Разработан ультратонкий чип с 65 тысячами электродов для взаимодействия с мозгом

Новости МирТесен

Команда ученых из Колумбийского университета, Нью-Йоркской пресвитерианской больницы, Стэнфордского и Пенсильванского университетов разработала принципиально новую платформу для взаимодействия «мозг-компьютер». Инновационная система, обозначенная как BISC (Biological Interface System to Cortex), основана на ультратонком однокристальном имплантате, который позволяет беспроводной передачей нейронных данных с невиданной ранее скоростью.

Устройство может использоваться в различных областях, включая мониторинг эпилепсии и реабилитацию двигательных, речевых и зрительных функций у пациентов с параличом, боковым амиотрофическим склерозом, последствиями инсульта или слепотой. Разработчики стремятся создать неинвазивный интерфейс для взаимодействия с мозгом, обеспечивающий высокоскоростную передачу данных в обоих направлениях.

В отличие от традиционных систем, включающих в себя множество объемных элементов, имплантируемых в череп, BISC – это единая, гибкая интегральная схема толщиной всего 50 микрометров. Её объем составляет приблизительно 3 кубических миллиметра. По словам одного из ведущих авторов исследования, профессора Кена Шепарда из Колумбийского университета, чип укладывается на поверхность коры головного мозга «как кусочек влажной салфетки». При этом на кристалле интегрировано 65 536 электродов, 1024 канала для регистрации нейронной активности и 16 384 канала для стимуляции.

Все задачи, включая усиление сигнала, оцифровку данных, обеспечение беспроводной связи и управление питанием, реализованы на одном чипе. По мнению исследователей, подобная интеграция позволяет создавать интерфейсы, которые существенно меньше по размеру, безопаснее и производительнее. Чип взаимодействует с компактной носимой «ретрансляционной станцией», которая обеспечивает питание импланта по беспроводной связи и передает данные по выделенному радиоканалу со скоростью до 100 Мбит/с – это более чем в 100 раз выше, чем у существующих беспроводных решений. Данная станция также функционирует как Wi-Fi-устройство, обеспечивая прямое сетевое подключение между мозгом и внешним компьютером.

Андреас Толиас, один из авторов исследования и сооснователь проекта Enigma в Стэнфорде, сообщил, что платформа позволяет использовать поверхность коры головного мозга как канал для быстрой и малоинвазивной двусторонней коммуникации с искусственным интеллектом и внешними устройствами. Он считает, что возможность масштабирования системы позволит разрабатывать адаптивные нейропротезы и интерфейсы «мозг-ИИ» для терапии неврологических и нейропсихиатрических расстройств.

Клинические исследования продемонстрировали, что установка устройства возможна через небольшой разрез в черепе. Оно размещается на поверхности мозга без необходимости проникать в ткани и без использования проводов, фиксирующих имплант к кости. Нейрохирург Бретт Янгерман, один из руководителей клинического исследования, отметил, что подобная методика позволяет снизить реакцию тканей и повысить стабильность сигнала в долгосрочной перспективе. Он считает, что устройство, обладающее столь высоким разрешением и пропускной способностью, может кардинально изменить подход к лечению неврологических расстройств.

Финансирование для исследования применения BISC в лечении эпилепсии, не поддающейся медикаментозному контролю, уже получено от Национальных институтов здоровья США. Совместно с исследователями из Стэнфорда и Университета Пенсильвании были проведены доклинические исследования в моторной и зрительной коре головного мозга. Профессор Бижан Песаран считает «экстремальную миниатюризацию» BISC перспективной базой для разработки имплантируемых технологий будущего.

Для реализации результатов исследований, выполненных командой из Колумбийского и Стэнфордского университетов, был создан стартап Kampto Neurotech. Компания занимается разработкой коммерческих аналогов чипа, предназначенного для научных изысканий, и готовит его к использованию в клинической практике. Нанью Цзен, руководитель проекта и основатель компании, отметил, что BISC – это революционный подход к созданию интерфейсов «мозг-компьютер», значительно превосходящий по своим характеристикам конкурирующие решения.

Работа была осуществлена при поддержке программы DARPA (Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США) в области нейроинженерии. По словам Кена Шепарда, ключевая задача данного исследования – создание условий для будущего, в котором мозг и системы искусственного интеллекта смогут свободно взаимодействовать, не только в научных целях, но и для улучшения жизни людей, что позволит трансформировать подходы к лечению неврологических заболеваний и способы взаимодействия человека с техникой.