Cientistas revelam um minúsculo chip cerebral que transmite pensamentos em tempo real

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 único chip de silício. Este chip forma um link sem fio de alta largura de banda entre o cérebro e os computadores externos. O sistema é conhecido como Sistema de Interface Biológica para Cortex (BISC).

Um estudo publicado em 8 de dezembro em Eletrônica da Natureza descreve a arquitetura do BISC, que inclui o implante baseado em chip, uma “estação retransmissora” vestível e o software necessário para executar a plataforma. “A maioria dos sistemas implantáveis ​​são construídos em torno de um recipiente eletrônico que ocupa enormes volumes de espaço dentro do corpo”, diz Ken Shepard, professor de engenharia elétrica da família Lau, professor de engenharia biomédica e professor de ciências neurológicas na Universidade de Columbia, que atuou como um dos autores seniores e liderou o trabalho de engenharia. “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”.

Transformando o Cortex em uma interface de alta largura de banda

Shepard trabalhou em estreita colaboração com o autor sênior e co-correspondente Andreas S. Tolias, PhD, professor do Byers Eye Institute da Universidade de Stanford e diretor cofundador do Projeto Enigma. A vasta experiência de Tolias 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 eficaz, fornecendo comunicação de leitura e gravação minimamente invasiva e de alta largura de banda com IA e dispositivos externos”, diz Tolias. “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 a neurologista de epilepsia NewYork-Presbyterian/Columbia, Dra. Catherine Schevon, recentemente garantiram 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, ao mesmo tempo em que torna o dispositivo o menos invasivo possível em sua implantação cirúrgica. O BISC supera a tecnologia anterior em ambas as frentes”, acrescenta 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”, diz 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 última geração

Os BCIs funcionam conectando-se aos 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, colocado através da remoção de parte do crânio ou em outra parte do corpo como o tórax, com fios que se estendem até o cérebro.

O BISC é construído 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 curvar-se para corresponder à superfície do cérebro. Este 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 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 os componentes analógicos necessários para gravação e estimulação. A estação retransmissora externa fornece energia e comunicação de dados por meio de um link de rádio de banda ultralarga personalizado que atinge 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 estação retransmissora conecta efetivamente qualquer computador ao implante.

O BISC incorpora seu próprio conjunto de instruções junto com um ambiente de software abrangente, formando um sistema de computação especializado para interfaces cerebrais. 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 integrar tudo em um pedaço de silício, mostramos como as interfaces cerebrais podem se tornar menores, mais seguras e dramaticamente mais poderosas”, diz 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 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 potência (de DMOS) trabalhem juntos de forma eficiente, todos essenciais para o desempenho do BISC.

Passando do laboratório para o uso clínico

Para fazer a transição do 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 o implante fino 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 iniciais nos fornecem dados valiosos sobre o desempenho do dispositivo em um ambiente cirúrgico real”, diz 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 que prendem o implante ao crânio minimizam a reatividade do tecido e a degradação do sinal ao longo do tempo.”

Um extenso trabalho pré-clínico nos córtices motores e visuais foi realizado com o Dr. Tolias 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 muito interessante como plataforma para novas gerações de tecnologias implantáveis ​​que também fazem interface com o cérebro com outras modalidades, como luz e som”, diz Pesaran.

O BISC foi desenvolvido por meio do programa Neural Engineering System Design 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 Penn e nas capacidades cirúrgicas do NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center.

Desenvolvimento Comercial e Futura Integração de IA

Para aproximar a tecnologia do uso prático, pesquisadores de Columbia e Stanford criaram a Kampto Neurotech, uma startup fundada pelo ex-aluno de engenharia elétrica da Columbia, Dr. Nanyu Zeng, um dos engenheiros líderes do projeto. A empresa está produzindo versões do chip prontas 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”, diz Zeng. “Desta forma, o BISC possui capacidades tecnológicas que excedem as dos dispositivos concorrentes em muitas ordens de grandeza”.

À medida que a inteligência artificial continua a avançar, os BCIs estão a ganhar impulso tanto para restaurar capacidades perdidas em pessoas com distúrbios neurológicos como para potenciais aplicações futuras que melhorem a função normal através da comunicação direta entre o cérebro e o computador.

“Ao combinar a gravação neural de altíssima resolução com operação totalmente sem fio, e emparelhá-la com algoritmos avançados de decodificação e estimulação, estamos caminhando em direção a um futuro onde o cérebro e os sistemas de IA podem interagir perfeitamente – não apenas para pesquisa, mas para benefício humano”, diz Shepard. “Isso pode mudar a forma como tratamos distúrbios cerebrais, como interagimos com as máquinas e, em última análise, como os humanos se envolvem com a IA”.