Ένα νέο εγκεφαλικό εμφύτευμα με την ονομασία BISC επαναπροσδιορίζει τα όρια της αλληλεπίδρασης ανθρώπου–μηχανής, προσφέροντας έναν υπερλεπτό, ασύρματο και υψηλής χωρητικότητας δίαυλο επικοινωνίας απευθείας με τον εγκέφαλο, ανοίγοντας τον δρόμο για άμεση σύνδεση με τεχνολογίες τεχνητής νοημοσύνης. Με περισσότερα από 65.000 ηλεκτρόδια και πρωτοφανή ρυθμό μεταφοράς δεδομένων, δίνει σε εξελιγμένα συστήματα AI τη δυνατότητα να αποκωδικοποιούν σκέψεις, προθέσεις και αισθητηριακές πληροφορίες, παραμένοντας ταυτόχρονα ελάχιστα επεμβατικό.

Το BISC μπορεί να μεταμορφώσει τη σχέση ανθρώπου–υπολογιστή και να ενισχύσει ριζικά τις θεραπευτικές δυνατότητες για παθήσεις όπως επιληψία, βλάβες νωτιαίου μυελού, αμυοτροφική πλευρική σκλήρυνση (ALS), εγκεφαλικές κακώσεις και τύφλωση, βοηθώντας στη διαχείριση κρίσεων και στην αποκατάσταση κινητικών, λεκτικών και οπτικών λειτουργιών. Η λειτουργία του βασίζεται στη δημιουργία ενός ελάχιστα επεμβατικού καναλιού επικοινωνίας υψηλής χωρητικότητας που μεταφέρει δεδομένα προς και από τον εγκέφαλο.

Αυτό που καθιστά το σύστημα τόσο ελκυστικό είναι ο εξαιρετικά μικρός του όγκος σε συνδυασμό με τη δυνατότητα ταχύτατης μετάδοσης μεγάλων ποσοτήτων δεδομένων. Αναπτύχθηκε από ομάδες των Πανεπιστημίων Κολούμπια, NewYork-Presbyterian, Στάνφορντ και Πενσιλβάνιας. Η πλατφόρμα, που ονομάζεται Biological Interface System to Cortex (BISC), στηρίζεται σε ένα μόνο ολοκληρωμένο κύκλωμα πυριτίου, το οποίο δημιουργεί έναν ασύρματο δίαυλο υψηλής χωρητικότητας ανάμεσα στον εγκέφαλο και εξωτερικά υπολογιστικά συστήματα.

Το σύστημα

Οι ερευνητές περιγράφουν στην «Nature Electronics» το BISC ως μια τεχνολογία τριών στοιχείων: ένα εμφυτεύσιμο τσιπ, έναν φορητό σταθμό αναμετάδοσης και λογισμικό ελέγχου. «Τα περισσότερα εμφυτεύσιμα συστήματα χρειάζονται θήκες ηλεκτρονικών που καταλαμβάνουν πολύ χώρο», αναφέρει ο Κεν Σέπαρντ, καθηγητής ηλεκτρολογικής και βιοϊατρικής μηχανικής στο Κολούμπια. «Το δικό μας εμφύτευμα είναι ένα ενιαίο κύκλωμα τόσο λεπτό που εφαρμόζει μεταξύ εγκεφάλου και κρανίου σαν βρεγμένο χαρτί».

Ο Σέπαρντ συνεργάστηκε με τον Άντρεας Τόλιας, καθηγητή Οφθαλμολογίας στο Στάνφορντ και συνιδρυτή του Enigma Project. Η εργασία του Τόλιας στην εκπαίδευση μοντέλων AI με νευρωνικά δεδομένα, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που καταγράφηκαν μέσω του BISC, έδωσε τη δυνατότητα για αυστηρές δοκιμές της ακρίβειας αποκωδικοποίησης της συσκευής.

