Ultratynd implanteret hjernecomputergrænseflade slår rekorder

Størstedelen af ​​verden interagerer med deres smartphone, pc eller tablet ved hjælp af traditionelle skærm- og tastaturgrænseflader. Disse former for menneske-maskine-kommunikation kan dog blive forældede i de kommende år, da et team af ingeniører fra prestigefyldte institutioner med succes har skabt en miniature, implanterbar BCI, der har potentiale til at revolutionere adskillige markeder.

Deres opfindelse kombinerer en trådløs transceiver, et avanceret strømforsyningssystem, et digitalt styremodul, datakonvertere og adskillige yderligere komponenter for at muliggøre ægte direkte tovejskommunikation til hjernen. Denne udvikling markerer en vigtig milepæl for BCI'er, der en dag kan omforme, hvordan mennesker og maskiner interagerer. Her er hvad du behøver at vide.

Brain-Computer Interface (BCI)

Hjerne-computer-grænseflader har udviklet sig meget i løbet af de sidste 50 år. Disse enheder har modnet sig fra simple sensorer, der er i stand til at detektere alfabølger, til komplekse systemer, der kan opfange og afkode hjernens signaler i realtid.

Væksten inden for BCI-teknologi har åbnet døren for nogle spændende udviklinger, herunder gennembrud inden for det medicinske område. Specifikt har disse apparater vist sig nyttige til at hjælpe med behandling af mennesker med neurologiske lidelser som epilepsi eller lammelse. Derfor ser forskere nu denne teknologi som en vigtig sektor, der har potentiale til at hjælpe millioner.

Problemer med nutidens hjerne-computer-grænseflade (BCI)

Som man kunne forvente, kræver det betydelig teknologisk kompleksitet at opfange og dechifrere hjernebølger for at styre eksterne enheder. En af de vigtigste faktorer, der har begrænset denne teknologi, er dens komplicerede natur. Indtil for nylig var AI-systemer ikke i stand til at dechifrere disse bølger præcist, hvilket betyder, at opgaven blev udført af traditionelle computersystemer.

Besværlig hardware begrænser nuværende BCI'er

Selv da teknologien begyndte at opnå disse muligheder, forblev den stor, ubehagelig og upraktisk for brugeren. Dagens mest avancerede systemer kræver en stor implanteret beholder til at huse det meste af elektronikken. Denne lagring skal implanteres i kraniet eller i brystet, hvor sidstnævnte mulighed kræver yderligere kabler.

Hvorfor dagens BCI'er ikke skalerer

Adskillige produktionsbegrænsninger har gjort masseproduktion af disse enheder umulig. For det første har de store omkostninger og den præcision, der kræves for at fremstille disse enheder i stor skala, ikke været tilgængelige. Derudover blev moderne designs ikke skabt til at understøtte storskalaproduktion, hvilket betyder, at de bruger metoder og komponenter, der gør det urimeligt.

Hjerne-computer-grænsefladeundersøgelse: Inde i BISC-implantatet

I erkendelse af disse begrænsninger som den største hindring for at opnå BCI'ers sande potentiale, satte et team af ingeniører fra Columbia University, New York-Presbyterian Hospital, Stanford University og University of Pennsylvania sig for at rette op på disse problemer og indlede en ny tidsalder med menneske-maskine-styrbarhed.

Studiet¹, med titlen 'En trådløs subdural-indeholdt hjerne-computer-grænseflade med 65,536 elektroder og 1,024 kanaler', udgivet i Nature Electronics, gentænker hele tilgangen fra bunden. Deres kreation opnår uovertruffen ydeevne, der er lige så store forbedringer i forhold til tidligere versioner, alt sammen fra et lille trådløst ultratyndt neuralt implantat.

Biologisk grænsefladesystem til cortex (BISC)

Deres opfindelse, kaldet Biological Interface System to Cortex (BISC), har et forenklet single-chip metal-oxide-semiconductor (CMOS) integreret kredsløbsdesign. Dets bittesmå mål på kun 50 μm tykke og 3 mm³ gør det til 1/1000 af volumen af ​​det nuværende standardimplantat, eller omtrent tykkelsen af ​​et menneskehår.

