Engineering Columbia
Novi vsadek, izdelan v obliki enega samega čipa, je za več velikostnih redov hitrejši in manjši od najsodobnejših vmesnikov med možgani in računalnikom, kar odpira možnosti za učinkovitejše zdravljenje številnih nevroloških bolezni.
Nov možganski vsadek bo verjetno spremenil način interakcije med človekom in računalnikom ter razširil možnosti zdravljenja nevroloških bolezni, kot so epilepsija, poškodba hrbtenjače, ALS, možganska kap in slepota – s tem bo pomagal obvladovati napade ter obnoviti motorične, govorne in vidne funkcije. To se doseže z zagotovitvijo minimalno invazivne informacijske povezave z visoko pasovno širino, ki poteka neposredno do možganov in iz njih.
Preoblikovalni potencial tega novega sistema leži v njegovi majhnosti in zmožnosti prenosa podatkov z visokimi hitrostmi. Ta vmesnik med možgani in računalnikom (BCI), ki so ga razvili raziskovalci na Kolumbijski univerzi, v bolnišnici NewYork-Presbyterian, na Stanfordski univerzi in na Univerzi v Pensilvaniji, temelji na enem samem silicijevem čipu. Z njegovo pomočjose vzpostavi brezžično povezavo z visoko pasovno širino med možgani in katerim koli zunanjim računalnikom. Platforma se imenuje Biological Interface System to Cortex (BISC).
Sistem BISC, opisan v študiji [1], objavljeni 8. decembra v reviji Nature Electronics, vključuje enočipni vsadek, nosljivo »relejno postajo« in prilagojeno programsko opremo, potrebno za delovanje sistema. »Večina sistemov za vsaditev je zasnovana okoli ohišja z elektroniko, ki v telesu zavzema ogromno prostora,« pravi Ken Shepard [2], profesor elektrotehnike na katedri Lau Family, profesor biomedicinske tehnike in profesor nevroloških znanosti na Univerzi Columbia, ki je eden od glavnih avtorjev te raziskave in je vodil inženirska prizadevanja. »Naš vsadek je en sam čip z integriranim vezjem, ki je tako tanek, da se lahko vstavlja v prostor med možgani in lobanjo, kjer leži na možganih kot kos vlažnega papirnatega robčka.«
Shepardu se je pri projektu BISC pridružil Andreas S. Tolias, PhD [3], profesor na Byers Eye Institute na Stanfordski univerzi in soustanovitelj ter direktor projekta Enigma, ki je bil tudi eden od glavnih avtorjev in soavtorjev članka. Toliasovo pionirsko delo na področju usposabljanja modelov umetne inteligence na obsežnih nevronskih podatkovnih naborih – vključno s podatkovnimi nabori, posnetimi v Toliasovem laboratoriju z uporabo BISC – je omogočilo ekipi, da oceni zmogljivost nevronskega dekodiranja naprave. »BISC spreminja površino možganske skorje v učinkovit portal, ki omogoča komunikacijo z umetno inteligenco in zunanjimi napravami z visoko pasovno širino ter minimalno invazivnim branjem in zapisovanjem,« pravi Tolias. »Njegova skalabilnost na enem čipu utira pot prilagodljivim nevroprotezam in vmesnikom med možgani in umetno inteligenco za zdravljenje številnih nevropsihiatričnih motenj, kot je epilepsija.«
Dr. Brett Youngerman [4], docent nevrokirurgije na Univerzi Columbia in nevrokirurg v zdravstvenem centru NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center, je bil glavni klinični sodelavec pri tem projektu. »Ta naprava z visoko ločljivostjo in visoko prepustnostjo podatkov ima potencial, da revolucionira obravnavo nevroloških bolezni, od epilepsije do paralize,« pravi. Youngerman, Shepard in nevrologinja za epilepsijo iz bolnišnice NewYork-Presbyterian/Columbia, dr. Catherine Schevon, so pred kratkim prejeli subvencijo Nacionalnih inštitutov za zdravje za uvedbo sistema BISC v zdravljenje epilepsije, odporne na zdravila. »Ključ do učinkovitih naprav za vmesnik med možgani in računalnikom je v maksimiranju pretoka informacij v možgane in iz njih, hkrati pa je treba poskrbeti, da je kirurška implantacija naprave čim manj invazivna. BISC na obeh področjih presega prejšnjo tehnologijo,« nadaljuje Youngerman.
