10 Minutės
Naujasis plonos plokštelės storio smegenų implantas, vadinamas BISC, žada pakeisti žmonių ir mašinų tarpusavio bendravimą. Sujungdamas itin miniatiūrizuotą dizainą, tūkstančius elektrodų ir belaidį, didelės pralaidumo ryšį, šis įrenginys siekia padaryti smegenų ir kompiuterių sąsajas (BCI) galingesnes ir mažiau invazines nei bet kada anksčiau. Tai svarbi pažanga neurotechnologijoje, skirta realaus laiko neurinių signalų įrašymui, dekodavimui ir galimai stimuliacijai.
Čia pavaizduotas BISC implantas yra maždaug plonesnis už žmogaus plauką
Iškalbingai mažas įrenginys su didžiuliu duomenų pralaidumu
Tradiciniai neuraliniai implantai dažnai talpina stiprintuvus, baterijas ir radijo modulius į stambiąse kapsulėse, kurios būna po oda arba krūtinėje. BISC šį modelį apverčia aukštyn kojomis: visi būtini elektronikos komponentai suspausti ant vienintelio komplementinio metaliniu oksidu puslaidininkinio (CMOS) lusto, susiaurinto iki maždaug 50 μm storio. Šis itin mažas ir lankstus lustas integruoja įrašymo ir stimuliacijos aparatūrą, radijo siųstuvą-imtuvą, energijos valdymo grandines ir skaitmeninę valdymo logiką į tūrio maždaug 3 mm³ — tai mažiau nei tūkstantoji daugelio dabartinių įrenginių tūrio dalis.
Kodėl dydis yra svarbus? Mažesni implantai sumažina chirurginį traumavimą, mažina infekcijos riziką, sumažina audinių reakciją ir leidžia implantą įdėti be didelių kaukolės skylių. BISC lanksti forma leidžia jam prisitaikyti prie žievės (kortikalinio) paviršiaus ir atsigulti subduraliniame plote su minimaliu trikdžiu. Nepaisant minimalios užimamos vietos, BISC palaiko išskirtinai didelį duomenų pralaidumą — iki 100 Mbps per pritaikytą ultraplatajuostį ryšį — leidžiantį beveik realiu laiku perduoti turtingus neurinius duomenų rinkinius į išorinius kompiuterius ir dirbtinio intelekto sistemas.
Kaip sistema yra organizuota: lustas, relė ir programinė įranga
BISC nėra vien tik atskiras lustas. Platforma yra trijų dalių: vieno lusto implantas, nešiojama baterija maitinama relė ir skirta programinė pakopa. Implantas talpina 65 536 elektrodus, 1 024 vienalaikius įrašymo kanalus ir 16 384 stimuliacijos kanalus. Kadangi platforma remiasi puslaidininkių gamybos cechų procesais, ta pati gamybos skalė, kuri leidžia vartojamosios elektronikos gaminiams būti pigiems ir plačiai prieinamiems, teoriškai gali pagaminti daug implantų su dideliu išeigumu.
Vientisas vieno lusto integravimas
Visi analoginiai priekinės dalies komponentai, duomenų keitikliai, energijos valdymo grandinės ir radijo siųstuvas-imtuvas yra pagaminti tiesiogiai ant lusto. Šių funkcijų integracija eliminuoja poreikį didelėms implantinėms kapsulėms ir ilgiems laidams, žymiai sumažina implanto fizinį profilį ir chirurginį pėdsaką. Techninis sprendimas, kuriuo susiejamas analoginis ir skaitmeninis dizainas, leidžia optimizuoti triukšmo santykį, jautrumą ir energijos sunaudojimą, kas yra kritiška ilgalaikei signalų kokybei.
