Um novo implante cerebral poderia remodelar significativamente a forma como as pessoas interagem com os computadores, ao mesmo tempo que oferece novas possibilidades de tratamento para doenças como epilepsia, lesão medular, ELA, acidente vascular cerebral e cegueira. Ao criar uma via de comunicação minimamente invasiva e de alto rendimento para o cérebro, tem o potencial de apoiar o controle de convulsões e ajudar a restaurar as habilidades motoras, de fala e visuais.
A promessa desta tecnologia vem do seu tamanho extremamente pequeno aliado à sua capacidade de transmitir dados em velocidades muito altas. Desenvolvido através de uma colaboração entre a Universidade de Columbia, o Hospital Presbiteriano de Nova York, a Universidade de Stanford e a Universidade da Pensilvânia, o dispositivo é uma interface cérebro-computador (BCI) construída em torno de um chip de silício. Este chip cria um link sem fio de alta largura de banda entre o cérebro e um computador externo. O sistema é conhecido como Sistema de Interface Biológica para Cortex (BISC).
Um estudo publicado em 8 de dezembro Eletrônica da Natureza descreve a arquitetura do BISC, que inclui um implante baseado em chip, uma “estação retransmissora” vestível e o software necessário para operar a plataforma. “A maioria dos sistemas implantáveis são construídos em torno de um recipiente eletrônico que ocupa muito espaço dentro do corpo”, disse Ken Shepard, professor de engenharia elétrica da família Lau, professor de engenharia biomédica e professor de ciências neurológicas na Universidade de Columbia, que é autor sênior do motor e trabalhou nele. “Nosso implante é um único chip de circuito integrado tão fino que pode deslizar para o espaço entre o cérebro e o crânio, repousando sobre o cérebro como um pedaço de papel de seda molhado”.
Convertendo Cortex em uma interface de alta largura de banda
Shepard trabalhou em estreita colaboração com o Sr. e co-autor Andreas S. Tollius, PhD, professor do Byers Eye Institute da Universidade de Stanford e diretor cofundador do Projeto Enigma. A vasta experiência de Tollius no treinamento de sistemas de IA em gravações neurais em grande escala, incluindo aquelas coletadas com BISC, ajudou a equipe a analisar quão bem o implante poderia decodificar a atividade cerebral. “O BISC transforma a superfície cortical em um portal eficiente, fornecendo comunicação de leitura e gravação minimamente invasiva e de alta largura de banda com IA e dispositivos externos”, disse Tollius. “Sua escalabilidade de chip único abre caminho para neuropróteses adaptativas e interfaces cérebro-IA para tratar muitos distúrbios neuropsiquiátricos, como a epilepsia”.
Dr. Brett Youngerman, professor assistente de cirurgia neurológica na Universidade de Columbia e neurocirurgião do NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center, atuou como principal colaborador clínico do projeto. “Este dispositivo de alta resolução e alto rendimento de dados tem o potencial de revolucionar o tratamento de condições neurológicas, da epilepsia à paralisia”, diz ele. Youngerman, Shepard e o neurologista de epilepsia New York-Presbyterian/Columbia Drs. Catherine Chevon recebeu recentemente uma bolsa do National Institutes of Health para usar o BISC no tratamento da epilepsia resistente a medicamentos. “A chave para dispositivos eficazes de interface cérebro-computador é maximizar o fluxo de informações de e para o cérebro, tornando o dispositivo o menos invasivo possível em sua implantação cirúrgica. O BISC supera as tecnologias anteriores em ambas as áreas”, acrescentou Youngerman.
“A tecnologia de semicondutores tornou isso possível, permitindo que o poder computacional de computadores do tamanho de uma sala caiba agora no seu bolso”, disse Shepard. “Agora estamos fazendo o mesmo com os implantáveis médicos, permitindo que componentes eletrônicos complexos existam no corpo sem ocupar quase nenhum espaço”.
Engenharia BCI de próxima geração
Os BCIs funcionam conectando-se a sinais elétricos usados pelos neurônios para se comunicarem. Os atuais BCIs de nível médico normalmente dependem de vários componentes microeletrônicos separados, como amplificadores, conversores de dados e transmissores de rádio. Essas peças devem ser armazenadas em um recipiente implantado relativamente grande, seja pela remoção de parte do crânio ou em outra parte do corpo, como o tórax, com fios que se estendem até o cérebro.
O BISC está estruturado de forma diferente. Todo o sistema reside em um único circuito integrado semicondutor de óxido metálico complementar (CMOS) que foi reduzido para 50 μm e ocupa menos de 1/1000 do volume de um implante padrão. com um tamanho total de cerca de 3 mm3O chip flexível pode se curvar para combinar com a superfície do cérebro. Este dispositivo de microeletrocorticografia (µECoG) possui 65.536 eletrodos, 1.024 canais de registro e 16.384 canais de estimulação. Como o chip é produzido usando métodos de fabricação da indústria de semicondutores, ele é adequado para produção em larga escala.
