Ultratynd Implanteret Hjerne-Computergrænseflade Slår Rekorder

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

Deres opfindelse kombinerer en trådløs transceiver, et avanceret strømsystem, et digitalt kontrolmodul, datakonvertere og flere yderligere komponenter for at muliggøre sand direkte-til-hjerne tovejs kommunikation. Denne udvikling markerer en stor milepæl for BCI’er, som en dag kan omforme, hvordan mennesker og maskiner interagerer. Her er, hvad du behøver at vide.

Hjerne-Computergrænseflade (BCI)

Hjerne‑computergrænseflader har gjort store fremskridt i løbet af de sidste 50 år. Disse enheder er udviklet fra simple sensorer, der kan opdage alfa‑bølger, til komplekse systemer, der kan opsnappe og afkode hjernens signaler i realtid.

Væksten i BCI‑teknologi har åbnet døren for nogle spændende udviklinger, herunder gennembrud inden for det medicinske område. Specifikt har disse enheder vist sig nyttige i behandlingen af personer med neurologiske lidelser som epilepsi eller lammelse. Som følge heraf ser forskere nu denne teknologi som en vigtig sektor, der har potentiale til at hjælpe millioner.

Problemer med nutidens hjerne‑computergrænseflade (BCI)

Som man kan forvente, kræver indfangning og afkodning af hjernebølger for at styre eksterne enheder betydelig teknologisk kompleksitet. 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 afkode disse bølger præcist, hvilket betød, at opgaven blev udført af traditionelle computersystemer.

Omstændeligt hardware begrænser nuværende BCI’er

Selvom teknologien begyndte at opnå disse evner, forblev den stor, ubehagelig og upraktisk for brugeren. Nutidens mest avancerede systemer kræver en stor implanteret beholder til at huse det meste af elektronikken. Denne opbevaring skal implanteres i kraniet eller i brystet, hvor sidstnævnte mulighed kræver ekstra kabler.

Hvorfor nutidens BCI’er ikke kan skaleres

Flere produktionsmæssige begrænsninger har gjort masseproduktion af disse enheder umulig. For det første har de enorme omkostninger og den præcision, der kræves for at fremstille disse enheder i stor skala, ikke været tilgængelige. Derudover er moderne designs ikke skabt til at understøtte masseproduktion, hvilket betyder, at de anvender metoder og komponenter, der gør det urimeligt.

Studie af hjerne‑computergrænseflade: Inde i BISC‑implantatet

Ved at erkende disse begrænsninger som den største hindring for at realisere BCI’ernes sande potentiale, gik et hold af ingeniører fra Columbia University, New York-Presbyterian Hospital, Stanford University og University of Pennsylvania i gang med at løse disse problemer og indlede en ny æra af menneske‑maskine‑kontrollerbarhed.

Studiet¹, med titlen ‘A wireless subdural-contained brain–computer interface with 65,536 electrodes and 1,024 channels’, offentliggjort i Nature Electronics, genovervejer hele tilgangen fra bunden. Deres skabelse opnår uovertruffen ydeevne, der svarer til størrelsesordensforbedringer i forhold til tidligere versioner, alt sammen fra et lille trådløst ultratyndt neuralt implantat.

Biologisk Interface System til Cortex (BISC)

Deres opfindelse, kaldet Biological Interface System to Cortex (BISC), har et forenklet enkelt-chip metal‑oxide‑semiconductor (CMOS) integreret kredsløbsdesign. Dens mikroskopiske mål på kun 50 μm i tykkelse og 3 mm³ gør den til 1/1000 af volumenet af det nuværende standardimplantat, eller omtrent tykkelsen af et menneskehår.

Kilde – Science Daily

Dette tynde design gør det muligt at placere det direkte mellem hjernen og kraniet. Inden i denne lille enhed er der masser af avanceret teknologi, der kan levere intens beregningskraft. Denne beregningskraft er nødvendig for at indfange hjernebølger og sende dem til de avancerede AI‑systemer, der styrer processen.

