Вчені створили надтонкий чип для мозку, який у 100 разів швидший за аналоги

Новий мозковий імплант під назвою Biological Interface System to Cortex, або BISC, розробили спільно фахівці Колумбійського університету, лікарні NewYork-Presbyterian, Стенфордського університету та Університету Пенсильванії. Його ключова особливість — надзвичайно малі розміри у поєднанні з високою швидкістю передачі даних між мозком і зовнішніми комп’ютерними системами. Про це розповідає 24 Канал із посиланням на Science Daily.

Як працює BISC і чому цей імплант вважають проривом?

BISC є повноцінним інтерфейсом мозок–комп’ютер, побудованим на одному кремнієвому чипі. Імплант настільки тонкий, що може розміщуватися у просторі між черепом і мозком, фактично лежачи на корі, не проникаючи в тканини. За словами одного з керівників проєкту Кена Шепарда, більшість сучасних імплантів потребують громіздких блоків електроніки всередині тіла, тоді як BISC — це один інтегрований мікрочип, схожий на вологий аркуш паперу.

Архітектуру системи складається з самого імпланту, зовнішньої носимої станції-реле та програмного середовища для роботи з даними. Станція передає живлення і дані через спеціальний надширокосмуговий радіоканал зі швидкістю до 100 Мбіт/с — це щонайменше у 100 разів більше, ніж у наявних бездротових BCI.

Як пише Scitechdaily, над аналізом нейронних сигналів працював Андреас Толіас зі Стенфорда, який має великий досвід навчання моделей штучного інтелекту на масивних нейронних записах. За його словами, BISC фактично перетворює поверхню кори мозку на високошвидкісний портал для обміну даними з ШІ та зовнішніми пристроями, відкриваючи шлях до адаптивних нейропротезів і лікування нейропсихіатричних розладів, зокрема епілепсії.

Клінічну частину дослідження координував нейрохірург Бретт Янґерман з Колумбійського університету. Він зазначає, що пристрій поєднує високу роздільну здатність сигналів із мінімальною інвазивністю. Команда вже отримала грант Національних інститутів здоров’я США для застосування BISC у лікуванні лікарсько-резистентної епілепсії.

Технічно імплант містить 65 536 електродів, 1 024 канали запису та 16 384 канали стимуляції. Чип виготовлений за напівпровідниковими стандартами, має товщину близько 50 мкм і об’єм приблизно 3 мм³ — менш як одну тисячну об’єму типових імплантів. У нього інтегровані радіомодуль, система бездротового живлення, блоки керування, перетворювачі даних і аналогові схеми для запису та стимуляції.

Уся електроніка реалізована на одній CMOS-мікросхемі, виготовленій за технологією TSMC 0,13 мкм BCD, яка поєднує цифрову логіку, потужні аналогові функції та елементи керування живленням. Це дозволило радикально зменшити розміри й підвищити надійність системи.

Під час доклінічних і початкових клінічних досліджень імплант показав стабільні високоякісні записи. Його можна вводити через невеликий отвір у черепі та розміщувати без електродів, що проникають у мозок, або дротів, прикріплених до кістки. Така конструкція знижує подразнення тканин і ризик деградації сигналу з часом.

Окремі дослідження у моторній та зоровій корі виконувалися разом з ученими зі Стенфорда та Університету Пенсильванії. Дослідники вважають, що подальша мініатюризація відкриє шлях до імплантів, які взаємодіють із мозком також за допомогою світла чи звуку.

Для комерційного розвитку технології команда створила стартап Kampto Neurotech, який уже виготовляє дослідні версії чипа й готує систему до ширшого клінічного застосування. На думку розробників, поєднання бездротової роботи, надвисокої роздільної здатності запису та алгоритмів ШІ може змінити підхід до лікування неврологічних хвороб і майбутню взаємодію людини з машинами.

Чи справді ми використовуємо всього 10% можливостей свого мозку?

По-перше, взагалі неможливо, щоб 90% мозку не використовувалися або використовувалися не повною мірою. Наш мозок сформований у процесі природного добору. Його маса становить 2 – 3% маси цілого тіла та він споживає 20% кисню та поживних речовин. Іншими словами, це дорого вирощувати та використовувати мозкову тканину. Тому малоймовірно, щоб організм витрачав 1/5 частину всіх ресурсів на утримання слабо залученого органу.

Дані клінічної неврології та нейропсихології також заперечують цей міф. Обидві науки мають справу з наслідками пошкодження мозку. За словами спеціалістів, навіть незначні пошкодження мозкової тканини мають серйозні наслідки, що позначаються на життєдіяльності людини. Наприклад, унаслідок інсульту (порушення мозкового кровообігу) відбувається пошкодження частин головного мозку. Залежно від того, де саме відбулося пошкодження будуть спостерігатися ті чи інші порушення. Людина може втратити здатність посміхатися, говорити чи ворушити кінцівками. А пацієнти у вегетативному стані, коли пошкоджено майже 50% мозкової тканини, взагалі втрачають здатність залишатися у свідомості, тобто думати, пригадувати, сприймати та опрацьовувати інформацію звичним способом. Якби 90% мозку справді залишалися незалучений – такі процеси б не відбувалися.