»To je omogočila polprevodniška tehnologija, zaradi katere se računska moč računalnikov, velikih kot soba, zdaj zmesti v vaš žep,« pravi Shepard. »Enako počnemo zdaj tudi pri medicinskih vsadkih, kar omogoča, da zapletena elektronika deluje v telesu, pri tem pa zavzema zelo malo prostora.«
Manjši, varnejši in hitrejši
BCI-ji delujejo tako, da se povezujejo z električnimi signali, ki jih nevroni uporabljajo za prenos informacij po možganih. Najsodobnejši BCI-ji, ki se danes uporabljajo v medicinskih okoliščinah, so sestavljeni iz posameznih mikroelektronskih komponent, med katerimi so ojačevalniki, pretvorniki podatkov, radijski oddajniki in vezja za upravljanje napajanja. Da bi lahko vgradili vse te naprave, je treba v telo kirurško vsaditi velik elektronski modul, bodisi z odstranitvijo dela lobanje bodisi z vgradnjo naprave na drugo mesto, na primer v prsni koš, in z napeljevanjem žic do možganov.
BISC deluje drugače. Celoten vsadek, ki zavzema manj kot 1/1000 velikosti običajne naprave, je en sam čip s CMOS integriranim vezjem, ki je tanek le 50 μm. S skupno prostornino približno 3 mm³ se fleksibilen čip prilagaja površini možganov. Ta naprava za mikroelektrokortikografijo (µECoG) združuje 65.536 elektrod, 1.024 kanalov za sočasno snemanje in 16.384 kanalov za stimulacijo. Z izkoriščanjem tehnologij za masovno proizvodnjo, razvitih v polprevodniški industriji, je mogoče te vsadke enostavno proizvajati v velikih količinah.
Vgrajeni čip vključuje radijski sprejemnik/oddajnik, vezje za brezžično napajanje, digitalno krmiljenje, upravljanje porabe energije, pretvorbo podatkov ter analogna vezja, potrebna za podporo vmesnikov za snemanje in stimulacijo. Relejna postaja, ki jo napaja baterija, napaja implantat in komunicira z njim, pri čemer prenaša podatke prek posebej prilagojene radijske povezave z ultraširokim pasom, ki dosega pasovno širino 100 Mbps – to je povezava s pretokom, ki je vsaj 100-krat višji od katere koli konkurenčne BCI brezžične naprave. Relejna postaja je sama po sebi WiFi naprava standarda 802.11, ki dejansko vzpostavlja posredno brezžično omrežno povezavo med katerim koli računalnikom in možgani.
BISC ima lasten nabor ukazov, ki ga podpira obsežen sklop programske opreme; skupaj tvorita računalniško arhitekturo, zasnovano za vmesnike možgani-računalnik (BCI). Kot je bilo prikazano v tej študiji, te zmogljivosti snemanja z visoko pasovno širino omogočajo, da se vzorci možganskih signalov posredujejo v napredne okvire strojnega učenja ali globokega učenja za dekodiranje zapletenih namer, zaznav ali stanj.
»Z vgradnjo vseh komponent na en sam silicijev čip smo pokazali, kako lahko vmesniki z možgani postanejo manjši, varnejši in bistveno zmogljivejši,« pravi Shepard. Implantat BISC je bil izdelan z uporabo vsestranske tehnologije Bipolar-CMOS-DMOS (BCD) podjetja TSMC z 0,13 μm.
Ta proizvodni proces združuje tri tehnologije na enem samem čipu, s čimer ustvarja integrirana vezja z mešanimi signali. Ta integracija omogoča učinkovito kombinacijo digitalne logike (iz CMOS), analognih funkcij z visokim tokom in visoko napetostjo (iz bipolarnih in DMOS tranzistorjev) ter močnostnih elementov (iz DMOS), ki so vsi bistveni za BISC.
Od laboratorija do klinike
Da bi to tehnologijo omogočili zdravnikom in pacientom, je Shepardova skupina tesno sodelovala z Youngermanom iz NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center. Skupaj so izpopolnili kirurške metode za varno vsaditev naprave, tanke kot papir, v predkliničnem modelu ter dokazali njeno kakovost snemanja in stabilnost, kot je opisano v tej študiji. Trenutno potekajo študije na ljudeh za kratkoročno intraoperativno snemanje.