AI‑modeller

Ingeniørerne byggede på årtier af neurologi‑ og hjernebølgeforskning for at skabe en effektiv AI‑model, der kan registrere, sende og modtage hjernebølger. AI‑systemet kan afkode specifikke opgaver, herunder bevægelse, intention og perception. Det udfører denne opgave gennem brug af specialudviklet software og sensorer designet til at interagere med AI‑systemerne.

Elektroder

For at muliggøre sand hjerneforbindelse fungerer BISC som en mikro‑elektrokortikografi (µECoG) enhed. Systemet anvender 65.536 elektroder, 1.024 optagelseskanaler og 16.384 stimuleringskanaler til at skabe høj‑båndbredde optagelser af hjernebølger i realtid.

Optagelserne sendes derefter til de avancerede AI‑systemer. Disse systemer kombinerer både maskinlæring og dyb læringsalgoritmer, hvilket gør dem i stand til at fortolke det komplekse signal. Bemærkelsesværdigt bygger dette arbejde på tidligere beregnings‑ og systemneurovidenskabeligt arbejde udført af de medvirkende forfattere, Dr. Tolias og Bijan Pesaran.

Trådløst link

En relæstation, som patienten bærer, muliggør høj‑gennemløbs kommunikation med det implanterede apparat. Da det implanterede apparat kommunikerer direkte med hjernen, udsender det derefter signalet til relæstationen. En bærbar relæstation kommunikerer med implantatet via et specialtilpasset ultrabredbånd (UWB) radiolink, der når omkring 100 Mbps og derefter fremstår eksternt som en standard 802.11 Wi‑Fi‑enhed.

Hvordan hjerne‑computergrænsefladen blev bygget

BISC‑implantatet blev fremstillet ved hjælp af let tilgængelige maskiner og værktøj, hvilket sikrer, at masseproduktion er mulig. Specifikt udnytter enheden TSMC’s 0,13‑μm Bipolar‑CMOS‑DMOS (BCD) teknologi. Denne tilgang gjorde det muligt for dem at reducere størrelsen og formfaktoren af enheden ved at kombinere flere halvlederteknologier på én chip for at producere mixed‑signal integrerede kredsløb (IC’er).

Denne strategi er fordelagtig, fordi den gør det muligt for systemet at acceptere direkte logik fra CMOS og høj‑spændings‑analoge funktioner. Derudover gør den det muligt for enheden at fungere med et højere effektivitetsniveau ved brug af DMOS‑transistorer.

Test af hjerne‑computergrænseflade

Holdet konstruerede en demo‑enhed og udførte flere tests for at afprøve deres teori. For at gennemføre de kirurgiske aspekter af testfasen samarbejdede holdet med Youngerman ved NewYork‑Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center. Sammen udviklede de en sikker og minimalt invasiv transplanteringsstrategi, der gjorde det muligt at teste enheden i en reel kirurgisk situation.

Processen involverede at lave et lille snit og glide enheden mellem hjernen og kraniets loft. Dens fleksible og papirtunne design gjorde processen meget lettere end traditionelle metoder. Derudover, da der ikke var nogen hjernepenetrerende komponenter eller ledninger, var processen meget sikrere.

Resultater af test af hjerne‑computergrænseflade

Testene viste systemets sande kapaciteter, da det var i stand til at indfange højhastighedsoptagelser direkte fra hjernen. Det demonstrerede stabil ydeevne og viste ingen umiddelbar negativ vævsreaktivitet, hvilket betyder, at det ville være ideelt til brug i medicinske scenarier, hvor langvarige implantater er påkrævet.

Fordele ved BISC hjerne‑computergrænsefladen

Swipe for at rulle →

Reelle anvendelser af BCI og tidslinje

Der er flere anvendelser for hjerne‑interface computeren. Denne enhed vil hjælpe med at forbedre livet for millioner af mennesker, der lider af invaliderende neurologiske sygdomme. Tilstande som epilepsi, lammelse, anfald, tab af motoriske færdigheder, tab af tale og blindhed kunne pludselig få nye behandlingsmuligheder.

