Ultratunn implanterad hjärn-datorgränssnitt slår rekord

Majoriteten av världen interagerar med sin smartphone, PC eller surfplatta via traditionella skärm‑ och tangentbordsgränssnitt. Dessa former av människa‑maskin‑kommunikation kan dock bli föråldrade under de kommande åren då ett team av ingenjörer från flera prestigefyllda institutioner framgångsrikt har skapat ett miniatyr, implanterbart BCI som har potential att revolutionera flera marknader.

Deras uppfinning kombinerar en trådlös sändare/mottagare, ett avancerat kraftsystem, en digital styrmodul, datakonverterare och flera ytterligare komponenter för att möjliggöra sann tvåvägskommunikation direkt till hjärnan. Denna utveckling markerar ett stort milstolpe för BCI‑teknik som en dag kan omforma hur människor och maskiner interagerar. Här är vad du behöver veta.

Hjärn-datorgränssnitt (BCI)

Hjärn‑datorgränssnitt har gjort stora framsteg under de senaste 50 åren. Dessa enheter har utvecklats från enkla sensorer som kunde upptäcka alfavågor till komplexa system som kan avlyssna och avkoda hjärnans signaler i realtid.

Tillväxten av BCI‑teknik har öppnat dörren för spännande utvecklingar, inklusive genombrott inom medicin. Specifikt har dessa enheter visat sig vara användbara för att behandla personer med neurologiska sjukdomar som epilepsi eller förlamning. Följaktligen ser forskare nu denna teknik som en viktig sektor med potential att hjälpa miljontals människor.

Problem med dagens hjärn‑datorgränssnitt (BCI)

Som man kan förvänta sig krävs betydande teknisk komplexitet för att fånga och avkoda hjärnvågor för att styra externa enheter. En av huvudorsakerna till att tekniken har varit begränsad är dess komplicerade natur. Fram till nyligen kunde AI‑system inte avkoda dessa vågor med tillräcklig precision, vilket innebar att uppgiften utfördes av traditionella datorsystem.

Krävande hårdvara begränsar nuvarande BCI‑system

Även när tekniken började uppnå dessa förmågor förblev den stor, obekväm och opraktisk för användaren. Dagens mest avancerade system kräver en stor implanterad behållare för att hysa majoriteten av elektroniken. Denna lagring måste implanteras i skallbenet eller i bröstkorgen, där det senare alternativet kräver ytterligare kablar.

Varför dagens BCI‑system inte kan skalas

Flera tillverkningsbegränsningar har gjort massproduktion av dessa enheter omöjlig. För det första har de enorma kostnaderna och den precision som krävs för att skapa dessa enheter i stor skala inte varit tillgängliga. Dessutom var moderna designer inte skapade för att stödja storskalig produktion, vilket innebär att de använder metoder och komponenter som gör det orealistiskt.

Studie av hjärn‑datorgränssnitt: Inuti BISC‑implantatet

Genom att inse dessa begränsningar som huvudhinder för att uppnå BCI:ns fulla potential, satte ett team av ingenjörer från Columbia University, New York‑Presbyterian Hospital, Stanford University och University of Pennsylvania igång för att åtgärda problemen och inleda en ny era av människa‑maskin‑kontroll.

Studien¹, med titeln ‘A wireless subdural-contained brain–computer interface with 65,536 electrodes and 1,024 channels’, publicerad i Nature Electronics omprövar hela tillvägagångssättet från grunden. Deras skapelse uppnår oöverträffad prestanda som motsvarar flera storleksordningar förbättringar jämfört med tidigare versioner, allt från ett litet trådlöst ultratunt neuralimplantat.

Biologiskt Interface‑System till Cortex (BISC)

Deras uppfinning, kallad Biological Interface System to Cortex (BISC), har en förenklad enkelskikts metall‑oxid‑semiconductor (CMOS) integrerad kretsdesign. Dess minimala mått på endast 50 μm tjocklek och 3 mm³ gör den 1/1000 av volymen hos det nuvarande standardimplantatet, ungefär lika tjockt som ett mänskligt hår.

