Um novo implante cerebral pode transformar significativamente a forma como as pessoas interagem com os computadores, ao mesmo tempo em que oferece novas possibilidades de tratamento para condições como epilepsia, lesão na medula espinhal, ELA, AVC e cegueira. Ao criar um caminho de comunicação de alto rendimento e minimamente invasivo para o cérebro, ele tem o potencial de auxiliar no controle de convulsões e ajudar a restaurar habilidades motoras, de fala e visuais.
A promessa dessa tecnologia vem de seu tamanho extremamente pequeno aliado à capacidade de transmitir dados em velocidades muito altas. Desenvolvido por meio de uma colaboração entre a Universidade de Columbia, o Hospital NewYork-Presbyterian, a Universidade de Stanford e a Universidade da Pensilvânia, o dispositivo é uma interface cérebro-computador (BCI) construída ao redor de um único chip de silício. Esse chip forma uma conexão sem fio de alta largura de banda entre o cérebro e computadores externos. O sistema é conhecido como Biological Interface System to Cortex (BISC).
Um estudo publicado em 8 de dezembro na Nature Electronics descreve a arquitetura do BISC, que inclui o implante baseado em chip, uma “estação de retransmissão” vestível e o software necessário para executar a plataforma. “A maioria dos sistemas implantáveis é construída em torno de um canister de eletrônicos que ocupa volumes enormes de espaço dentro do corpo”, diz Ken Shepard, professor Lau Family de Engenharia Elétrica, professor de Engenharia Biomédica e professor de Ciências Neurológicas na Universidade de Columbia, que atuou como um dos autores seniores e liderou o trabalho de engenharia. “Nosso implante é um único circuito integrado que é tão fino que pode deslizar para o espaço entre o cérebro e o crânio, descansando sobre o cérebro como um pedaço de papel toalha úmido.”
Transformando o Cortex em uma Interface de Alta Largura de Banda
Shepard trabalhou em estreita colaboração com o co-autor sênior Andreas S. Tolias, PhD, professor no Byers Eye Institute da Universidade de Stanford e co-fundador do projeto Enigma. A ampla experiência de Tolias em treinar sistemas de IA com grandes gravações neurais, incluindo aquelas coletadas com o BISC, ajudou a equipe a analisar quão bem o implante poderia decodificar a atividade cerebral. “O BISC transforma a superfície cortical em um portal eficaz, proporcionando comunicação de leitura-gravação de alta largura de banda e minimamente invasiva com IA e dispositivos externos”, diz Tolias. “Sua escalabilidade em um único chip abre caminho para neuropróteses adaptativas e interfaces cérebro-IA para tratar muitos distúrbios neuropsiquiátricos, como a epilepsia.”
Dr. Brett Youngerman, professor assistente de cirurgia neurológica na Universidade de Columbia e neurocirurgião no NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center, atuou como principal colaborador clínico do projeto. “Este dispositivo de alta resolução e alta taxa de transferência de dados tem o potencial de revolucionar o gerenciamento de condições neurológicas, desde epilepsia até paralisia”, afirma. Youngerman, Shepard e a neurologista de epilepsia do NewYork-Presbyterian/Columbia, Dr. Catherine Schevon, recentemente garantiram uma concessão dos Institutos Nacionais de Saúde para usar o BISC no tratamento da epilepsia resistente a medicamentos. “A chave para dispositivos eficazes de interface cérebro-computador é maximizar o fluxo de informações para e do cérebro, ao mesmo tempo em que torna o dispositivo o mais minimamente invasivo possível em sua implantação cirúrgica. O BISC supera a tecnologia anterior em ambos os aspectos”, acrescenta Youngerman.
“A tecnologia de semicondutores tornou isso possível, permitindo que o poder computacional de computadores do tamanho de um cômodo agora caiba no seu bolso”, diz Shepard. “Estamos fazendo o mesmo para implantes médicos, permitindo que eletrônicos complexos existam no corpo ocupando quase nenhum espaço.”
Engenharia de BCI de Próxima Geração
BCIs funcionam conectando-se aos sinais elétricos usados pelos neurônios para se comunicar. Os BCIs médicos atuais geralmente dependem de múltiplos componentes microeletrônicos separados, como amplificadores, conversores de dados e transmissores de rádio. Essas peças devem ser armazenadas em um canister implantado relativamente grande, colocado seja removendo parte do crânio ou em outra parte do corpo, como o peito, com fios se estendendo até o cérebro.
O BISC é construído de forma diferente. Todo o sistema reside em um único circuito integrado de metal-óxido complementar (CMOS) que foi afinado para 50 μm e ocupa menos de 1/1000 do volume de um implante padrão. Com um tamanho total de cerca de 3 mm3, o chip flexível pode se curvar para se adaptar à superfície do cérebro. Este dispositivo de micro-eletrocorticografia (µECoG) contém 65.536 eletrodos, 1.024 canais de gravação e 16.384 canais de estimulação. Como o chip é produzido utilizando métodos de fabricação da indústria de semicondutores, ele é adequado para produção em larga escala.
