A promessa dessa tecnologia decorre de seu tamanho extremamente pequeno, aliado à sua capacidade de transmitir dados em velocidades muito altas. Desenvolvido por meio de uma colaboração entre a Universidade Columbia, o Hospital NewYork-Presbyterian, a Universidade Stanford e a Universidade da Pensilvânia, o dispositivo é uma interface cérebro-computador (BCI) construída em torno de um único chip de silício. Este chip forma uma conexão sem fio de alta capacidade entre o cérebro e computadores externos. O sistema é conhecido como Sistema de Interface Biológica para o 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 operar a plataforma. “A maioria dos sistemas implantáveis é construída em torno de um recipiente de eletrônicos que ocupa enormes volumes 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 Columbia, que atuou como um dos autores seniores e liderou o trabalho de engenharia. “Nosso implante é um único chip de circuito integrado que é tão fino que pode deslizar para o espaço entre o cérebro e o crânio, repousando sobre o cérebro como um pedaço de papel toalha molhado.”

Transformando o Cortex em uma Interface de Alta Capacidade

Shepard trabalhou em estreita colaboração com o autor sênior e co-correspondente Andreas S. Tolias, PhD, professor do Byers Eye Institute da Universidade Stanford e co-fundador do Enigma Project. A extensa experiência de Tolias em treinar sistemas de IA em gravações neurais de larga escala, 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, oferecendo comunicação de leitura e gravação de alta capacidade e minimamente invasiva com IA e dispositivos externos”, diz Tolias. “Sua escalabilidade com um único chip abre caminho para neuropróteses adaptativas e interfaces cérebro-IA para tratar muitos distúrbios neuropsiquiátricos, como a epilepsia.”

O Dr. Brett Youngerman, professor assistente de cirurgia neurológica na Universidade Columbia e neurocirurgião no NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center, atuou como o principal colaborador clínico do projeto. “Esse dispositivo de alta resolução e alta taxa de transferência de dados tem o potencial de revolucionar o gerenciamento de condições neurológicas, de epilepsia a paralisia”, diz ele. Youngerman, Shepard e a neurologista especialista em epilepsia do NewYork-Presbyterian/Columbia, Dr. Catherine Schevon, recentemente garantiram uma bolsa do Instituto Nacional da 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

As BCIs funcionam conectando-se aos sinais elétricos usados pelos neurônios para se comunicar. As BCIs médicas padrão normalmente dependem de múltiplos componentes microeletrônicos separados, como amplificadores, conversores de dados e transmissores de rádio. Essas partes devem ser armazenadas em um canister implantável relativamente grande, colocado removendo uma 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 ajustar 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 usando 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 energia, conversores de dados e os componentes analógicos necessários para gravação e estimulação. A estação de retransmissão externa fornece energia e comunicação de dados através de um enlace de rádio ultralargo personalizado que atinge 100 Mbps, uma taxa de transferência pelo menos 100 vezes maior que qualquer outra BCI sem fio atualmente disponível. Atuando como um dispositivo WiFi 802.11, a estação de retransmissão efetivamente conecta qualquer computador ao implante.

O BISC incorpora seu próprio conjunto de instruções junto 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, demonstramos como as interfaces cerebrais podem se tornar menores, mais seguras e dramaticamente mais poderosas”, diz Shepard.

Fabricação Avançada de Semicondutores

O implante BISC foi fabricado usando a tecnologia BCD de 0,13 µm da TSMC. Esse método de fabricação combina três tecnologias semicondutoras em um único chip para produzir circuitos integrados mistos-sinais (ICs). Ele permite que a lógica digital (do CMOS), funções analógicas de alta corrente e alta tensão (de transistores bipolares e DMOS) e dispositivos de potência (do DMOS) operem juntos de maneira eficiente, todos essenciais para o desempenho do BISC.

Movendo-se do Laboratório para o Uso Clínico

Para transitar o sistema para uso médico no mundo real, o grupo de Shepard se associou a Youngerman no NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center. Eles desenvolveram procedimentos cirúrgicos para colocar o implante fino de forma segura em um modelo pré-clínico e confirmaram que o dispositivo produzia gravações de alta qualidade e estáveis. Estudos intraoperatórios de curto prazo em pacientes humanos já estão em andamento.

“Esses estudos iniciais nos fornecem dados inestimáveis sobre como o dispositivo funciona em um ambiente cirúrgico real”, diz Youngerman. “Os implantes podem ser inseridos através de uma incisão minimamente invasiva no crânio e deslizados diretamente sobre a superfície do cérebro no espaço subdural. A forma extremamente fina e a falta de eletrodos ou fios penetrantes no cérebro que ligam o implante ao crânio minimizam a reatividade do tecido e a degradação do sinal ao longo do tempo.”

Extensos trabalhos pré-clínicos nos córtices motor e visual foram realizados com o Dr. Tolias e Bijan Pesaran, professor de neurocirurgia na Universidade da Pensilvânia, ambos reconhecidos como líderes em neurociência computacional e de sistemas.

“A miniaturização extrema do BISC é muito empolgante como plataforma para novas gerações de tecnologias implantáveis que também interagem com o cérebro com outras modalidades como luz e som”, diz Pesaran.

O BISC foi desenvolvido por meio do programa Neural Engineering System Design da Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) e se baseia na profunda experiência da Columbia em microeletrônicos, 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 do uso prático, os pesquisadores da Columbia e Stanford criaram a Kampto Neurotech, uma startup fundada pelo discípulo de engenharia elétrica da Columbia, Dr. Nanyu Zeng, um dos engenheiros principais 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 possui capacidades tecnológicas que superam as de dispositivos concorrentes por ordens de magnitude.”

À medida que a inteligência artificial continua a avançar, as BCIs estão ganhando impulso tanto para restaurar habilidades perdidas em pessoas com distúrbios neurológicos quanto para possíveis aplicações futuras que aprimoram a função normal por meio da comunicação direta cérebro-computador.

“Ao combinar gravação neural ultra-alta resolução com operação totalmente sem fio, e emparelhando isso com algoritmos avançados de decodificação e estimulação, estamos avançando para um futuro em que o cérebro e os sistemas de IA podem interagir perfeitamente — não apenas para pesquisa, mas para benefício humano”, diz Shepard. “Isso pode mudar como tratamos distúrbios cerebrais, como interagimos com máquinas e, em última instância, como os humanos se envolvem com a IA.”