Um novo implante cerebral poderia remodelar drasticamente a forma como as pessoas interagem com os computadores, ao mesmo tempo que abre novas possibilidades de tratamento para doenças como epilepsia, lesões na medula espinhal, ELA, acidente vascular cerebral e cegueira. Ao criar um caminho de comunicação cerebral minimamente invasivo e de alto rendimento, tem o potencial de apoiar o controle da epilepsia e ajudar a restaurar o movimento, a fala e as habilidades visuais.
A promessa da tecnologia decorre do seu tamanho extremamente pequeno e da capacidade de transmitir dados em altas velocidades. O dispositivo, uma colaboração entre a Universidade de Columbia, o Hospital Presbiteriano de Nova York, a Universidade de Stanford e a Universidade da Pensilvânia, é uma interface cérebro-computador (BCI) construída em torno de um único chip de silício. O chip forma um link sem fio de alta largura de banda entre o cérebro e um computador externo. O sistema é denominado Biointerface System for Cortex (BISC).
Um estudo publicado em 8 de dezembro eletrônica natural A arquitetura do BISC é delineada, incluindo implantes baseados em chips, “estações retransmissoras” vestíveis e o software necessário para executar a plataforma. “A maioria dos sistemas implantáveis são construídos em torno de componentes eletrônicos que ocupam muito espaço no corpo”, disse Ken Shepard, professor de engenharia elétrica da família Liu, professor de engenharia biomédica e professor de neurociência na Universidade de Columbia, que é um dos autores seniores do projeto e liderou o trabalho de engenharia. “Nosso implante é um único chip de circuito integrado tão fino que desliza para o espaço entre o cérebro e o crânio e repousa sobre o cérebro como um tecido úmido”.
Transformando o córtex em uma interface de alta largura de banda
Shepard trabalhou em estreita colaboração com o co-autor sênior Andreas S. Tolias, PhD, professor do Byers Eye Institute da Universidade de Stanford e cofundador do projeto Enigma. Tolias tem vasta experiência no treinamento de sistemas de inteligência artificial em gravações neurais em grande escala, incluindo aquelas coletadas pelo BISC, ajudando a equipe a analisar a capacidade do implante de decodificar a atividade cerebral. “O BISC transforma a superfície cortical em um portal eficiente, fornecendo comunicações de leitura e gravação minimamente invasivas e de alta largura de banda com inteligência artificial e dispositivos externos”, disse Tolias. “Sua escalabilidade de chip único abre caminho para neuropróteses adaptativas e interfaces cérebro-IA para tratar muitas doenças neuropsiquiátricas, como a epilepsia.”
Dr. Brett Youngerman, professor assistente de neurocirurgia na Universidade de Columbia e neurocirurgião do NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center, é o principal colaborador clínico do projeto. “Este dispositivo de alta resolução e alto rendimento de dados tem o potencial de revolucionar o tratamento de distúrbios neurológicos, da epilepsia à paralisia”, disse ele. Youngerman, Shepard e a Dra. Catherine Schevon, neurologista de epilepsia do NewYork-Presbyterian/Columbia, receberam recentemente uma doação do National Institutes of Health para usar o BISC no tratamento da epilepsia resistente a medicamentos. “A chave para um dispositivo eficaz de interface cérebro-computador é maximizar o fluxo de informações que entra e sai do cérebro e, ao mesmo tempo, tornar o dispositivo o menos invasivo possível durante a implantação cirúrgica. O BISC supera as tecnologias anteriores em ambos os aspectos”, 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 Sheppard. “Agora estamos fazendo a mesma coisa com os implantes médicos, permitindo que eletrônicos complexos vivam dentro do corpo sem ocupar praticamente nenhum espaço”.
Engenharia BCI de próxima geração
As interfaces cérebro-computador funcionam conectando-se aos sinais elétricos que os neurônios usam para se comunicar. As atuais interfaces cérebro-computador de nível médico geralmente dependem de vários componentes microeletrônicos independentes, como amplificadores, conversores de dados e transmissores de rádio. Os componentes devem ser armazenados em um recipiente de implante relativamente grande, colocado através da remoção de parte do crânio ou de outra parte do corpo, como o tórax, e executados com fios que se estendem até o cérebro.
O BISC é construído de forma diferente. Todo o sistema reside em um único circuito integrado de semicondutor de óxido metálico complementar (CMOS) que foi reduzido para 50 μm e ocupa menos de 1/1000 do volume de um implante padrão. Tamanho total aprox. 3mm3o chip flexível pode dobrar para se ajustar à superfície do cérebro. O dispositivo de microeletrocorticografia (μECoG) contém 65.536 eletrodos, 1.024 canais de gravação 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 massa.
