Un nuevo implante cerebral podría remodelar significativamente la forma en que las personas interactúan con las computadoras y al mismo tiempo ofrecer nuevas posibilidades de tratamiento para afecciones como la epilepsia, las lesiones de la médula espinal, la ELA, los accidentes cerebrovasculares y la ceguera. Al crear una vía de comunicación mínimamente invasiva y de alto rendimiento hacia el cerebro, tiene el potencial de apoyar el control de las convulsiones y ayudar a restaurar las capacidades motoras, del habla y visuales.
La promesa de esta tecnología proviene de su tamaño extremadamente pequeño junto con su capacidad para transmitir datos a velocidades muy altas. Desarrollado a través de una colaboración entre la Universidad de Columbia, el Hospital Presbiteriano de Nueva York, la Universidad de Stanford y la Universidad de Pensilvania, el dispositivo es una interfaz cerebro-computadora (BCI) construida alrededor de un chip de silicio. Este chip crea un enlace inalámbrico de gran ancho de banda entre el cerebro y una computadora externa. El sistema se conoce como Sistema de Interfaz Biológica con Cortex (BISC).
Un estudio publicado el 8 de diciembre Electrónica de la naturaleza describe la arquitectura del BISC, que incluye un implante basado en chip, una “estación de retransmisión” portátil y el software necesario para ejecutar la plataforma. “La mayoría de los sistemas implantables se construyen alrededor de un recipiente de componentes electrónicos que ocupa mucho espacio dentro del cuerpo”, dijo Ken Shepard, profesor de ingeniería eléctrica, profesor de ingeniería biomédica y profesor de ciencias neurológicas de la Universidad de Columbia en la familia Lau, quien es el autor principal del motor y trabajó en él. “Nuestro implante es un chip de circuito integrado único tan delgado que puede deslizarse en el espacio entre el cerebro y el cráneo, descansando sobre el cerebro como un trozo de papel de seda mojado”.
Conversión de Cortex a una interfaz de gran ancho de banda
Shepard trabajó en estrecha colaboración con el Sr. y coautor correspondiente Andreas S. Tollius, PhD, profesor del Byers Eye Institute de la Universidad de Stanford y director cofundador del Proyecto Enigma. La amplia experiencia de Tollius en el entrenamiento de sistemas de IA en registros neuronales a gran escala, incluidos los recopilados con BISC, ayudó al equipo a analizar qué tan bien el implante podía decodificar la actividad cerebral. “BISC convierte la superficie cortical en un portal eficiente, proporcionando comunicación de lectura y escritura mínimamente invasiva y de gran ancho de banda con IA y dispositivos externos”, dijo Tollius. “Su escalabilidad de un solo chip allana el camino para que las neuroprótesis adaptativas y las interfaces cerebro-IA puedan tratar muchos trastornos neuropsiquiátricos como la epilepsia”.
El Dr. Brett Youngerman, profesor asistente de cirugía neurológica en la Universidad de Columbia y neurocirujano del Centro Médico Irving NewYork-Presbyterian/Columbia University, fue el colaborador clínico principal del proyecto. “Este dispositivo de alta resolución y alto rendimiento de datos tiene el potencial de revolucionar el tratamiento de afecciones neurológicas, desde la epilepsia hasta la parálisis”, afirma. Youngerman, Shepard y los Drs. neurólogos especializados en epilepsia de New York-Presbyterian/Columbia. Catherine Chevon recibió recientemente una subvención de los Institutos Nacionales de Salud para utilizar BISC para tratar la epilepsia resistente a los medicamentos. “La clave para que los dispositivos de interfaz cerebro-computadora sean efectivos es maximizar el flujo de información hacia y desde el cerebro, haciendo que el dispositivo sea lo menos invasivo posible en su implantación quirúrgica. BISC supera a las tecnologías anteriores en ambas áreas”, añadió Youngerman.
“La tecnología de semiconductores ha hecho esto posible, permitiendo que la potencia informática de las computadoras del tamaño de una habitación ahora quepa en su bolsillo”, dijo Shepard. “Ahora estamos haciendo lo mismo con los implantables médicos, permitiendo que existan componentes electrónicos complejos en el cuerpo sin ocupar casi espacio”.
Ingeniería BCI de próxima generación
Los BCI funcionan conectándose a señales eléctricas utilizadas por las neuronas para comunicarse. Los BCI de grado médico actuales suelen depender de múltiples componentes microelectrónicos separados, como amplificadores, convertidores de datos y transmisores de radio. Estas partes deben almacenarse en un recipiente implantado relativamente grande, ya sea extrayendo parte del cráneo o en otra parte del cuerpo como el pecho, con cables que se extienden hasta el cerebro.
BISC está estructurado de manera diferente. Todo el sistema reside en un único circuito integrado complementario de semiconductor de óxido metálico (CMOS) que se ha adelgazado a 50 μm y ocupa menos de 1/1000 del volumen de un implante estándar. con un tamaño total de unos 3 mm3El chip flexible puede curvarse para adaptarse a la superficie del cerebro. Este dispositivo de microelectrocorticografía (μECoG) cuenta con 65.536 electrodos, 1.024 canales de registro y 16.384 canales de estimulación. Debido a que el chip se produce utilizando métodos de fabricación de la industria de semiconductores, es adecuado para la producción a gran escala.
El chip integra un transceptor de radio, un circuito de alimentación inalámbrico, electrónica de control digital, gestión de energía, conversores de datos y componentes analógicos necesarios tanto para la grabación como para la estimulación. La estación de retransmisión externa proporciona comunicaciones de energía y datos a través de un enlace de radio de banda ultraancha personalizado que alcanza hasta 100 Mbps, un rendimiento al menos 100 veces mayor que cualquier otro BCI inalámbrico disponible actualmente. Al funcionar como un dispositivo WiFi 802.11, la estación de retransmisión conecta eficazmente cualquier computadora al implante.
BISC incorpora su propio conjunto de instrucciones con un entorno de software integral, formando un sistema informático especializado para la interfaz cerebral. La grabación de gran ancho de banda demostrada en este estudio permite que las señales cerebrales sean procesadas mediante algoritmos avanzados de aprendizaje automático y aprendizaje profundo, que pueden interpretar intenciones complejas, experiencias perceptivas y estados cerebrales.
“Al combinar todo en una sola pieza de silicio, hemos demostrado cómo las interfaces cerebrales pueden ser más pequeñas, más seguras y dramáticamente más poderosas”, dijo Shepard.
Fabricación avanzada de semiconductores
El implante BISC se fabricó utilizando la tecnología bipolar CMOS-DMOS (BCD) de 0,13 μm de TSMC. Este método de fabricación combina tres tecnologías de semiconductores en un chip para crear circuitos integrados (CI) de señal mixta. Esto permite que la lógica digital (de CMOS), las funciones analógicas de alta corriente y alto voltaje (de transistores bipolares y DMOS) y los dispositivos de potencia (de DMOS) funcionen juntos de manera eficiente, todo lo cual es esencial para el rendimiento de BISC.
Pasar del laboratorio al uso clínico
Para traducir el sistema al uso médico en el mundo real, el grupo de Shepard se asoció con Youngerman en el Centro Médico Irving NewYork-Presbyterian/Columbia University. Desarrollaron procedimientos quirúrgicos para colocar de forma segura implantes delgados en un modelo preclínico y confirmaron que el dispositivo producía registros estables y de alta calidad. Ya se están realizando estudios intraoperatorios a corto plazo en pacientes humanos.
“Estos estudios preliminares nos brindan información invaluable sobre cómo funciona el dispositivo en un entorno quirúrgico real”, afirmó Youngerman. “Los implantes se pueden insertar a través de una incisión mínimamente invasiva en el cráneo y deslizarse directamente sobre la superficie del cerebro en el espacio subdural. El factor de forma tan delgado como el papel y la falta de electrodos o cables que penetren el cerebro que conecten el implante al cráneo minimizan la reactividad y la señalización del tejido”.
Se realizó un extenso trabajo preclínico sobre las cortezas motora y visual con el Dr. Tollius y Bijan Pesaran, profesor de neurocirugía de la Universidad de Pensilvania, ambos líderes reconocidos en neurociencia computacional y de sistemas.
“La miniaturización extrema realizada por BISC es extremadamente emocionante como plataforma para una nueva generación de tecnologías implantables que interactúan con el cerebro junto con otras modalidades como la luz y el sonido”, dijo Pesaran.
BISC se desarrolló a través del Programa de Diseño de Sistemas de Ingeniería Neural de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) y se basa en la profunda experiencia de Columbia en microelectrónica, los programas avanzados de neurociencia en Stanford y Penn, y las capacidades quirúrgicas del NewYork-Presbyterian/Columbia Medical Center I.
Desarrollo comercial y futura integración de la IA
Para acercar la tecnología al uso práctico, investigadores de Columbia y Stanford desarrollaron Campto NeuroTech, dijo un alumno de ingeniería eléctrica de Columbia. Una startup fundada por Nanyu Zeng, uno de los ingenieros principales del proyecto. La empresa está desarrollando una versión del chip lista para la investigación y está trabajando para conseguir financiación para preparar el sistema para su uso en pacientes humanos.
“Esta es una forma fundamentalmente diferente de fabricar dispositivos BCI”, afirmó Zeng. “Por lo tanto, BISC tiene capacidades tecnológicas que son muchos órdenes de magnitud mayores que las de los dispositivos de la competencia”.
A medida que la inteligencia artificial continúa avanzando, las BCI están ganando impulso tanto para restaurar capacidades perdidas en personas con trastornos neurológicos como para posibles aplicaciones futuras que mejoren el funcionamiento normal a través de la comunicación directa entre el cerebro y la computadora.
“Al combinar la grabación neuronal de ultra alta resolución con una operación totalmente inalámbrica y algoritmos avanzados de decodificación y estimulación, avanzamos hacia un futuro en el que los cerebros y los sistemas de inteligencia artificial puedan comunicarse sin problemas, no sólo para la investigación, sino para el beneficio de los humanos”, afirmó Shepard. “Podría cambiar la forma en que tratamos los trastornos cerebrales, cómo interactuamos con las máquinas y, en última instancia, cómo los humanos interactúan con la IA”.
