一款由可穿戴中繼器供電的柔性腦植入設備。

來自哥倫比亞大學、紐約長老會醫(yī)院、斯坦福大學和賓夕法尼亞大學的研究人員日前公布了一種新型腦機接口（BCI）平臺，該平臺有望顯著拓展神經(jīng)治療和人機交互的可能性。這款名為“皮層生物接口系統(tǒng)”（BISC）的系統(tǒng)，核心是一片超薄單芯片植入體，能以空前速率無線傳輸神經(jīng)數(shù)據(jù)，同時所占空間遠小于當前醫(yī)療級腦機接口設備。

據(jù)《自然·電子學》雜志描述，該設備設計用于支持從癲癇管理到幫助癱瘓、肌萎縮側索硬化癥、中風或失明患者恢復運動、語言及視覺功能等多種應用。研究人員表示，這項研究旨在建立一條與大腦直接雙向通信的微創(chuàng)高通量鏈路。

單芯片腦機接口實現(xiàn)高通量神經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸

傳統(tǒng)腦機接口依賴于微電子元件、放大器、數(shù)據(jù)轉換器、射頻模塊和電源電路的集合體，這些系統(tǒng)通常封裝在植入顱骨或身體其他部位的笨重罐體中。BISC系統(tǒng)則用一片厚度僅50微米的互補金屬氧化物半導體（CMOS）集成電路取代了整個組件。

作為資深作者之一的哥倫比亞大學電氣工程、生物醫(yī)學工程和神經(jīng)科學教授肯·謝潑德表示，這款柔性芯片總體積約3立方毫米，置于大腦皮層表面時“如同濕紙巾般柔軟貼合”。這款微創(chuàng)皮層腦電圖（μECoG）植入體集成了65,536個電極、1,024個記錄通道和16,384個刺激通道。

所有信號采集、數(shù)據(jù)轉換、無線通信和電源管理功能均在同一硅片上完成。謝潑德在新聞稿中指出：“通過將所有功能集成在單芯片上，我們展示了腦接口設備如何變得更小、更安全且性能大幅提升?！?/p>

芯片通過可定制的超寬帶無線鏈路（吞吐量達100Mbps）與小型電池供電的可穿戴“中繼站”通信，由中繼站為植入體無線供電并傳輸數(shù)據(jù)。其傳輸速率比直接可比的無線程腦接口高100倍以上。中繼站同時具備Wi-Fi功能，可在大腦與任何外部計算機之間建立無縫網(wǎng)絡連接。

斯坦福大學謎題項目的資深共同通訊作者兼聯(lián)合創(chuàng)始主任安德烈亞斯·S·托利亞斯認為，該平臺“將大腦皮層表面轉化為高效門戶，實現(xiàn)與人工智能及外部設備的高帶寬、微創(chuàng)讀寫通信”。他補充說，其可擴展性有望為神經(jīng)性和神經(jīng)精神疾病開發(fā)自適應神經(jīng)假體及腦-AI接口。

邁向臨床應用

早期手術評估表明，該設備可通過微創(chuàng)顱骨切口植入，并滑入大腦表面，無需穿透組織或使用導線將植入體固定在骨頭上。

哥倫比亞大學神經(jīng)外科醫(yī)生、項目臨床負責人之一布雷特·揚格曼指出，這種方法能最大限度減少組織反應性并提升長期信號質量。他表示：“這種高分辨率、高數(shù)據(jù)吞吐量的設備有望徹底改變從癲癇到癱瘓等神經(jīng)疾病的治療模式?！?/p>

揚格曼、謝潑德與癲癇神經(jīng)學家凱瑟琳·謝馮已獲得美國國立衛(wèi)生研究院資助，將探索BISC系統(tǒng)在耐藥性癲癇治療中的應用。揚格曼強調(diào)：“有效腦機接口設備的關鍵在于最大化與大腦的信息交互，同時將設備侵入性降至最低……BISC在這兩方面都超越了現(xiàn)有技術。”

該設備在運動和視覺皮層的臨床前研究與斯坦福大學的托利亞斯及賓夕法尼亞大學的比詹·佩薩蘭合作完成。佩薩蘭稱贊BISC的“極致微型化”為未來植入技術奠定了激動人心的基礎，這些技術未來還可能通過光或聲等模式與大腦交互。

推向實際應用

為推進技術走出實驗室，哥倫比亞大學和斯坦福大學團隊聯(lián)合創(chuàng)立了衍生公司“坎普托神經(jīng)科技”，正開發(fā)用于科研的商業(yè)版芯片并推進臨床轉化。項目首席工程師兼公司創(chuàng)始人曾楠宇表示，BISC代表著“構建腦機接口設備的根本性革新”，其性能“比競爭系統(tǒng)高出數(shù)個數(shù)量級”。

該項目獲得美國國防部高級研究計劃局“神經(jīng)工程系統(tǒng)設計計劃”支持，融合了微電子學、計算神經(jīng)科學和神經(jīng)外科技術的最新進展。謝潑德指出，更宏偉的目標是迎接“大腦與AI系統(tǒng)無縫交互的未來——不僅服務于研究，更為人類福祉帶來變革”，這將徹底改變神經(jīng)疾病治療方式及人機交互模式。

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