Ученые представили мозговой микрочип, который передает мысли в режиме реального времени
Разработка нового мозгового имплантата способна радикально изменить способы взаимодействия человека с компьютерами, а также расширить подходы к лечению таких состояний, как эпилепсия, травмы спинного мозга, боковой амиотрофический склероз, инсульт и потеря зрения. Благодаря созданию минимально инвазивного и при этом высокоэффективного канала обмена данными с мозгом технология потенциально может использоваться для подавления приступов и восстановления двигательных, речевых и зрительных функций.
Ключевое преимущество этой системы – сочетание крайне малых размеров и возможности передавать информацию с очень высокой скоростью. Устройство было создано в рамках сотрудничества Колумбийского университета, Нью-Йоркской пресвитерианской больницы, Стэнфордского и Пенсильванского университетов. Оно представляет собой интерфейс "мозг-компьютер" (BCI), реализованный на одном кремниевом чипе, который обеспечивает беспроводную высокоскоростную связь между мозгом и внешними вычислительными системами. Разработка получила название Biological Interface System for the Cortex (BISC).
В исследовании, опубликованном в журнале Nature Electronics, подробно описана архитектура BISC, включающая сам имплантат на базе чипа, носимую ретрансляционную станцию и программное обеспечение, обеспечивающее работу всей платформы.
Интерфейсы мозг-компьютер работают за счет считывания и передачи электрических сигналов, с помощью которых нейроны обмениваются информацией. В существующих медицинских BCI обычно используется набор отдельных микроэлектронных компонентов – усилителей, преобразователей, радиомодулей, – которые размещаются в сравнительно крупном имплантируемом корпусе. Такой корпус устанавливается либо в полости черепа, либо в другой части тела, например в области грудной клетки, и соединяется с мозгом с помощью проводов.
Система BISC реализует иной подход. Все элементы объединены в одну интегральную микросхему, изготовленную по CMOS-технологии и истонченную до 50 микрометров. По объему она более чем в тысячу раз меньше стандартных имплантатов. Гибкий чип объемом около 3 мм³ способен изгибаться и повторять форму поверхности мозга. Это устройство микроэлектрокортикографии (µECoG) содержит 65 536 электродов, 1024 канала записи и 16 384 канала стимуляции. Использование промышленных полупроводниковых технологий делает чип пригодным для массового производства.
Внутри микросхемы размещены радиоприемник, система беспроводного питания, цифровая управляющая логика, блок управления энергопотреблением, преобразователи данных и аналоговые схемы, необходимые для регистрации и стимуляции нейронной активности. Внешняя ретрансляционная станция передает питание и данные по специально разработанному сверхширокополосному радиоканалу со скоростью до 100 Мбит/с – как минимум в 100 раз быстрее, чем у существующих беспроводных BCI. По принципу работы эта станция напоминает Wi-Fi-устройство стандарта 802.11 и обеспечивает прямое подключение имплантата к любому компьютеру.
Кроме того, BISC оснащена собственным набором инструкций и развитой программной средой, что фактически превращает ее в специализированную вычислительную платформу для интерфейсов мозг-компьютер. Продемонстрированная в исследовании высокоскоростная запись сигналов позволяет применять современные методы машинного и глубокого обучения для анализа активности мозга, интерпретации сложных намерений, субъективных ощущений и различных состояний сознания.
