大脑植入硅芯片：研究人员宣布推出新一代脑机接口

脑/机/热/搜

一种新型脑植入物有望彻底改变人机交互方式，并拓展癫痫、脊髓损伤、肌萎缩侧索硬化症（ALS）、中风和失明等神经系统疾病的治疗前景——帮助控制癫痫发作，恢复运动、语言和视觉功能。其原理是通过建立一条微创、高通量的信息链路，直接连接大脑和接收来自大脑的信息。

这套新系统的变革潜力在于其体积小巧且数据传输速率高。该脑机接口（BCI）由哥伦比亚大学、纽约长老会医院、斯坦福大学和宾夕法尼亚大学的研究人员共同开发，它仅需一块硅芯片即可在大脑和任何外部计算机之间建立无线、高带宽连接。该平台被称为“皮层生物接口系统”（BISC）。

生物接口系统与皮层

这项发表于12月8日《自然·电子学》杂志的 研究描述了BISC系统，该系统包括一个单芯片植入体、一个可穿戴的“中继站”以及操作系统所需的定制软件。“大多数植入式系统都围绕着一个占据体内巨大空间的电子元件罐构建，”哥伦比亚大学劳氏家族 电气工程教授、 生物医学工程教授兼神经科学教授肯·谢泼德（Ken Shepard ）说道，他是该研究的资深作者之一，并指导了工程设计工作。“我们的植入体是一个单芯片集成电路，它非常薄，可以滑入大脑和颅骨之间的空间，像一张湿纸巾一样贴合在大脑上。”

托利亚斯博士表示：“BISC将大脑皮层表面变成了一个有效的门户，能够与人工智能和外部设备进行高带宽、微创的读写通信。其单芯片可扩展性为自适应神经假体和脑-人工智能接口铺平了道路，有望用于治疗多种神经精神疾病，例如癫痫。”

谢泼德说：“半导体技术使这一切成为可能，让原本占据整个房间的计算机的计算能力如今可以装进口袋。我们现在正在将同样的技术应用于医疗植入设备，使复杂的电子元件能够存在于人体内，同时几乎不占用任何空间。”

更小巧、更安全、更快捷

脑机接口（BCI）的工作原理是与神经元用来在大脑中传递信息的电信号进行交互。目前最先进的脑机接口应用于医疗领域，由各种微电子元件构成，包括放大器、数据转换器、无线电发射器和电源管理电路。为了容纳所有这些设备，必须通过手术将一个大型电子元件罐植入体内，这可以通过切除部分颅骨或将设备放置在其他位置（例如胸部）并将导线连接到大脑来实现。

BISC 的工作原理截然不同。整个植入体体积不到传统设备的千分之一，它是由一块厚度仅为 50 微米的互补金属氧化物半导体 (CMOS) 集成电路芯片构成。这块柔性芯片总体积约为 3 立方毫米，能够贴合大脑表面。这款微型皮层脑电图 (µECoG) 设备集成了 65,536 个电极、1,024 个同步记录通道和 16,384 个刺激通道。借助半导体行业成熟的大规模制造技术，这些植入体可以轻松实现规模化生产。

这款单芯片植入体包含无线收发器、无线供电电路、数字控制、电源管理、数据转换以及支持记录和刺激接口所需的模拟电路。电池供电的中继站为植入体供电并与其通信，通过定制的超宽带无线链路传输数据，该链路可实现 100 Mbps 的数据带宽——其吞吐量至少比任何同类无线脑机接口设备高出 100 倍。中继站本身就是一个 802.11 WiFi 设备，实际上建立了从任何计算机到大脑的中继无线网络连接。

BISC拥有自己的指令集，并由一套完善的软件栈提供支持，二者共同构成了一个专为脑机接口（BCI）设计的计算架构。正如本研究所示，这些高带宽记录能力使得脑信号模式能够被输入到先进的机器学习或深度学习框架中，从而解码复杂的意图、感知或状态。

“通过将所有组件集成到一块硅片上，我们已经展示了脑机接口如何变得更小、更安全、功能更强大，”谢泼德说。

从实验室到诊所

为了使这项技术惠及医生和患者，谢泼德的研究团队与纽约长老会/哥伦比亚大学欧文医学中心的扬格曼密切合作。他们共同改进了手术方法，成功地在临床前模型中安全植入了这种超薄设备，并验证了其记录质量和稳定性，正如本研究中所述。目前正在进行针对人体患者的短期术中记录研究。

“这些初步研究为我们提供了关于该设备在实际手术环境中表现的宝贵数据，”杨格曼说。“植入物可以通过颅骨上的微创切口插入，并直接滑入硬膜下腔的大脑表面。其超薄的外形以及无需穿透大脑的电极或将植入物连接到颅骨的导线，最大限度地减少了组织反应和信号随时间推移的衰减。”

Pesaran 表示：“BISC 的极致小型化技术非常令人兴奋，它为新一代植入式技术提供了一个平台，这些技术还可以通过光和声音等其他方式与大脑进行交互。”

迈向实际应用

为了加速转化应用，哥伦比亚大学和斯坦福大学的研究团队成立了Kampto Neurotech公司，这家衍生公司由哥伦比亚大学电子工程系校友、该项目首席工程师之一曾南宇博士创立。Kampto Neurotech公司正在开发用于临床前研究的商业化芯片，并筹集资金以推进该系统应用于人体。

曾教授表示：“这是一种截然不同的脑机接口设备制造方式。通过这种方式，BISC 的技术能力比竞争对手的设备高出几个数量级。”

在人工智能进步驱动的技术格局下，脑机接口技术最近引起了人们的极大兴趣，它既可以恢复受神经系统疾病影响的人的功能，也可以通过提供与大脑的直接接口来增强人类的能力。

“通过将超高分辨率神经记录与全无线操作相结合，并配合先进的解码和刺激算法，我们正在迈向一个大脑和人工智能系统能够无缝交互的未来——这不仅用于研究，更造福人类，”谢泼德说。“这可能会改变我们治疗脑部疾病的方式、我们与机器交互的方式，以及最终人类与人工智能互动的方式。”

新闻来源：哥伦比亚工程学院