BISC植入物的厚度大致与人类头发相当。图片来源：哥伦比亚工程学院
一种新型脑植入物有望彻底改变人机交互方式，并扩展癫痫、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可能性——帮助管理癫痫发作并恢复运动、语言和视觉功能。这通过提供一种微创、高通量的信息链路直接连接大脑实现。
该新系统变革性的潜力在于其小巧尺寸和高速数据传输能力。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开发的这款脑机接口（BCI）依赖于单个硅芯片，在大脑与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（Biological Interface System to Cortex, BISC）。
在《自然·电子学》杂志发表的一项研究中描述的BISC系统包括单芯片植入物、可穿戴"中继站"以及运行该系统所需的定制软件。
"大多数可植入系统围绕一个占据体内巨大空间的电子罐构建，"哥伦比亚大学电气工程劳氏教授、生物医学工程教授和神经科学教授肯·谢泼德表示，他是该研究的高级作者之一，并指导了工程工作。
"我们的植入物是单片集成电路芯片，薄到可以滑入大脑和颅骨之间的空间，像一张湿的薄纸一样贴在大脑上。"
谢泼德在BISC项目中与高级共同通讯作者、斯坦福大学眼科教授兼Enigma项目联合创始主任安德烈亚斯·S·托利亚斯博士合作。托利亚斯利用大规模神经数据集训练人工智能模型的开创性工作——包括使用BISC在托利亚斯实验室记录的数据集——使团队能够评估该设备的神经解码性能。
"BISC将大脑皮层表面转变为有效门户，实现与人工智能和外部设备的高带宽、微创读写通信，"托利亚斯说。
"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，可用于治疗癫痫等多种神经精神疾病。"
哥伦比亚大学神经外科助理教授、纽约长老会/哥伦比亚大学欧文医学中心神经外科医生布雷特·杨格曼博士担任该项目的主要临床合作者。
"这种高分辨率、高数据吞吐量的设备有潜力彻底改变从癫痫到瘫痪的神经系统疾病的管理方式，"他说。
"有效脑机接口设备的关键是最大化大脑的信息流入和流出，同时使设备的手术植入尽可能微创。BISC在两个方面都超越了先前技术，"杨格曼博士继续说道。
"半导体技术使这一切成为可能，让房间大小的计算机的计算能力现在可以装在你的口袋里，"谢泼德说，"我们现在为医疗植入物做同样的事情，让复杂的电子产品在体内存在，同时几乎不占用空间。"
更小、更安全、更快
脑机接口通过与神经元在大脑中传输信息所用的电信号进行交互工作。当今最先进的医用脑机接口由单个微电子组件构成，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，必须在外科手术中将一个大型电子罐植入体内，要么移除部分颅骨，要么将设备放置在其他位置（如胸部），并将电线连接到大脑。
BISC的工作方式不同。整个植入物占用的空间不到传统设备的千分之一，是单个互补金属氧化物半导体（CMOS）集成电路芯片，厚度仅为50微米。总体积约为3立方毫米的柔性芯片能够贴合大脑表面。
这种微电皮层脑电图（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。通过利用半导体行业开发的大规模制造技术，这些植入物可以轻松大规模生产。
单芯片植入物包括无线电收发器、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物供电并与之通信，通过定制的超宽带无线电链路传输数据，实现100 Mbps的数据带宽——连接吞吐量至少比任何竞争性无线脑机接口设备高出100倍。
该中继站本身是一个802.11 WiFi设备，实际上形成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，由广泛的软件栈支持，共同构成专为脑机接口设计的计算架构。正如本研究所示，这些高带宽记录能力使脑信号模式能够提交给先进的机器学习或深度学习框架，用于解码复杂的意图、感知或状态。
"通过将所有功能集成在一块硅片上，我们展示了脑接口如何变得更小、更安全且功能更强大，"谢泼德说。
从实验室到临床
为了使这项技术可供医生和患者使用，谢泼德团队与纽约长老会/哥伦比亚大学欧文医学中心的杨格曼密切合作。
他们共同完善了外科手术方法，将这张纸般薄的设备安全地植入临床前模型中，并证明了其记录质量和稳定性，如当前研究所述。针对人类患者的短期术中记录研究正在进行中。
"这些初步研究为我们提供了关于设备在真实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，并直接滑入大脑表面的硬膜下空间。纸般薄的外形以及缺乏穿透大脑的电极或将植入物固定在颅骨上的电线，最大限度地减少了组织反应和随时间推移的信号退化。"
BISC在运动皮层和视觉皮层的广泛临床前测试得益于与托利亚斯博士和宾夕法尼亚大学神经外科教授比詹·佩萨兰的合作，两人都是计算和系统神经科学领域的领导者。
"BISC的极端微型化作为一个平台非常令人兴奋，可用于新一代也通过光和声等其他方式与大脑交互的可植入技术，"佩萨兰说。
在国防高级研究计划局（DARPA）的神经工程系统设计项目下开发的BISC，结合了哥伦比亚大学在微电子学方面的优势、斯坦福大学和宾夕法尼亚大学的尖端神经科学，以及纽约长老会/哥伦比亚大学欧文医学中心的外科创新。
迈向实际应用
为了加速转化，哥伦比亚大学和斯坦福大学团队成立了Kampto Neurotech，这是一家由哥伦比亚大学电气工程校友、该项目首席工程师曾南宇博士创立的衍生公司。Kampto Neurotech正在开发用于临床前研究应用的芯片商业版本，并筹集资金将该系统推进到人类使用阶段。
"这是一种构建脑机接口设备的根本不同方式，"曾南宇说，"通过这种方式，BISC的技术能力在数量级上超过了竞争设备。"
在人工智能进步推动的技术格局中，脑机接口技术最近引起了相当大的兴趣，既用于恢复受神经系统疾病影响者的功能，也用于通过提供与大脑的直接接口来潜在增强人类能力。
"通过将超高分辨率神经记录与完全无线操作相结合，并将其与先进的解码和刺激算法配对，我们正朝着大脑和人工智能系统能够无缝交互的未来迈进——不仅用于研究，更是为了人类福祉，"谢泼德说。
"这可能会改变我们治疗脑部疾病的方式、我们与机器的交互方式，以及最终人类与人工智能的互动方式。"
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