O chip integra um transceptor de rádio, um circuito de potência sem fio, eletrônicos de controle digital, gerenciamento de potência, conversores de dados e os componentes analógicos necessários tanto para gravação quanto para estimulação. A estação de retransmissão externa fornece energia e comunicação de dados por meio de um link de rádio ultralargo personalizado que atinge 100 Mbps, uma taxa de transferência pelo menos 100 vezes maior do que qualquer outro BCI sem fio atualmente disponível. Operando como um dispositivo Wi-Fi 802.11, a estação de retransmissão efetivamente conecta qualquer computador ao implante.
O BISC incorpora seu próprio conjunto de instruções, juntamente com um ambiente de software abrangente, formando um sistema computacional especializado para interfaces cerebrais. A gravação de alta largura de banda demonstrada neste estudo permite que os sinais cerebrais sejam processados por algoritmos avançados de aprendizado de máquina e aprendizado profundo, que podem interpretar intenções complexas, experiências perceptuais e estados cerebrais.
“Ao integrar tudo em um único pedaço de silício, mostramos como as interfaces cerebrais podem se tornar menores, mais seguras e drasticamente mais poderosas”, diz Shepard.
Fabricação Avançada de Semicondutores
O implante BISC foi fabricado usando a tecnologia BCD (Bipolar-CMOS-DMOS) de 0,13 μm da TSMC. Esse método de fabricação combina três tecnologias de semicondutores em um único chip para produzir circuitos integrados mistos (ICs). Permite que a lógica digital (do CMOS), funções analógicas de alta corrente e alta tensão (dos transistores bipolares e DMOS), e dispositivos de potência (do DMOS) trabalhem juntos de forma eficiente, todas essenciais para o desempenho do BISC.
Movendo-se do Laboratório para o Uso Clínico
Para transitar o sistema para uso médico real, o grupo de Shepard se uniu a Youngerman no NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center. Eles desenvolveram procedimentos cirúrgicos para colocar o implante fino com segurança em um modelo pré-clínico e confirmaram que o dispositivo produzia gravações de alta qualidade e estabilidade. Estudos intraoperatórios de curto prazo em pacientes humanos já estão em andamento.
“Esses estudos iniciais nos fornecem dados valiosos sobre como o dispositivo se comporta em um ambiente cirúrgico real”, diz Youngerman. “Os implantes podem ser inseridos através de uma incisão minimamente invasiva no crânio e deslizarem diretamente sobre a superfície do cérebro no espaço subdural. A forma ultrafina e a ausência de eletrodos ou fios que penetram no cérebro que ligam o implante ao crânio minimizam a reatividade tecidual e a degradação do sinal ao longo do tempo.”
Extensos trabalhos pré-clínicos nos córtices motor e visual foram realizados com Dr. Tolias e Bijan Pesaran, professor de neurocirurgia na Universidade da Pensilvânia, ambos reconhecidos como líderes em neurociência computacional e de sistemas.
“A extrema miniaturização do BISC é muito empolgante como uma plataforma para novas gerações de tecnologias implantáveis que também se conectam ao cérebro com outras modalidades como luz e som”, afirma Pesaran.
O BISC foi desenvolvido por meio do programa de Design de Sistemas de Engenharia Neural da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA) e se baseia na profunda experiência de Columbia em microeletrônica, nos avançados programas de neurociência de Stanford e Penn, e nas capacidades cirúrgicas do NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center.
Desenvolvimento Comercial e Integração Futura com IA
Para aproximar a tecnologia de um uso prático, pesquisadores de Columbia e Stanford criaram a Kampto Neurotech, uma startup fundada pelo ex-aluno de engenharia elétrica da Columbia, Dr. Nanyu Zeng, um dos engenheiros líderes do projeto. A empresa está produzindo versões prontas para pesquisa do chip e trabalhando para garantir financiamento para preparar o sistema para uso em pacientes humanos.
“Esta é uma maneira fundamentalmente diferente de construir dispositivos BCI”, diz Zeng. “Dessa forma, o BISC tem capacidades tecnológicas que superam as de dispositivos concorrentes por muitos ordens de magnitude.”
À medida que a inteligência artificial continua a avançar, os BCIs estão ganhando impulso tanto para restaurar habilidades perdidas em pessoas com distúrbios neurológicos quanto para potenciais aplicações futuras que melhorem a função normal por meio da comunicação direta cérebro-computador.
“Ao combinar gravação neural ultra-alta resolução com operação totalmente sem fio e emparelhar isso com algoritmos avançados de decodificação e estimulação, estamos caminhando para um futuro onde os sistemas cerebrais e de IA podem interagir de forma contínua — não apenas para pesquisa, mas para benefício humano”, diz Shepard. “Isso pode mudar a maneira como tratamos distúrbios cerebrais, como nos conectamos às máquinas e, em última análise, como os humanos interagem com a IA.”