O chip integra o transceptor de rádio, circuito de alimentação sem fio, eletrônica de controle digital, gerenciamento de energia, conversores de dados e componentes analógicos necessários para gravação e estimulação. Estações retransmissoras externas fornecem comunicações de energia e dados por meio de um link de rádio de banda ultralarga personalizado que atinge uma taxa de transferência de 100 Mbps, pelo menos 100 vezes maior do que qualquer outro BCI sem fio atualmente disponível. Operando como um dispositivo WiFi 802.11, a estação retransmissora pode conectar efetivamente qualquer computador ao implante.
O BISC combina seu próprio conjunto de instruções e um ambiente de software abrangente para formar um sistema especializado de computação de interface cerebral. As gravações de alta largura de banda demonstradas neste estudo permitem que algoritmos avançados de aprendizado de máquina e aprendizado profundo processem sinais cerebrais para interpretar intenções complexas, experiências perceptivas e estados cerebrais.
“Ao integrar tudo em um único chip de silício, mostramos como as interfaces cerebrais podem se tornar menores, mais seguras e mais poderosas”, disse Shepard.
Fabricação avançada de semicondutores
Os implantes BISC são fabricados usando a tecnologia bipolar CMOS-DMOS (BCD) de 0,13 μm da TSMC. Este método de fabricação combina três tecnologias de semicondutores em um único chip para produzir circuitos integrados (ICs) de sinais mistos. Ele permite que lógica digital (de CMOS), funções analógicas de alta corrente e alta tensão (de transistores bipolares e DMOS) e dispositivos de energia (de DMOS) trabalhem juntos de forma eficiente, todos essenciais para o desempenho do BISC.
Do laboratório à aplicação clínica
Para traduzir o sistema para uso médico no mundo real, a equipe de Shepard colaborou com Youngerman no NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center. Eles desenvolveram um procedimento cirúrgico para colocar com segurança o implante fino 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 dados valiosos sobre o desempenho do dispositivo em um ambiente cirúrgico real”, disse Youngerman. “O implante pode ser inserido através de incisões minimamente invasivas no crânio e deslizado 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 para amarrar o implante ao crânio minimizam a reatividade do tecido e a degradação do sinal ao longo do tempo.”
Tolias e Bijan Pesaran, professor de neurocirurgia da Universidade da Pensilvânia, conduziram extensas pesquisas pré-clínicas no córtex motor e visual e são líderes reconhecidos em neurociência computacional e de sistemas.
“A miniaturização extrema do BISC é muito interessante como plataforma para uma nova geração de tecnologias implantáveis que também podem interagir com o cérebro através de outros meios, como luz e som”, disse Pesaran.
O BISC foi desenvolvido por meio do programa de Design de Sistemas de Engenharia Neural da Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) e baseia-se na profunda experiência da Columbia em microeletrônica, nos programas avançados de neurociência em Stanford e na Universidade da Pensilvânia, e nas capacidades cirúrgicas do NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center.
Desenvolvimento de negócios e futura integração de IA
Para aproximar a tecnologia de aplicações práticas, pesquisadores de Columbia e Stanford criaram a Kampto Neurotech, uma startup fundada pelo ex-aluno de engenharia elétrica da Columbia, Dr. Nanyu Zeng, que também é um dos engenheiros líderes do projeto. A empresa está produzindo 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 construir dispositivos BCI”, disse Zeng. “Desta forma, as capacidades técnicas do BISC excedem os dispositivos concorrentes em ordens de magnitude.”
À medida que a inteligência artificial continua a avançar, as interfaces cérebro-computador estão a ganhar impulso, tanto para restaurar capacidades perdidas em pacientes com distúrbios neurológicos como para potenciais aplicações futuras que melhorem a função normal através da comunicação direta cérebro-computador.
“Ao combinar a gravação neural de altíssima resolução com operação totalmente sem fio e combiná-la com algoritmos avançados de decodificação e estimulação, estamos caminhando em direção a um futuro onde cérebros e sistemas de inteligência artificial podem interagir perfeitamente – não apenas para pesquisa, mas também para benefício humano”, disse Shepard. “Isso pode mudar a forma como tratamos as doenças cerebrais, a forma como interagimos com as máquinas e, em última análise, a forma como os humanos interagem com a inteligência artificial”.