Denne teknologi vil også hjælpe dem, der har brug for proteser på grund af lemtab. Systemet vil muliggøre problemfri kommunikation og kan endda bruges til at give realtidsfeedback til brugeren, hvilket skaber en meget 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 med kortsigtede intraoperative studier på menneskelige patienter, som allerede finder sted. Derfor kan du forvente at høre flere relaterede gennembrud omkring denne teknologi.

Forskere inden for hjerne‑computergrænseflade

BISC‑studiet kombinerer flere aspekter fra forskellige prestigefyldte institutioner. Specifikt udnytter det Columbias mikroelektronik‑ekspertise, University of Pennsylvanias og Stanfords neurovidenskabsprogrammer. Derudover bruger det NewYork‑Presbyterian/Columbia University Irving Medical Centers kirurgiske kapaciteter. Holdet sikrede finansiering fra en National Institutes of Health‑bevillning og Neural Engineering System Design‑programmet fra Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Denne finansiering gjorde det muligt for holdet at fremskynde deres forskning og validere resultaterne.

Fremtiden for ultratynde hjerne‑computergrænseflader

Fremtiden for denne teknologi ser lys ud. Ingeniørerne har allerede udtrykt interesse for at forbedre AI‑modellens effektivitet og gennemføre komplette menneskelige forsøg. Derudover vil holdet søge partnerskaber for at hjælpe med at finansiere projektet og sikre industrielle kontrakter til fremstilling af enheden.

Hjerne‑computergrænseflade | Konklusion

Studiet af hjerne‑computergrænsefladen åbner døren til en sci‑fi fremtid, hvor computere styres simpelthen ved tanke. Disse enheder vil først nå offentligheden gennem medicinske behandlinger. Men det vil ikke tage lang tid, før du kan have en dyb samtale med din smartphone uden at bevæge læberne.

Hvad synes du om denne BCI‑enhed? Ville du nogensinde bære en? Synes godt om, kommenter og del denne artikel, og klik her for at lære om anden fed computert teknologi.

Investering i udviklingen af hjerne‑computergrænsefladen

Der er mange virksomheder involveret i BCI‑sektoren, som forestiller sig en fremtid, hvor sindet udfører det tunge løft. Mens rene BCI‑startups ofte forbliver private, kan investorer kigge på etablerede medicoteknologiske firmaer, der leverer den kritiske kirurgiske infrastruktur, der kræves for at implantere disse enheder. Her er en virksomhed, der muliggør den komplekse neurokirurgi, der er nødvendig for næste generation af hjerne‑grænseflader.

Integra Lifesciences

Integra Lifesciences gik ind på markedet i 1989. Dens grundlægger, Richard Caruso, ønskede at give større adgang til neurologiske behandlinger. Denne tilgang fik stærk støtte takket være en kombination af hjælpsomme behandlinger og gunstige investorreaktioner. Bemærkelsesværdigt gik Integra Lifesciences på børsen i 1995.

I 2007 udgav virksomheden en opgraderet NeuroSight Arc hjerne‑kortlægningssoftware‑modul til sit OmniSight EXcel‑system, der bruges til at planlægge procedurer for Parkinsons sygdom og andre bevægelsesforstyrrelser. Derfra fortsatte firmaet med at udvide sin neurokirurgiske produktportefølje. I 2017 erhvervede firmaet Codman Neurosurgery fra Johnson & Johnson for $1,045 mia.

Dette træk udvidede virksomhedens rækkevidde og gjorde det muligt at levere mere avancerede produkter. De, der søger adgang til MedTech‑området, bør foretage yderligere research om Integra Lifesciences.

Seneste nyheder og performance for Integra Lifesciences (IART) aktie

Referencer

^{1. Jung, T., Zeng, N., Fabbri, J.D. et al. A wireless subdural-contained brain–computer interface with 65,536 electrodes and 1,024 channels. Nat Electron (2025). https://doi.org/10.1038/s41928-025-01509-9}