Belaidė relė ir suderinamumas
Už kaukolės ribų maža nešiojama relė tiekia energiją ir tarpininkauja didelės pralaidumo radijo ryšiui tarp implanto ir išorinių kompiuterių. Relė išoriniam pasauliui elgiasi panašiai kaip 802.11 Wi‑Fi įrenginys, efektyviai sujungdama bet kurią mašininio mokymosi platformą su smegenimis be fizinio laido. Toks sprendimas suteikia praktišką kelią derinti BISC su pažangiais dekodavimo algoritmais, debesų (cloud) pagrindu veikiančiu dirbtiniu intelektu arba lokaliu edge skaičiavimu, kai reikalingas mažas delsos laikas. Be to, šis ryšys leidžia įdiegti šifravimo ir autentifikacijos sluoksnius, kurie apsaugo jautrius neurinius duomenis perdavimo metu.
Nuo žalių signalų iki AI‑iššifruotų ketinimų
Smegenų ir kompiuterių sąsajos vertingos tuo, kad jos gali skaityti (o kartais ir rašyti) nervinę veiklą su pakankama laiko ir erdvine raiška. BISC mikro‑elektrokortikografijos (μECoG) masyvas fiksuoja didelės tankio kortikalinio paviršiaus potencialų žemėlapį, kurį sumodeliavus su moderniais mašininio mokymosi modeliais galima iššifruoti į ketinimus, sensorinius potyrius ir motorinius komandas. Tokie duomenys ypač vertingi kuriant ir tobulinant neurinius dekoderius, kurie gali versti smegenų veiklos modelius į realius veiksmus ar suvokimus.
Stanfordo Andreas Tolias, bendradarbiavęs BISC bandymuose, pabrėžia aparatūros ir AI partnerystę: treniruojant giluminio mokymosi modelius ant didelių neurinių duomenų rinkinių — įskaitant įrašus, surinktus naudojant BISC — komanda galėjo įvertinti, kaip efektyviai implantas leidžia algoritmams dekoduoti neurinius būsenas. Trumpai tariant, sistema paverčia kortikalinį paviršių didelės pralaidumo portalu skaitymo‑rašymo komunikacijai su dirbtiniu intelektu ir išoriniais įrenginiais.
Klininės taikymo sritys: kas galėtų gauti naudą?
Potencialios klinikinės taikymo sritys yra plačios. Didelės raiškos belaidės BCI sistemos žada patobulinimus valdyme pacientams, sergantiems vaistams atsparia epilepsija, leidžiant tikslesnį priepuolių monitoravimą ir labiau orientuotą stimuliaciją. Žmonėms su nugaros smegenų traumomis, amiotrofine lateraline skleroze (ALS) arba insultu tokios sąsajos galėtų atkurti motorines ar komunikacijos funkcijas, dekoduodamos ketinamus judesius ar kalbą ir valdydamos protezines galūnes, balso sintezatorius ar pagalbinius įrenginius.
Regos atkūrimas ir sensorinės endoprotezės yra kitos svarbios kryptys. Kadangi BISC palaiko tiek tankų įrašymą, tiek stimuliacijos kanalus, jis gali potencialiai tiekti modeliuotus elektrinius impulsus į regos žievės sritis, atitinkančias konkrečius perceptus — tai yra kelias link naujos kartos regą atkuriantinių implantų. Paralyžių arba „locked‑in“ būsenų pacientams derinys dekodavimo ir stimuliacijos metodų gali atverti kelius atgauti interaktyvų ryšį su aplinka ir artimaisiais.
Chirurginis požiūris ir ankstyvieji bandymai
Naujų implantų perkėlimas iš laboratorijos į kliniką reikalauja kruopštaus chirurginio dizaino. BISC komanda sukūrė minimaliai invazines įdiegimo technikas, leidžiančias lustą įstumti į subduralinį tarpą per mažą atidarymą kaukolėje ir jį ištiesti per kortikalinį paviršių. Kadangi įrenginys yra itin plonas ir neperveržia smegenų audinių, jis mažina mechaninį neatitikimą ir chroninę audinių reakciją — abi problemos gali laikui bėgant sumažinti signalų kokybę.
