科学家发明微型脑芯片，可实时传输大脑想法

这项技术的前景源于其极小的体积和极高的速度传输数据的能力。该设备是由哥伦比亚大学、纽约长老会医院、斯坦福大学和宾夕法尼亚大学合作研发的脑机接口（BCI），其核心是一块单硅芯片。这块芯片构成了大脑与外部计算机之间的无线、高带宽连接，该系统被称为“皮层生物接口系统”（BISC）。

2023年12月8日发表在《自然·电子学》上的一项研究详细介绍了BISC的架构，包括基于芯片的植入体、可穿戴“中继站”以及运行该平台所需的软件。哥伦比亚大学劳家族电气工程教授、生物医学工程教授兼神经科学教授肯·谢泼德（他是该研究的资深作者之一并领导了工程工作）表示：“大多数植入式系统都是围绕一个电子元件罐构建的，在体内占据巨大空间。而我们的植入体是一块单集成电路芯片，非常薄，可以滑入大脑和颅骨之间的空间，像一张湿纸巾一样贴在大脑上。”

将皮层转变为高带宽接口
谢泼德与资深共同通讯作者安德烈亚斯·S·托利亚斯博士（斯坦福大学拜尔斯眼科研究所教授、Enigma项目联合创始主任）密切合作。托利亚斯在大规模神经记录（包括用BISC收集的记录）上训练人工智能系统的丰富经验，帮助团队分析了植入体解码大脑活动的能力。托利亚斯说：“BISC将大脑皮层表面变成了一个有效的门户，实现了与人工智能和外部设备的高带宽、微创读写通信。其单芯片的可扩展性为适应性神经假体和脑-人工智能接口铺平了道路，以治疗许多神经精神疾病，如癫痫。”

哥伦比亚大学神经外科助理教授、纽约长老会/哥伦比亚大学欧文医学中心神经外科医生布雷特·扬格曼博士是该项目的主要临床合作者。他说：“这种高分辨率、高数据吞吐量的设备有望彻底改变从癫痫到瘫痪等神经疾病的治疗方式。”扬格曼、谢泼德以及纽约长老会/哥伦比亚大学癫痫神经科医生凯瑟琳·舍冯博士最近获得了美国国立卫生研究院的资助，用于将BISC用于治疗难治性癫痫。扬格曼补充道：“有效的脑机接口设备的关键在于最大限度地增加进出大脑的信息流，同时使设备的手术植入尽可能微创。BISC在这两方面都超越了以往的技术。”

谢泼德说：“半导体技术使这成为可能，它让过去房间大小的计算机的计算能力现在可以装进你的口袋。我们现在正在为医疗植入设备做同样的事情，让复杂的电子设备可以存在于体内，同时几乎不占用空间。”

下一代BCI工程
脑机接口通过连接神经元用于通信的电信号来工作。目前的医疗级脑机接口通常依赖多个独立的微电子元件，如放大器、数据转换器和无线电发射器。这些部件必须存放在一个相对较大的植入罐中，要么通过移除部分颅骨放置，要么放置在身体的其他部位（如胸部），并用电线连接到大脑。

BISC的构建方式则不同。整个系统集成在一块互补金属氧化物半导体（CMOS）集成电路上，该电路被减薄至50微米，体积不到标准植入体的1/1000。其总体积约为3立方毫米，这种柔性芯片可以弯曲以贴合大脑表面。这种微皮层脑电图（µECoG）设备包含65536个电极、1024个记录通道和16384个刺激通道。由于该芯片采用半导体行业的制造方法生产，因此适合大规模生产。

该芯片集成了无线电收发器、无线电源电路、数字控制电子设备、电源管理、数据转换器以及记录和刺激所需的模拟元件。外部中继站通过定制的超宽带无线电链路提供电源和数据通信，传输速率可达100Mbps，吞吐量至少是目前其他无线脑机接口的100倍。中继站作为802.11 WiFi设备运行，有效地将任何计算机与植入体连接起来。

BISC包含自己的指令集和全面的软件环境，形成了专门的脑接口计算系统。本研究中展示的高带宽记录使大脑信号能够通过先进的机器学习和深度学习算法进行处理，这些算法可以解读复杂的意图、感知体验和大脑状态。谢泼德说：“通过将所有东西集成在一块硅片上，我们展示了脑接口如何变得更小、更安全且功能显著增强。”

先进的半导体制造
BISC植入体采用台积电的0.13微米双极型互补金属氧化物半导体-双扩散金属氧化物半导体（BCD）技术制造。这种制造方法将三种半导体技术集成到一块芯片中，以生产混合信号集成电路（IC）。它允许数字逻辑（来自CMOS）、大电流高压模拟功能（来自双极型和DMOS晶体管）以及功率器件（来自DMOS）高效协同工作，这些对BISC的性能都至关重要。

从实验室走向临床应用
为了将该系统转化为实际医疗应用，谢泼德的团队与纽约长老会/哥伦比亚大学欧文医学中心的扬格曼合作。他们开发了将薄植入体安全植入临床前模型的手术程序，并证实该设备能产生高质量、稳定的记录。目前已经在人类患者中开展了短期术中研究。

扬格曼说：“这些初步研究为我们提供了宝贵的数据，了解该设备在实际手术环境中的表现。植入体可以通过颅骨上的微创切口插入，直接滑入硬膜下腔的大脑表面。这种纸一样薄的外形，加上没有穿透大脑的电极或连接植入体与颅骨的电线，最大限度地减少了组织反应和信号随时间的衰减。”

斯坦福大学的托利亚斯博士和宾夕法尼亚大学神经外科教授比扬·佩萨兰（他是计算和系统神经科学领域公认的领导者）在运动皮层和视觉皮层开展了广泛的临床前研究。佩萨兰说：“BISC的极致小型化为新一代植入式技术提供了令人兴奋的平台，这些技术还可以通过光和声音等其他方式与大脑接口。”

BISC是通过美国国防高级研究计划局（DARPA）的神经工程系统设计项目开发的，借鉴了哥伦比亚大学在微电子学方面的深厚专业知识、斯坦福大学和宾夕法尼亚大学的先进神经科学项目以及纽约长老会/哥伦比亚大学欧文医学中心的手术能力。

商业开发与未来人工智能集成
为了推动该技术走向实际应用，哥伦比亚大学和斯坦福大学的研究人员创立了Kampto Neurotech公司，该公司由哥伦比亚大学电气工程校友、该项目的首席工程师之一南宇·曾博士创立。该公司正在生产研究用版本的芯片，并努力筹集资金，为该系统在人类患者中的应用做准备。

曾博士说：“这是一种从根本上不同的脑机接口设备构建方式。通过这种方式，BISC的技术能力比竞争设备高出多个数量级。”

随着人工智能的不断发展，脑机接口在恢复神经疾病患者失去的能力以及通过直接脑-计算机通信增强正常功能的潜在未来应用方面都获得了发展动力。

谢泼德说：“通过将超高分辨率神经记录与完全无线操作相结合，并将其与先进的解码和刺激算法配对，我们正迈向一个大脑和人工智能系统可以无缝交互的未来——不仅用于研究，更用于人类福祉。这可能会改变我们治疗脑部疾病的方式、我们与机器交互的方式，并最终改变人类与人工智能的互动方式。”