«Το BISC μετατρέπει την επιφάνεια του φλοιού σε ισχυρή πύλη αμφίδρομης, υψηλής χωρητικότητας επικοινωνίας με AI και εξωτερικές συσκευές. Η κλιμάκωση ενός μόνο τσιπ ανοίγει τον δρόμο για προσαρμοστικές νευροπροσθετικές και διεπαφές εγκεφάλου–AI για τη θεραπεία νευροψυχιατρικών παθήσεων όπως η επιληψία», σημειώνει ο Τόλιας.

Ο Μπρετ Γιούνγκερμαν, επίκουρος καθηγητής νευροχειρουργικής στο Κολούμπια και νευροχειρουργός στο NewYork-Presbyterian/Columbia, ήταν ο κύριος κλινικός συνεργάτης. «Αυτή η συσκευή υψηλής ανάλυσης μπορεί να αλλάξει ριζικά τη διαχείριση νευρολογικών διαταραχών, από την επιληψία έως την παράλυση». Ο Γιούνγκερμαν, ο Σέπαρντ και η νευρολόγος Κάθριν Σίβον εξασφάλισαν πρόσφατα χρηματοδότηση από τα NIH για την εφαρμογή της συσκευής σε φαρμακοανθεκτική επιληψία. «Το κλειδί είναι η μέγιστη ροή δεδομένων με ελάχιστη επεμβατικότητα — και το BISC υπερβαίνει κάθε προηγούμενο», επισημαίνουν.

Τα μεγέθη και η αρχιτεκτονική

Οι διεπαφές εγκεφάλου–υπολογιστή λειτουργούν παρακολουθώντας τα ηλεκτρικά σήματα των νευρώνων. Μέχρι σήμερα αυτό απαιτούσε πλήθος ηλεκτρονικών: ενισχυτές, μετατροπείς δεδομένων, κυκλώματα διαχείρισης ισχύος, πομποδέκτες κ.ά. Το BISC αλλάζει τη λογική: αποτελείται από ένα ενιαίο CMOS κύκλωμα που καταλαμβάνει λιγότερο από το ένα χιλιοστό του όγκου των συμβατικών συστημάτων. Με μέγεθος μόλις 3 mm³, το εύκαμπτο τσιπ προσαρμόζεται στην καμπυλότητα του φλοιού.

Η συσκευή µECoG ενσωματώνει 65.536 ηλεκτρόδια, 1.024 κανάλια καταγραφής και 16.384 κανάλια διέγερσης. Κατασκευάζεται με τεχνικές μαζικής παραγωγής ημιαγωγών, επιτρέποντας την κλιμάκωσή της. Στο ίδιο τσιπ υπάρχουν ο πομποδέκτης, η ασύρματη τροφοδοσία, η διαχείριση ενέργειας και όλα τα αναλογικά και ψηφιακά κυκλώματα.

Ο εξωτερικός σταθμός αναμετάδοσης παρέχει ισχύ και μεταφέρει δεδομένα μέσω υπερ-ευρυζωνικού σήματος 100 Mbps, ταχύτερου κατά εκατοντάδες φορές από οποιοδήποτε υπάρχον ασύρματο BCI, ενώ εμφανίζεται ως συσκευή WiFi 802.11.

Το BISC εισάγει δικό του instruction set και εξειδικευμένη λογισμική στοίβα, προσφέροντας νέα υπολογιστική αρχιτεκτονική για BCI. Έτσι, γίνεται δυνατή η αποστολή πλούσιων μοτίβων εγκεφαλικής δραστηριότητας σε εργαλεία machine learning που αποκωδικοποιούν προθέσεις και αντιλήψεις.

«Με την ενσωμάτωση όλων σε ένα μόνο τσιπ, δείξαμε πώς οι διεπαφές εγκεφάλου μπορούν να γίνουν μικρότερες, ασφαλέστερες και πολύ πιο ισχυρές», λέει ο Σέπαρντ.