Išankstiniai gyvūnų modelių tyrimai išbandė lustą motorinėje ir regos žievėse ir patvirtino stabilius įrašus per eksperimentinius laikotarpius. Ankstyvi trumpalaikiai žmogaus įrašai vyksta chirurginėse sąlygose, renkant duomenis apie intraoperacinį veikimą ir tobulinant saugaus naudojimo protokolus. Kolumbijos neurochirurgas Brett Youngerman ir epilepsijos neurologė Catherine Schevon bendradarbiavo klinikinio įdiegimo pastangose, įskaitant Nacionalinių sveikatos institutų (NIH) dotaciją BISC testavimui vaistams atsparioje epilepsijoje.
Inžineriniai kompromisai ir techninės inovacijos
Tokios kompaktiškos platformos sukūrimas reikalavo kelių techninių šuolių. Esami BCI dažnai remiasi atskirais moduliais: stiprintuvais, skaitmeninimo įrenginiais, radijo moduliais ir energijos valdymu, kurių kiekvienas užima fizinę erdvę. BISC konsoliduoja šiuos elementus į vieną silicio plokštelę, pasinaudodamas CMOS technologijos tobulinimu ir mišriosios signalizacijos dizaino pažangomis, kad sutalpintų daug funkcijų valdant šilumos sklaidą ir energijos suvartojimą. Tai leidžia įrenginiui išlaikyti aukštą jautrumą ir mažą triukšmą net esant dideliems kanalų skaičiams.
Lusto ultraplatajuostis radijas ir išorinė relė yra vienodai svarbūs: pasiekti 100 Mbps belaidžio pralaidumo lygį yra mažiausiai du eilės kartus geriau nei daugelyje dabartinių belaidžių BCI, o toks pralaidumas yra būtinas srautiniam tankių daugiakanalių neurinių duomenų perdavimui, reikalingam pažangiausiems AI dekoderiams. Platforma taip pat apibrėžia pritaikytą instrukcijų rinkinį ir programinę įrangą, optimizuotą neurinių sąsajų darbo krūviams, leidžiančią standartizuotą valdymą, stimuliacijos paradigmas ir suderinamumą su mašininio mokymosi vamzdynais.
Komercializacija, partnerystės ir ekosistema
Siekiant pagreitinti perkėlimą už akademinių laboratorijų ribų, tyrėjai išsiskyrė į kompaniją Kampto Neurotech, kurią veda projekto inžinierė Nanyu Zeng. Startuolis planuoja gaminti priešklinines lusto versijas ir užtikrinti partnerystes bei reguliacinę paramą žmogaus naudojimui. Projektas gimė DARPA programos Neural Engineering Systems Design inkubacijoje, kuri specialiai finansuoja ambicingus neuromokslų, mikroelektronikos ir klinikinės perkėlimo integracijos projektus.
Kadangi BISC gaminamas naudojant cechų procesus, įprastus puslaidininkių pramonėje, mastelio didinimo kelias yra aiškesnis nei specialiai pritaikytų implantų atveju. Masinė gamyba gali mažinti vieneto kainą ir leisti platesnį prieinamumą tyrimams, pagreitinant dekodavimo algoritmų tobulinimą ir neuroprotezės pritaikymą klinikinėms reikmėms.
Etika, saugumas ir realūs iššūkiai
Nors techninės charakteristikos įspūdingos, BISC turi įveikti mokslinius, klinikinius ir etinius iššūkius. Ilgalaikis biokompatibilumas išlieka esminis neatitikimas: kaip subduralinė sąsaja elgsis per metus ar dešimtmečius? Ar signalo tikslumas išliks, kai audinių atsakas keisis? Reikalingi klinikiniai tyrimai ir ilgalaikės gyvūnų studijos, kad būtų atsakyta į šiuos klausimus ir nustatytas implanto gyvavimo ciklas bei priežiūros protokolai.