O chip integra um transceptor de rádio, um circuito de energia sem fio, eletrônica de controle digital, gerenciamento de energia, conversores de dados e componentes analógicos necessários para gravação e estimulação. A estação retransmissora externa fornece comunicações de energia e dados por meio de um link de rádio de banda ultralarga personalizado que atinge até 100 Mbps, uma taxa de transferência pelo menos 100 vezes maior do que qualquer outra BCI sem fio atualmente disponível. Operando como um dispositivo WiFi 802.11, a Relay Station conecta efetivamente qualquer computador ao implante.
O BISC incorpora seu próprio conjunto de instruções com um ambiente de software abrangente, formando um sistema de computação especializado para interface cerebral. A gravação de alta largura de banda demonstrada neste estudo permite que os sinais cerebrais sejam processados por algoritmos avançados de aprendizado de máquina e aprendizado profundo, que podem interpretar intenções complexas, experiências perceptivas e estados cerebrais.
“Ao combinar tudo em uma única peça de silício, mostramos como as interfaces cerebrais podem ser menores, mais seguras e dramaticamente mais poderosas”, disse Shepard.
Fabricação Avançada de Semicondutores
O implante BISC foi fabricado usando a tecnologia bipolar-CMOS-DMOS (BCD) de 0,13 μm da TSMC. Este método de fabricação combina três tecnologias de semicondutores em um chip para criar circuitos integrados (ICs) de sinais mistos. Isso permite que lógica digital (de CMOS), funções analógicas de alta corrente e alta tensão (de transistores bipolares e DMOS) e dispositivos de potência (de DMOS) trabalhem juntos de forma eficiente, todos essenciais para o desempenho do BISC.
Passando do laboratório para o uso clínico
Para traduzir o sistema para uso médico no mundo real, o grupo de Shepard fez parceria com Youngerman do NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center. Eles desenvolveram procedimentos cirúrgicos para colocar implantes finos com segurança em um modelo pré-clínico e confirmaram que o dispositivo produzia registros estáveis e de alta qualidade. Estudos intraoperatórios de curto prazo em pacientes humanos já estão em andamento.
“Esses estudos preliminares nos fornecem informações valiosas sobre o desempenho do dispositivo em um ambiente cirúrgico real”, disse Youngerman. “Os implantes podem ser inseridos através de uma incisão minimamente invasiva no crânio e deslizados diretamente sobre a superfície do cérebro no espaço subdural. O formato fino como papel e a falta de eletrodos ou fios que penetram no cérebro conectando o implante ao crânio minimizam a reatividade e a sinalização do tecido.”
Um extenso trabalho pré-clínico sobre os córtices motores e visuais foi realizado com o Dr. Tollius e Bijan Pesaran, professor de neurocirurgia da Universidade da Pensilvânia, ambos líderes reconhecidos em neurociência computacional e de sistemas.
“A miniaturização extrema do BISC é extremamente emocionante como plataforma para uma nova geração de tecnologias implantáveis que fazem interface com o cérebro junto com outras modalidades, como luz e som”, disse Pesaran.
O BISC foi desenvolvido através do Programa de Design de Sistemas de Engenharia Neural da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA) e baseia-se na profunda experiência da Columbia em microeletrônica, programas avançados de neurociência em Stanford e Penn e nas capacidades cirúrgicas do NewYork-Presbyterian/Columbia Medical Center I.
Desenvolvimento comercial e futura integração de IA
Para aproximar a tecnologia do uso prático, pesquisadores de Columbia e Stanford desenvolveram o Campto NeuroTech, disse um ex-aluno de engenharia elétrica da Columbia. Uma startup fundada por Nanyu Zeng, um dos engenheiros líderes do projeto. A empresa está desenvolvendo uma versão do chip pronta para pesquisa e trabalhando para garantir financiamento para preparar o sistema para uso em pacientes humanos.
“Esta é uma forma fundamentalmente diferente de fabricar dispositivos BCI”, disse Zeng. “Assim, o BISC possui capacidades tecnológicas muitas ordens de magnitude maiores do que os dispositivos concorrentes.”
À medida que a inteligência artificial continua a avançar, as BCIs estão a ganhar impulso tanto para restaurar capacidades perdidas em pessoas com distúrbios neurológicos como para potenciais aplicações futuras que melhorem o funcionamento normal através da comunicação direta entre o cérebro e o computador.
“Ao combinar gravação neural de altíssima resolução com operação totalmente sem fio e algoritmos avançados de decodificação e estimulação, estamos caminhando em direção a um futuro onde cérebros e sistemas de IA podem se comunicar perfeitamente – não apenas para pesquisa, mas para o benefício dos humanos”, disse Shepard. “Isso poderia mudar a forma como tratamos distúrbios cerebrais, como interagimos com as máquinas e, em última análise, como os humanos se envolvem com a IA”.