»Te začetne študije nam prinašajo neprecenljive podatke o delovanju naprave v dejanskem kirurškem okolju,« pravi Youngerman. »Implantate je mogoče vstaviti prek minimalno invazivnega reza v lobanji in jih neposredno namestiti na površino možganov v subduralnem prostoru. Oblika, tanka kot papir, ter odsotnost elektrod, ki bi prodirale v možgane, ali žic, ki bi implantat pritrjevale na lobanjo, zmanjšujeta reakcijo tkiva in poslabšanje signala s časom.«
Obsežno predklinično testiranje metode BISC v motorični in vizualni skorji je potekalo v sodelovanju z dr. Toliasom in Bijanom Pesaranom, profesorjem nevrokirurgije na Univerzi v Pensilvaniji, ki sta vodilna strokovnjaka na področju računalniške in sistemske nevroznanosti.
»Izjemna miniaturizacija, ki jo je dosegel BISC, je zelo obetavna kot platforma za nove generacije tehnologij za vsadke, ki se z možgani povezujejo tudi prek drugih načinov, kot sta svetloba in zvok,« pravi Pesaran.
Projekt BISC, razvit v okviru programa »Neural Engineering System Design« Agencije za napredne obrambne raziskovalne projekte (DARPA), združuje prednosti Univerze Columbia na področju mikroelektronike, najnovejše dosežke na področju nevroznanosti Univerz Stanford in Penn ter kirurške inovacije zdravstvenega centra NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center.
Na poti k uporabi v praksi
Da bi pospešili razvoj, sta ekipi iz Columbije in Stanforda ustanovili podjetje Kampto Neurotech, spin-off podjetje, ki ga je ustanovil dr. Nanyu Zeng, diplomant elektrotehnike na Columbiji in eden od vodilnih inženirjev projekta. Kampto Neurotech razvija komercialne različice čipa za predklinične raziskovalne namene ter zbira sredstva za nadaljnji razvoj sistema za uporabo pri ljudeh.
»To je povsem drugačen način izdelave BCI naprav,« pravi Zeng. »Na ta način ima BISC tehnološke zmogljivosti, ki za več redov velikosti presegajo zmogljivosti konkurenčnih naprav.«
V tehnološkem okolju, ki ga zaznamujejo napredki na področju umetne inteligence, so BCI tehnologije v zadnjem času vzbudile precejšnje zanimanje tako pri ponovni vzpostavitvi funkcionalnosti pri osebah z nevrološkimi motnjami kot tudi pri potencialnem razširjanju človeških zmožnosti z zagotavljanjem neposrednih vmesnikov do možganov.
»Z združevanjem nevralnega snemanja z izjemno visoko ločljivostjo in popolnoma brezžičnim delovanjem ter s kombinacijo naprednih algoritmov za dekodiranje in stimulacijo se približujemo prihodnosti, v kateri bodo možgani in sistemi umetne inteligence lahko nemoteno sodelovali – ne le v raziskovalne namene, temveč tudi v korist ljudi,« pravi Shepard. »To bi lahko spremenilo način zdravljenja možganskih motenj, način našega sodelovanja s stroji in na koncu tudi način, kako ljudje sodelujejo z umetno inteligenco.«
Financiranje/Zahvale: To delo je bilo delno podprto s strani Agencije za napredne obrambne raziskovalne projekte (DARPA) v okviru pogodbe N66001-17-C-4001, Programa za medicinske raziskave Ministrstva za obrambo, ki ga usmerja Kongres, v okviru pogodbe HT9425-23-1-0758, Nacionalne znanstvene fundacije v okviru subvencije 1546296 ter Nacionalnih inštitutov za zdravje v okviru subvencije R01DC01949.
Viri:
1: https://urldefense.com/v3/__https://www.nature.com/articles/s41928-025-01509-9__;!!BDUfV1Et5lrpZQ!UIzFPafy__FMqxD1X8vDQ9svPoOH4hJ7F_EcoRhPVbvwFhisF3tOs36IEpt9jFF7ymRiynEf9xCu4lfSYZ73vZBIbw$
2: https://bioee.ee.columbia.edu/lab-member/ken-shepard/
3: https://toliaslab.org/
4: https://doctors.columbia.edu/us/ny/new-york/brett-evan-youngerman-md-710-west-168th-street