Kilde - Science Daily

Dette tynde design gør det muligt at placere den direkte mellem hjernen og kraniet. Inden i denne lille enhed er der en masse avanceret teknologi, der er i stand til at levere intens computerkraft. Denne computerkraft er nødvendig for at opfange hjernebølger og sende dem til de avancerede AI-systemer, der styrer showet.

AI modeller

Ingeniørerne byggede på årtiers neurologisk og hjernebølgevidenskab for at skabe en effektiv AI-model, der er i stand til at registrere, sende og modtage hjernebølger. AI-systemet kan afkode specifikke opgaver, herunder bevægelse, intention og perception. Det udfører denne opgave ved hjælp af specialbygget software og sensorer designet til at interagere med AI-systemerne.

Elektroder

For at muliggøre ægte hjernekonnektivitet fungerer BISC som en mikroelektrokortikografi (µECoG) enhed. Dette system bruger 65,536 elektroder, 1,024 optagekanaler og 16,384 stimuleringskanaler til at skabe optagelser af hjernebølgerne med høj båndbredde i realtid.

Optagelserne sendes derefter til de avancerede AI-systemer. Disse systemer kombinerer både maskinlæring og deep learning-algoritmer, hvilket gør dem i stand til at fortolke det komplekse signal. Det er værd at bemærke, at dette arbejde bygger på tidligere beregningsmæssigt og systemisk neurovidenskabeligt arbejde udført af de medvirkende forfattere, Dr. Tolias og Bijan Pesaran.

Trådløs forbindelse

En relæstation, som patienten bærer, muliggør højkapacitetskommunikation med den implanterede enhed. Når den implanterede enhed kommunikerer direkte til hjernen, sender den derefter signalet til relæstationen. En bærbar relæstation kommunikerer med implantatet via en brugerdefineret ultrabredbåndsradioforbindelse (UWB), der når op på omkring 100 Mbps, og præsenterer sig derefter eksternt som en standard 802.11 Wi-Fi-enhed.

Hvordan hjerne-computer-grænsefladen blev bygget

BISC-implantatet blev fremstillet ved hjælp af lettilgængelige maskiner og værktøjer, hvilket sikrede storskalaproduktion. Specifikt udnytter enheden TSMC's 0.13-μm Bipolar-CMOS-DMOS (BCD) teknologi. Denne tilgang gjorde det muligt for dem at reducere enhedens størrelse og formfaktor ved at kombinere flere halvlederteknologier i én chip for at producere integrerede kredsløb (IC'er) med blandede signaler.

Denne strategi er fordelagtig, fordi den gør det muligt for systemet at acceptere direkte logik fra CMOS og analoge højspændingsfunktioner. Derudover gør den det muligt for enheden at fungere med en højere effektivitetsgrad ved hjælp af DMOS-transistorer.

Test af hjerne-computergrænseflade

Holdet konstruerede en demonstrationsanordning og udførte adskillige tests for at afprøve deres teori. For at udføre de kirurgiske aspekter af testfasen samarbejdede holdet med Youngerman på NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center. Sammen udviklede de en sikker og minimalt invasiv transplantationsstrategi, der gjorde det muligt for dem at teste anordningen i et rigtigt kirurgisk miljø.

Processen involverede at lave et lille snit og skubbe enheden mellem hjernen og kraniets tag. Dens fleksible og papirtynde design gjorde processen meget nemmere end traditionelle metoder. Derudover var processen meget mere sikker, da der ikke var nogen hjernepenetrerende komponenter eller ledninger.

Resultater af hjerne-computergrænsefladetest

Testene viste systemets sande kapacitet, da det var i stand til at optage højhastighedsoptagelser direkte fra hjernen. Det udviste stabil ydeevne og så ikke en øjeblikkelig negativ vævsreaktivitet, hvilket betyder, at det ville være ideelt til brug i medicinske scenarier, hvor langvarige implantater er påkrævet.

Fordele ved BISC hjerne-computer-grænsefladen

Stryg for at scrolle →

BCI-applikationer og tidslinje i den virkelige verden

Der er adskillige anvendelser til hjernegrænsefladecomputeren. Denne enhed vil bidrage til at forbedre livet for millioner af mennesker, der lider af invaliderende neurologiske sygdomme. Lidelser som epilepsi, lammelse, anfald, tab af motoriske færdigheder, talevanskeligheder og blindhed kan pludselig få nye behandlingsmuligheder.

