные данные о том, как устройство работает в реальных хирургических условиях. Импланты могут быть введены через минимально инвазивный разрез в черепе и помещены непосредственно на поверхность мозга в субдуральном пространстве. Тонкий форм-фактор размером с бумагу и отсутствие проникающих в мозг электродов или проводов, прикрепляющих имплант к черепу, минимизируют тканевую реактивность и деградацию сигнала со временем».
Обширная доклиническая работа в моторной и зрительной коре проводилась совместно с доктором Толиасом и профессором нейрохирургии Университета Пенсильвании Биджаном Песараном, признанными лидерами в области вычислительной и системной нейронауки. Профессор Песаран считает, что «экстремальная миниатюризация BISC очень обнадеживает как платформа для новых поколений имплантируемых технологий, которые также взаимодействуют с мозгом с помощью других модальностей, таких как свет и звук».
Разработка BISC осуществлялась в рамках программы Neural Engineering System Design Агентства перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) и опирается на глубокий опыт Колумбийского университета в микроэлектронике, передовые нейронаучные программы Стэнфорда и Пенсильвании, а также хирургические возможности Медицинского центра Нью-Йорк–Пресвитериан/Колумбийского университета Ирвинг.
Чтобы приблизить технологию к практическому применению, исследователи из Колумбийского и Стэнфордского университетов создали стартап Kampto Neurotech, основанный выпускником Колумбийского университета доктором Нанью Цзэном, одним из ведущих инженеров проекта. Компания производит версии чипа, готовые для исследований, и работает над привлечением финансирования для подготовки системы к использованию у пациентов.
Доктор Цзэн подчеркивает: «Это принципиально иной способ создания устройств BCI. Таким образом, BISC обладает технологическими возможностями, которые на много порядков превосходят возможности конкурирующих устройств».
По мере развития искусственного интеллекта интерфейсы «мозг–компьютер» набирают обороты как для восстановления утраченных способностей у людей с неврологическими расстройствами, так и для потенциальных будущих приложений, повышающих нормальное функционирование через прямую связь «мозг–компьютер».
Профессор Шепард заключает: «Сочетая сверхвысокое разрешение нейронной записи с полностью беспроводной работой и передовыми алгоритмами декодирования и стимуляции, мы движемся к будущему, где мозг и системы искусственного интеллекта смогут взаимодействовать беспрепятственно – не только для исследований, но и на благо человека. Это может изменить способы лечения расстройств мозга, наше взаимодействие с машинами и, в конечном итоге, то, как люди взаимодействуют с искусственным интеллектом».
