一款由可穿戴中繼器供電的柔性腦植入設(shè)備。

來(lái)自哥倫比亞大學(xué)、紐約長(zhǎng)老會(huì)醫(yī)院、斯坦福大學(xué)和賓夕法尼亞大學(xué)的研究人員日前公布了一種新型腦機(jī)接口（BCI）平臺(tái)，該平臺(tái)有望顯著拓展神經(jīng)治療和人機(jī)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(wú)線傳輸神經(jīng)數(shù)據(jù)，同時(shí)所占空間遠(yuǎn)小于當(dāng)前醫(yī)療級(jí)腦機(jī)接口設(shè)備。

據(jù)《自然·電子學(xué)》雜志描述，該設(shè)備設(shè)計(jì)用于支持從癲癇管理到幫助癱瘓、肌萎縮側(cè)索硬化癥、中風(fēng)或失明患者恢復(fù)運(yùn)動(dòng)、語(yǔ)言及視覺(jué)功能等多種應(yīng)用。研究人員表示，這項(xiàng)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(jī)接口實(shí)現(xiàn)高通量神經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸

傳統(tǒng)腦機(jī)接口依賴于微電子元件、放大器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）集成電路取代了整個(gè)組件。

作為資深作者之一的哥倫比亞大學(xué)電氣工程、生物醫(yī)學(xué)工程和神經(jīng)科學(xué)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(shí)“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(gè)電極、1,024個(gè)記錄通道和16,384個(gè)刺激通道。

所有信號(hào)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、無(wú)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(guò)將所有功能集成在單芯片上，我們展示了腦接口設(shè)備如何變得更小、更安全且性能大幅提升?！?/p>

芯片通過(guò)可定制的超寬帶無(wú)線鏈路（吞吐量達(dá)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(wú)線供電并傳輸數(shù)據(jù)。其傳輸速率比直接可比的無(wú)線程腦接口高100倍以上。中繼站同時(shí)具備Wi-Fi功能，可在大腦與任何外部計(jì)算機(jī)之間建立無(wú)縫網(wǎng)絡(luò)連接。

斯坦福大學(xué)謎題項(xiàng)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(rèn)為，該平臺(tái)“將大腦皮層表面轉(zhuǎn)化為高效門(mén)戶，實(shí)現(xiàn)與人工智能及外部設(shè)備的高帶寬、微創(chuàng)讀寫(xiě)通信”。他補(bǔ)充說(shuō)，其可擴(kuò)展性有望為神經(jīng)性和神經(jīng)精神疾病開(kāi)發(fā)自適應(yīng)神經(jīng)假體及腦-AI接口。

邁向臨床應(yīng)用

早期手術(shù)評(píng)估表明，該設(shè)備可通過(guò)微創(chuàng)顱骨切口植入，并滑入大腦表面，無(wú)需穿透組織或使用導(dǎo)線將植入體固定在骨頭上。

哥倫比亞大學(xué)神經(jīng)外科醫(yī)生、項(xiàng)目臨床負(fù)責(zé)人之一布雷特·揚(yáng)格曼指出，這種方法能最大限度減少組織反應(yīng)性并提升長(zhǎng)期信號(hào)質(zhì)量。他表示：“這種高分辨率、高數(shù)據(jù)吞吐量的設(shè)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(yáng)格曼、謝潑德與癲癇神經(jīng)學(xué)家凱瑟琳·謝馮已獲得美國(guó)國(guó)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(yīng)用。揚(yáng)格曼強(qiáng)調(diào)：“有效腦機(jī)接口設(shè)備的關(guān)鍵在于最大化與大腦的信息交互，同時(shí)將設(shè)備侵入性降至最低……BISC在這兩方面都超越了現(xiàn)有技術(shù)?！?/p>

該設(shè)備在運(yùn)動(dòng)和視覺(jué)皮層的臨床前研究與斯坦福大學(xué)的托利亞斯及賓夕法尼亞大學(xué)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(lái)植入技術(shù)奠定了激動(dòng)人心的基礎(chǔ)，這些技術(shù)未來(lái)還可能通過(guò)光或聲等模式與大腦交互。

推向?qū)嶋H應(yīng)用

為推進(jìn)技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室，哥倫比亞大學(xué)和斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合創(chuàng)立了衍生公司“坎普托神經(jīng)科技”，正開(kāi)發(fā)用于科研的商業(yè)版芯片并推進(jìn)臨床轉(zhuǎn)化。項(xiàng)目首席工程師兼公司創(chuàng)始人曾楠宇表示，BISC代表著“構(gòu)建腦機(jī)接口設(shè)備的根本性革新”，其性能“比競(jìng)爭(zhēng)系統(tǒng)高出數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)”。

該項(xiàng)目獲得美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局“神經(jīng)工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)劃”支持，融合了微電子學(xué)、計(jì)算神經(jīng)科學(xué)和神經(jīng)外科技術(shù)的最新進(jìn)展。謝潑德指出，更宏偉的目標(biāo)是迎接“大腦與AI系統(tǒng)無(wú)縫交互的未來(lái)——不僅服務(wù)于研究，更為人類福祉帶來(lái)變革”，這將徹底改變神經(jīng)疾病治療方式及人機(jī)交互模式。

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