Denne teknologi vil også hjælpe dem, der har brug for proteser på grund af tab af lemmer. Systemet vil muliggøre problemfri kommunikation og kan endda bruges til at give feedback i realtid til brugeren, hvilket skaber en langt mere tilfredsstillende behandling.

Tidslinje

Dette produkt kan finde vej ind i den medicinske sektor inden for de næste 5 år. I modsætning til sine forgængere har gruppen allerede accelereret sine kliniske forsøg, hvor kortvarige intraoperative studier på mennesker allerede finder sted. Som sådan kan du forvente at høre flere relaterede gennembrud omkring denne teknologi.

Hjerne-Computer Interface Forskere

BISC-studiet kombinerer flere aspekter fra prestigefyldte institutioner. Specifikt udnytter det Columbias mikroelektronikekspertise, University of Pennsylvania og Stanfords neurovidenskabelige programmer. Derudover bruger det NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Centers kirurgiske kapaciteter. Holdet sikrede finansiering fra en National Institutes of Health-bevilling og Neural Engineering System Design-programmet fra Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Denne finansiering gjorde det muligt for holdet at fremskynde sin forskning og validere resultaterne.

Fremtiden for ultratynde hjerne-computer-grænseflader

Fremtiden for denne teknologi ser lys ud. Ingeniørerne har allerede udtrykt interesse i at fremme AI-modellens effektivitet og udføre komplette forsøg på mennesker. Derudover vil teamet søge partnerskaber for at hjælpe med at finansiere projektet og sikre industrielle kontrakter til fremstilling af enheden.

Hjerne-computer-grænseflade | Konklusion

Undersøgelsen af ​​hjerne-computer-grænsefladen åbner døren til en sci-fi-fremtid, hvor computere styres udelukkende af tanker. Disse enheder vil først finde vej til offentligheden via medicinske behandlinger. Det vil dog ikke vare længe, ​​før du kan have en dyb samtale med din smartphone uden at bevæge dine læber.

Hvad synes du om denne BCI-enhed? Ville du nogensinde have en på? Synes godt om, kommenter og del denne artikel, og klik link. for at lære om anden sej computerteknologi.

Investering i udvikling af hjerne-computer-grænsefladen

Der er mange virksomheder involveret i BCI-sektoren, der forestiller sig en fremtid, hvor hjernen udfører det hårde arbejde. Mens rendyrkede BCI-startups ofte forbliver private, kan investorer se på etablerede medicinske teknologivirksomheder, der leverer den kritiske kirurgiske infrastruktur, der kræves for at implantere disse enheder. Her er en virksomhed, der faciliterer den komplekse neurokirurgi, der er nødvendig for den næste generation af hjernegrænseflader.

Integra Lifesciences

Integra Lifesciences kom på markedet i 1989. Grundlæggeren, Richard Caruso, ønskede at give bedre adgang til neurologiske behandlinger. Denne tilgang mødte stærk støtte takket være en kombination af nyttige behandlinger og positive investorresponser. Det er værd at bemærke, at Integra Lifesciences blev børsnoteret i 1995.

I 2007 udgav virksomheden et opgraderet NeuroSight Arc-hjernekortlægningssoftwaremodul til sit OmniSight EXcel-system, der bruges til at planlægge procedurer for Parkinsons sygdom og andre bevægelsesforstyrrelser. Derfra fortsatte virksomheden med at udvide sin neurokirurgiske produktportefølje. I 2017 opkøbte virksomheden Codman Neurosurgery fra Johnson & Johnson for 1.045 mia. dollars.

Denne manøvre udvidede virksomhedens rækkevidde og gjorde det muligt for den at levere mere avancerede produkter. De, der søger adgang til MedTech-feltet, bør undersøge Integra Lifesciences mere.

Seneste Integra Lifesciences (IART) aktienyheder og -afkast

Referencer

^{1. Jung, T., Zeng, N., Fabbri, JD et al. En trådløs subdural-indeholdt hjerne-computer-grænseflade med 65,536 elektroder og 1,024 kanaler. Nat Electron (2025). https://doi.org/10.1038/s41928-025-01509-9}