Källa – Science Daily

Den tunna designen möjliggör placering direkt mellan hjärnan och skallbenet. Inuti denna lilla enhet finns en mängd avancerad teknik som kan leverera intensiv beräkningskraft. Denna beräkningskraft är nödvändig för att fånga hjärnvågor och skicka dem till de avancerade AI‑systemen som styr processen.

AI‑modeller

Ingenjörerna byggde på decennier av neurologi‑ och hjärnvågsforskning för att skapa en effektiv AI‑modell som kan registrera, skicka och ta emot hjärnvågor. AI‑systemet kan avkoda specifika uppgifter, inklusive rörelse, avsikt och perception. Det uppnår detta genom specialbyggd mjukvara och sensorer designade för att interagera med AI‑systemen.

Elektroder

För att möjliggöra sann hjärnanslutning fungerar BISC som en mikro‑elektrokortikografi (µECoG)‑enhet. Detta system använder 65 536 elektroder, 1 024 inspelningskanaler och 16 384 stimulationskanaler för att skapa högbandbreddsinspelningar av hjärnvågorna i realtid.

Inspelningarna skickas sedan till de avancerade AI‑systemen. Dessa system kombinerar både maskininlärnings‑ och djupinlärningsalgoritmer, vilket gör att de kan tolka de komplexa signalerna. Noterbart är att detta arbete bygger på tidigare beräknings‑ och systemneurovetenskapligt arbete av medförfattarna Dr. Tolias och Bijan Pesaran.

Trådlös länk

En relästation som bärs av patienten möjliggör höggenomströmmande kommunikation med implantatet. När implantatet kommunicerar direkt med hjärnan, sänder det sedan signalen till relästationen. En bärbar relästation kommunicerar med implantatet via en skräddarsydd ultrabredbands‑ (UWB) radiolänk som når omkring 100 Mbps och presenterar sig externt som en standard‑802.11‑Wi‑Fi‑enhet.

Hur hjärn‑datorgränssnittet byggdes

BISC‑implantatet tillverkades med lättillgängliga maskiner och verktyg, vilket säkerställer att storskalig produktion blir möjlig. Specifikt utnyttjar enheten TSMC:s 0,13‑μm Bipolar‑CMOS‑DMOS (BCD)‑teknik. Detta tillvägagångssätt gjorde det möjligt att minska enhetens storlek och formfaktor genom att kombinera flera halvledarteknologier i ett chip för att producera mixed‑signal integrerade kretsar (IC).

Strategin är fördelaktig eftersom den möjliggör att systemet kan ta emot direkt logik från CMOS och högspännings‑analogfunktioner. Dessutom möjliggör den att enheten kan fungera med högre effektivitet genom att använda DMOS‑transistorer.

Test av hjärn‑datorgränssnitt

Teamet konstruerade en demonstrationsenhet och genomförde flera tester för att pröva sin teori. För att genomföra de kirurgiska aspekterna av testfasen samarbetade teamet med Youngerman vid NewYork‑Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center. Tillsammans utvecklade de en säker och minimalt invasiv transplantationsstrategi som möjliggjorde testning av enheten i en verklig kirurgisk miljö.

Processen innebar att skapa ett litet snitt och glida in enheten mellan hjärnan och skallens tak. Dess flexibla och papperstunna design gjorde processen mycket enklare än traditionella metoder. Dessutom, eftersom det inte fanns några hjärnpenetrerande komponenter eller kablar, var processen mycket säkrare.

Resultat från test av hjärn‑datorgränssnitt

Tester visade systemets verkliga kapacitet då det kunde fånga hög‑snabbhetsinspelningar direkt från hjärnan. Det demonstrerade stabil prestanda och visade ingen omedelbar negativ vävnadsreaktivitet, vilket betyder att det skulle vara idealiskt för medicinska scenarier där långsiktiga implantat krävs.

Fördelar med BISC‑hjärn‑datorgränssnittet

Svep för att scrolla →

Verkliga BCI‑tillämpningar och tidslinje

Det finns flera tillämpningar för hjärn‑datorgränssnittet. Denna enhet kommer att förbättra livet för miljontals människor som lider av försvagande neurologiska sjukdomar. Åkommor som epilepsi, förlamning, anfall, förlust av motoriska färdigheter, förlust av tal och blindhet kan plötsligt få nya behandlingsalternativ.