Η χρήση στην πράξη

Για τη μετάβαση σε κλινική χρήση, η ομάδα συνεργάστηκε με τους χειρουργούς του NewYork-Presbyterian/Columbia. Ανέπτυξαν τεχνικές ασφαλούς τοποθέτησης του υπερλεπτού τσιπ, αποδεικνύοντας ότι μπορεί να καταγράφει σήματα με σταθερότητα στον χρόνο. Πρώιμες ανθρώπινες μελέτες βρίσκονται σε εξέλιξη με σύντομες καταγραφές κατά τη διάρκεια επεμβάσεων.

«Οι αρχικές δοκιμές δείχνουν ότι το εμφύτευμα εισάγεται μέσω μικρής τομής στο κρανίο και γλιστρά στον υποσκληρίδιο χώρο, χωρίς διεισδυτικά ηλεκτρόδια ή καλώδια», λέει ο Γιούνγκερμαν. Αυτό μειώνει την φλεγμονή των ιστών και περιορίζει την υποβάθμιση του σήματος.

Εκτενείς προκλινικές δοκιμές έγιναν σε κινητικούς και οπτικούς φλοιούς με τη συνεργασία του Τόλιας και του Μπιτζάν Πεσαράν από το Πανεπιστήμιο Πενσιλβάνια.

«Η ακραία μικρογραφία του BISC το καθιστά συναρπαστική βάση για νέες γενιές εμφυτεύσιμων διεπαφών που μπορεί να συνδυάζονται με φως ή ήχο», σχολιάζει ο Πεσαράν.

Η έρευνα και το μέλλον

Το BISC σχεδιάστηκε στο πρόγραμμα DARPA Neural Engineering Systems Design και συνδυάζει την τεχνογνωσία μικροηλεκτρονικής του Κολούμπια, τις νευροεπιστήμες του Στάνφορντ και της Πενσιλβάνια και την κλινική καινοτομία του NewYork-Presbyterian/Columbia.

Για τη γρήγορη αξιοποίηση της τεχνολογίας, οι ερευνητές δημιούργησαν την εταιρεία Kampto Neurotech, υπό τον Νάνγιου Ζενγκ, με στόχο την εμπορική ανάπτυξη και μελλοντική χρήση του εμφυτεύματος σε ανθρώπους. «Πρόκειται για εντελώς νέο τρόπο κατασκευής BCI· οι δυνατότητες του BISC υπερβαίνουν κατά τάξεις μεγέθους τα υπάρχοντα συστήματα», λέει ο Ζενγκ.

Καθώς η τεχνητή νοημοσύνη εξελίσσεται, οι διεπαφές εγκεφάλου προσελκύουν αυξανόμενο ενδιαφέρον τόσο για αποκατάσταση νευρολογικών λειτουργιών όσο και για πιθανή ενίσχυση ανθρώπινων ικανοτήτων. «Ο συνδυασμός υψηλής ανάλυσης νευρωνικών σημάτων, πλήρους ασύρματης λειτουργίας και εξελιγμένων αλγορίθμων μάς φέρνει σε ένα μέλλον όπου εγκέφαλος και AI συνεργάζονται απρόσκοπτα — με εφαρμογές που μπορούν να αλλάξουν την ιατρική, την τεχνολογία και την ανθρώπινη εμπειρία», καταλήγει ο Σέπαρντ.

Διαβάστε ακόμη

Η μάχη του Eurogroup: Το success story της Ελλάδας το όπλο Πιερρακάκη

Ο άνθρωπος πίσω από την εκτόξευση του YouTube: CEO της χρονιάς ο Ινδός Νιλ Μόχαν

Ακτή Βουλιαγμένης: Στην τελική ευθεία η «μάχη» των 4 ισχυρών

Για όλες τις υπόλοιπες ειδήσεις της επικαιρότητας μπορείτε να επισκεφτείτε το Πρώτο Θέμα