Be biologijos klausimų, visuomenės susirūpinimas privatumui, sutikimui ir galimai kognityvinei augmentacijai turi būti atidžiai apsvarstytas. Didelės pralaidumo jungtys tarp smegenų ir dirbtinio intelekto gali suteikti milžinišką terapinę naudą, tačiau kartu kelia klausimų, kas kontroliuoja neurinius duomenis ir kaip jie gali būti naudojami. Aiškūs reguliaciniai keliai, stipri šifravimo praktika, skaidrus pacientų sutikimas ir viešasis dialogas bus būtini, kai šios technologijos judės nuo laboratorinių prototipų link klinikinės realybės.
Ką BISC gali reikšti neuromokslams ir DI
BISC perorientuoja smegenis kaip tankų, prieinamą jutiklių tinklą — tinklą, kurį galima mėginti tokiu raiškos lygiu, kuris anksčiau buvo prieinamas tik didelėms, invazinėms matricoms. Neuromokslams tai reiškia detalesnius populiacijos aktyvumo žemėlapius per žievę, leidžiančius gerinti suvokimo, sprendimų priėmimo ir motorinės kontrolės modelius. Dirbtiniam intelektui tai suteikia turtingesnius mokymo duomenis ir naujas galimybes kurti dekoderius, kurie verčia neurinių modelių pasikartojimus į veiksmus ar perceptus.
Įsivaizduokite ateities operacinę, kurioje chirurgas įdeda ploną kaip plaukas lustą, kuris iš karto pradeda transliuoti tūkstančius kortikalinės veiklos kanalų į dekodavimo sistemą, gebančią versti ketinimą į judesį ar kalbą. Nors toks scenarijus vis dar yra aspiracinis, BISC mažina atotrūkį tarp dabartinių klinikinių BCI ir šios ateities vizijos, suteikdamas praktiškus žingsnius tiek aparatūros, tiek programinės įrangos srityse.
Eksperto įžvalga
„BISC naujovė nėra tik tame, kad jis yra plonas — svarbu, jog tiek daug galimybių integruota į vieną, gamintiną silicio gabalą,“ sako dr. Maya Hollis, fiktyvi neuroinžinierė ir mokslo komunikatorė, turinti patirties medicininių prietaisų startuoliuose. „Daug kanalų ir belaidis pralaidumas yra žaidimo keitikliai, nes jie leidžia tyrėjams ir klinikams dirbti su turtingesnėmis neurinėmis reprezentacijomis. Tačiau tikrasis išbandymas bus tarnavimo laikas ir saugumas chroniniam žmogaus naudojimui. Čia svarbiausi kruopštūs tyrimai ir skaidrus ataskaitų teikimas.“
Dr. Hollis požiūris pabrėžia pusiausvyrą tarp inžinerinių ambicijų ir klinikinės atsargumo: techninių ribų stūmimas turi būti lydimas griežto pacientų saugumo ir realios naudos vertinimo.
Žvilgsnis į priekį
BISC žymi drąsią kryptį smegenų ir kompiuterių sąsajoms: vietoj to, kad įrenginiai būtų masteliuojami didinant išorinius modulius ar stambių implantų skaičių, funkcionalumas suspaudžiamas į itin ploną, masiškai gaminamą lustą, kartu susiejant tą aparatūrą su didelės pralaidumo belaidžiais ryšiais ir pažangia programine įranga. Potencialūs klinikiniai padariniai — nuo epilepsijos valdymo iki motorinės funkcijos atkūrimo, komunikacijos įrankių ir sensorinių protezių — yra reikšmingi.
Visgi kelias nuo perspektyvių priešklininių rezultatų ir trumpalaikių intraoperacinių įrašų iki chroninių, patvirtintų žmogaus implantų reikalauja laiko, duomenų ir priežiūros. Jei BISC ankstyvas potencialas pasitvirtins išplėstiniuose žmogaus tyrimuose, galime stebėti lūžio tašką: naują smegenų sąsajų klasę, kuri leis sklandžius, praktiškus ryšius tarp žmogaus smegenų ir DI sistemų laikyti tiek įmanomais, tiek saugiais.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą