Επαναστατικής αρχιτεκτονικής και τεχνολογίας ο μικροσκοπικός μηχανισμός υπόσχεται αποτελεσματική σύνδεση ανθρώπων με υπολογιστές
Ένα νέο εμφύτευμα εγκεφάλου που ονομάζεται BISC επαναπροσδιορίζει το τι είναι δυνατό στην αλληλεπίδραση ανθρώπου – υπολογιστή προσφέροντας έναν υπερλεπτό, ασύρματο, υψηλής χωρητικότητας σύνδεσμο απευθείας με τον εγκέφαλο υποσχόμενο σύνδεση του εγκεφάλου με τεχνολογίες τεχνητής νοημοσύνης.
Με περισσότερα από 65,000 ηλεκτρόδια και πρωτοφανή ρυθμό μεταφοράς δεδομένων, επιτρέπει σε προηγμένη τεχνητή νοημοσύνη να αποκωδικοποιεί σκέψεις, προθέσεις και αισθητηριακές εμπειρίες, παραμένοντας παράλληλα ελάχιστα επεμβατικό.
Το BRISC μπορεί να μεταμορφώσει την αλληλεπίδραση ανθρώπου – υπολογιστή και να διευρύνει τις θεραπευτικές δυνατότητες για νευρολογικές παθήσεις όπως η επιληψία, οι ζημιές του νωτιαίου μυελού, η αμυοτροφική πλευρική σκλήρυνση (ALS), το εγκεφαλικό επεισόδιο και η τύφλωση, βοηθώντας στη διαχείριση κρίσεων και στην αποκατάσταση κινητικών, λεκτικών και οπτικών λειτουργιών.
Το επιτυγχάνει δημιουργώντας ένα ελάχιστα επεμβατικό κανάλι επικοινωνίας υψηλής χωρητικότητας απευθείας προς και από τον εγκέφαλο.
Αυτό που κάνει το σύστημα τόσο υποσχόμενο είναι ο πολύ μικρός όγκος του συνδυασμένος με τη δυνατότητα μεταφοράς μεγάλων ποσοτήτων δεδομένων πολύ γρήγορα. Αναπτύχθηκε από ομάδες στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια, στο Νοσοκομείο NewYork-Presbyterian, στο Πανεπιστήμιο Στάνφορντ και στο Πανεπιστήμιο της Πενσιλβάνια. Το σύστημα βασίζεται σε ένα μόνο ολοκληρωμένο κύκλωμα πυριτίου που παρέχει έναν ασύρματο, υψηλής χωρητικότητας σύνδεσμο ανάμεσα στον εγκέφαλο και εξωτερικούς υπολογιστές. Η πλατφόρμα ονομάζεται Biological Interface System to Cortex (BISC).
Το σύστημα
Οι ερευνητές περιγράφουν σε δημοσίευση τους στην επιθεώρηση «Nature Electronics» το BISC ως ένα μηχανισμό αποτελούμενο από τρία κύρια μέρη: ένα εμφύτευμα ενός μόνο τσιπ, έναν φορητό «σταθμό αναμετάδοσης» και εξειδικευμένο λογισμικό που λειτουργεί το σύστημα. «Τα περισσότερα εμφυτεύσιμα συστήματα βασίζονται σε μια θήκη ηλεκτρονικών που καταλαμβάνει τεράστιο χώρο μέσα στο σώμα», λέει ο Κεν Σέπαρντ καθηγητής ηλεκτρολογικής μηχανικής και βιοϊατρικής μηχανικής στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια, ανώτερος συγγραφέας της εργασίας και επικεφαλής των μηχανολογικών εργασιών. «Το εμφύτευμά μας είναι ένα μόνο ολοκληρωμένο κύκλωμα τόσο λεπτό που μπορεί να γλιστρήσει στον χώρο μεταξύ εγκεφάλου και κρανίου, ακουμπώντας στον εγκέφαλο σαν ένα κομμάτι βρεγμένου χαρτιού».
Ο Σέπαρντ συνεργάστηκε με τον Άντρεας Τόλις PhD καθηγητή Οφθαλμολογίας και συνιδρυτή του Enigma Project στο Στάνφορντ. Η πρωτοποριακή δουλειά του Τόλιας στην εκπαίδευση μοντέλων τεχνητή νοημοσύνης σε μεγάλης κλίμακας νευρωνικά δεδομένα, συμπεριλαμβανομένων αυτών που καταγράφηκαν στο εργαστήριό του μέσω του BISC, επέτρεψε στην ομάδα να δοκιμάσει αυστηρά την ικανότητα της συσκευής να αποκωδικοποιεί νευρωνική δραστηριότητα.
«Το BISC μετατρέπει την επιφάνεια του φλοιού σε μια αποτελεσματική πύλη προσφέροντας υψηλής χωρητικότητα ελάχιστα επεμβατική επικοινωνία αμφίδρομης ροής με AI και εξωτερικές συσκευές. Η δυνατότητα κλιμάκωσης ενός μόνο τσιπ ανοίγει τον δρόμο για προσαρμοστικές νευροπροσθετικές συσκευές και διεπαφές εγκεφάλου – AI για τη θεραπεία νευροψυχιατρικών διαταραχών, όπως η επιληψία» λέει ο Τόλιας.
Ο Δρ. Μπρετ Γιούνγκερμαν επίκουρος καθηγητής νευροχειρουργικής στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια και νευροχειρουργός στο NewYork-Presbyterian/Columbia, ήταν ο κύριος κλινικός συνεργάτης στο έργο. «Αυτή η υψηλής ανάλυσης, υψηλής χωρητικότητας συσκευή μπορεί να φέρει επανάσταση στη διαχείριση νευρολογικών παθήσεων, από την επιληψία έως την παράλυση».
Ο Γούνγκερμαν, ο Σέπαρντ και η νευρολόγος Δρ. Κάθριν Σίβον έλαβαν πρόσφατα επιχορήγηση από τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας των ΗΠΑ για την εφαρμογή του BISC στη διαχείριση φαρμακοανθεκτικής επιληψίας. «Το κλειδί για αποτελεσματικές διεπαφές εγκεφάλου – υπολογιστή είναι η μεγιστοποίηση της ροής πληροφοριών προς και από τον εγκέφαλο, ενώ το εμφύτευμα παραμένει όσο το δυνατόν λιγότερο επεμβατικό. Το BISC υπερβαίνει την προηγούμενη τεχνολογία και στα δύο» λένε οι ερευνητές.
Τα μεγέθη και η νέα αρχιτεκτονική
Οι διεπαφές εγκεφάλου – υπολογιστή λειτουργούν συνδεόμενες με τα μικροσκοπικά ηλεκτρικά σήματα που χρησιμοποιούν οι νευρώνες για να επικοινωνούν. Στα σημερινά συστήματα, αυτό απαιτεί πολλά διαφορετικά μικροηλεκτρονικά μέρη, όπως ενισχυτές, μετατροπείς δεδομένων, πομποδέκτες ραδιοσυχνοτήτων και κυκλώματα διαχείρισης ισχύος. Επειδή όλος αυτός ο εξοπλισμός πρέπει να χωρέσει κάπου, οι γιατροί συχνά εμφυτεύουν έναν σχετικά μεγάλο θάλαμο ηλεκτρονικών, είτε αφαιρώντας μέρος του κρανίου είτε τοποθετώντας τον στο στήθος με καλώδια που οδηγούν στον εγκέφαλο.
Το BISC ακολουθεί διαφορετική προσέγγιση. Ολόκληρο το εμφύτευμα είναι ένα μόνο ολοκληρωμένο κύκλωμα CMOS που καταλαμβάνει λιγότερο από το ένα χιλιοστό του όγκου ενός τυπικού συστήματος. Με συνολικό όγκο περίπου 3 mm³, αυτό το εύκαμπτο τσιπ λυγίζει ώστε να ταιριάζει με την επιφάνεια του εγκεφάλου.
Η συσκευή μικρο-ηλεκτροκορτικογραφίας (µECoG) περιλαμβάνει 65,536 ηλεκτρόδια, 1,024 κανάλια ταυτόχρονης καταγραφής και 16,384 κανάλια διέγερσης. Επειδή κατασκευάζεται με τις ίδιες διαδικασίες μεγάλης κλίμακας της βιομηχανίας ημιαγωγών, το εμφύτευμα μπορεί να παραχθεί σε μεγάλους αριθμούς.
Στο ίδιο τσιπ βρίσκονται όλα τα ηλεκτρονικά: πομποδέκτης ραδιοσυχνοτήτων, κύκλωμα ασύρματης τροφοδοσίας, ψηφιακός έλεγχος, διαχείριση ενέργειας, μετατροπείς δεδομένων και τα αναλογικά στοιχεία για καταγραφή και διέγερση. Ένας εξωτερικός σταθμός αναμετάδοσης, τροφοδοτούμενος από μπαταρία, παρέχει ενέργεια στο εμφύτευμα και ανταλλάσσει δεδομένα μαζί του μέσω ειδικού υπερ-ευρυζωνικού ραδιοσυνδέσμου με εύρος 100 Mbps τουλάχιστον εκατό φορές μεγαλύτερο από οποιοδήποτε άλλο διαθέσιμο ασύρματο BCI. Ο σταθμός αναμετάδοσης εμφανίζεται προς τον έξω κόσμο ως συσκευή WiFi 802.11.
Το BISC εισάγει επίσης το δικό του σύνολο εντολών και μια εκτεταμένη στοίβα λογισμικού, σχηματίζοντας μια ειδική υπολογιστική αρχιτεκτονική για διεπαφές εγκεφάλου. Στα αναφερόμενα πειράματα, η υψηλή χωρητικότητα του συστήματος καθιστά δυνατό να αποστέλλονται πλούσια μοτίβα εγκεφαλικής δραστηριότητας σε προηγμένα εργαλεία μηχανικής μάθησης και βαθιάς μάθησης που μπορούν να αποκωδικοποιήσουν σύνθετες προθέσεις, αντιλήψεις και εσωτερικές καταστάσεις.
«Με την ενσωμάτωση όλων σε ένα μόνο κομμάτι πυριτίου, δείξαμε πώς οι διεπαφές εγκεφάλου μπορούν να γίνουν μικρότερες, ασφαλέστερες και πολύ πιο ισχυρές», λέει ο Shepard.
Η χρήση του
Για τη μετάβαση προς κλινική χρήση, η ομάδα του Σέπαρντ συνεργάστηκε στενά με τον Γούνγκερμαν και συναδέλφους στο NewYork-Presbyterian/Columbia. Ανέπτυξαν τεχνικές για ασφαλή τοποθέτηση του υπερλεπτού τσιπ σε προκλινικό μοντέλο και επαλήθευσαν ότι μπορεί να καταγράφει νευρωνικά σήματα αξιόπιστα και σταθερά με την πάροδο του χρόνου. Πρώιμες μελέτες σε ανθρώπους βρίσκονται σε εξέλιξη, εστιάζοντας σε βραχυπρόθεσμες καταγραφές στη διάρκεια χειρουργικών επεμβάσεων.
«Αυτές οι αρχικές μελέτες μας δίνουν ανεκτίμητα δεδομένα για το πώς λειτουργεί η συσκευή σε πραγματικές χειρουργικές συνθήκες. Τα εμφυτεύματα μπορούν να εισαχθούν μέσω μιας ελάχιστα επεμβατικής τομής στο κρανίο και να γλιστρήσουν στην επιφάνεια του εγκεφάλου στον υποσκληρίδιο χώρο. Η χαρτοτυπική λεπτότητα και η απουσία διεισδυτικών ηλεκτροδίων ή καλωδίων που να δένουν τη συσκευή στο κρανίο μειώνουν την αντίδραση των ιστών και την υποβάθμιση του σήματος» λέει ο Γιούνγκερμαν.
Εκτεταμένες προκλινικές δοκιμές του BISC σε κινητικούς και οπτικούς φλοιούς πραγματοποιήθηκαν σε συνεργασία με τον Δρ. Τόλιας και τον Μπιτζάν Πεσαράν καθηγητή νευροχειρουργικής στο Πανεπιστήμιο της Πενσιλβάνια.
«Η ακραία μικρογραφία του BISC είναι πολύ συναρπαστική ως πλατφόρμα για νέες γενιές εμφυτεύσιμων τεχνολογιών που μπορούν να συνδεθούν με τον εγκέφαλο και μέσω άλλων μορφών, όπως το φως και ο ήχος» λέει ο Πεσαράν.
Η έρευνα
Το BISC αναπτύχθηκε στο πρόγραμμα Neural Engineering Systems Design της DARPA και συνδυάζει την τεχνογνωσία μικροηλεκτρονικής του Κολούμπια, τα πρωτοποριακά νευροεπιστημονικά προγράμματα του Στάνφορντ, του Πολιτειακού Πανεπιστημίου της Πενσιλβάνια και την χειρουργική καινοτομία του NewYork-Presbyterian/Columbia.
Για την επιτάχυνση της πορείας προς πρακτική χρήση, οι ερευνητές του Κολούμπια και του Στάνφορντ δημιούργησαν την Kampto Neurotech, μια εταιρεία spin-off με επικεφαλής τον Δρ. Νάνγιου Ζενγκ έναν από τους βασικούς μηχανικούς του έργου. Η εταιρεία αναπτύσσει εμπορικές εκδόσεις του τσιπ για προκλινική έρευνα και αναζητά υποστήριξη για τη μελλοντική χρήση του σε ανθρώπους.
«Πρόκειται για έναν θεμελιωδώς διαφορετικό τρόπο κατασκευής συσκευών BCI. Με αυτόν τον τρόπο, το BISC έχει τεχνολογικές δυνατότητες που υπερβαίνουν κατά πολλές τάξεις μεγέθους τις αντίστοιχες άλλων συστημάτων» λέει ο Ζενγκ
Καθώς η τεχνητή νοημοσύνη εξελίσσεται, οι τεχνολογίες BCI προσελκύουν αυξανόμενο ενδιαφέρον τόσο για την αποκατάσταση χαμένων λειτουργιών σε άτομα με νευρολογικές παθήσεις όσο και για την πιθανή ενίσχυση φυσιολογικών ικανοτήτων μέσω άμεσης σύνδεσης εγκεφάλου και μηχανών.
«Με τον συνδυασμό υπερυψηλής ανάλυσης νευρωνικών καταγραφών με πλήρως ασύρματη λειτουργία και με προηγμένους αλγορίθμους αποκωδικοποίησης και διέγερσης, προχωρούμε προς ένα μέλλον όπου ο εγκέφαλος και τα συστήματα τεχνητής νοημοσύνης μπορούν να αλληλεπιδρούν απρόσκοπτα — όχι μόνο για την έρευνα αλλά για την ωφέλεια του ανθρώπου. Αυτό θα μπορούσε να αλλάξει τον τρόπο που αντιμετωπίζουμε τις εγκεφαλικές διαταραχές, τον τρόπο που αλληλεπιδρούμε με τις μηχανές και, τελικά, τον τρόπο που οι άνθρωποι συνδέονται με την τεχνητή νοημοσύνη» λέει ο Σέπαρντ.