Denna teknik kommer också att hjälpa dem som kräver proteser på grund av förlorade lemmar. Systemet möjliggör sömlös kommunikation och kan till och med användas för att ge realtids‑feedback till bäraren, vilket skapar en mycket mer tillfredsställande behandling.

Tidslinje

Denna produkt kan nå den medicinska sektorn inom de kommande fem åren. Till skillnad från sina föregångare har gruppen redan påskyndat sina kliniska prövningar med kortsiktiga intraoperativa studier på mänskliga patienter som redan pågår. Därför kan du förvänta dig att höra mer om genombrott kring denna teknik.

Forskare inom hjärn‑datorgränssnitt

BISC‑studien kombinerar flera aspekter från prestigefyllda institutioner. Specifikt utnyttjar den Columbias mikroelektronikexpertis, University of Pennsylvania och Stanfords neurovetenskapsprogram. Dessutom använder den NewYork‑Presbyterian/Columbia University Irving Medical Centers kirurgiska kapacitet. Teamet fick finansiering från ett National Institutes of Health‑bidrag och Neural Engineering System Design‑programmet från Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Denna finansiering gjorde det möjligt för teamet att påskynda sin forskning och validera resultaten.

Framtiden för ultratunna hjärn‑datorgränssnitt

Framtiden för denna teknik ser ljus ut. Ingenjörerna har redan uttryckt intresse för att förbättra AI‑modellens effektivitet och genomföra fullständiga mänskliga prövningar. Dessutom kommer teamet att söka partnerskap för att hjälpa till att finansiera projektet och säkra industriella kontrakt för tillverkning av enheten.

Hjärn‑datorgränssnitt | Slutsats

Studien av hjärn‑datorgränssnitt öppnar dörren till en sci‑fi‑framtid där datorer styrs enbart av tankar. Dessa enheter kommer först att nå allmänheten via medicinska behandlingar. Men det kommer inte att dröja länge innan du har ett djupt samtal med din smartphone utan att röra läpparna.

Vad tycker du om denna BCI‑enhet? Skulle du någonsin vilja bära en? Gilla, kommentera och dela den här artikeln, och klicka här för att lära dig mer om annan cool dator‑teknik.

Investering i utvecklingen av hjärn‑datorgränssnitt

Det finns många företag verksamma inom BCI‑sektorn, som föreställer sig en framtid där sinnet utför det tunga arbetet. Medan rena BCI‑startup‑företag ofta förblir privata, kan investerare titta på etablerade medicinteknikföretag som tillhandahåller den kritiska kirurgiska infrastrukturen som krävs för att implantera dessa enheter. Här är ett företag som underlättar den komplexa neurokirurgi som behövs för nästa generation av hjärn‑gränssnitt.

Integra Lifesciences

Integra Lifesciences gick in på marknaden 1989. Dess grundare, Richard Caruso, ville ge större tillgång till neurologiska behandlingar. Detta tillvägagångssätt fick starkt stöd tack vare en kombination av hjälpsamma behandlingar och gynnsamma investerarsvar. Noterbart är att Integra Lifesciences börsnoterades 1995.

2007 släppte företaget en uppgraderad NeuroSight Arc‑hjärnkartläggningsprogramvara för sitt OmniSight EXcel‑system, som används för att planera ingrepp för Parkinsons sjukdom och andra rörelsestörningar. Därefter fortsatte företaget att expandera sin neurokirurgiska produktportfölj. 2017 förvärvade företaget Codman Neurosurgery från Johnson & Johnson (JNJ ) för 1,045 Mrd USD.

Detta drag utökade företagets räckvidd och gjorde det möjligt att erbjuda mer avancerade produkter. De som söker tillgång till MedTech‑fältet bör göra ytterligare research om Integra Lifesciences.

Senaste nyheter och prestanda för Integra Lifesciences (IART)‑aktien

Referenser

^{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}