Ученые представили крошечный чип для мозга, который в реальном времени транслирует мысли. Тончайшая кремниевая имплантация создает быстрый беспроводной путь между мозгом и ИИ, открывая новые возможности для восстановления утраченных функций.

Новый имплантат в мозг может существенно изменить взаимодействие людей с компьютерами и предложить новые варианты лечения таких состояний, как эпилепсия, травма спинного мозга, БАС, инсульт и слепота. Создавая минимально инвазивный канал связи с высокой пропускной способностью, он потенциально может способствовать контролю припадков и помогать восстанавливать моторные, речевые и зрительные способности.

Обещание этой технологии заключается в ее исключительно малых размерах в сочетании со способностью передавать данные на очень высоких скоростях. Разработанный в результате сотрудничества между Колумбийским университетом, клиникой NewYork-Presbyterian, Стэнфордским университетом и Пенсильванским университетом, устройство представляет собой интерфейс «мозг-компьютер» (BCI), построенный вокруг одного кремниевого чипа. Этот чип формирует беспроводную канализацию высокой пропускной способности между мозгом и внешними компьютерами. Система называется Biological Interface System to Cortex (BISC).

Описание технологии

Статья, опубликованная 8 декабря в Nature Electronics, описывает архитектуру BISC, в которой представлены имплантат на базе чипа, носимая «ретрансляционная станция» и программное обеспечение, необходимое для работы платформы. «Большинство имплантируемых систем строится вокруг канистры с электроникой, которая занимает огромный объем внутри тела», — говорит Кен Шепард, профессор электротехники по специальной программе Lau Family, профессор биомедицинской инженерии и профессор неврологических наук в Колумбийском университете, один из старших авторов и руководитель инженерной работы. «Наш имплантат — это один интегрированный микросхемный чип, который настолько тонкий, что его можно подвести в пространство между мозгом и черепом, он лежит на поверхности мозга как кусок влажной бумаги».

Преобразование коры в интерфейс с высокой пропускной способностью

Шепард тесно работал с соавтором и соответствующим автором Андреасом С. Толиясом, профессором в Byers Eye Institute при Стэнфордском университете и сооснователем проекта Enigma. Большой опыт Толияса в обучении систем ИИ на масштабных нейронных записях, включая данные, собранные с помощью BISC, помог команде проанализировать, насколько хорошо имплантат может декодировать активность мозга. «BISC превращает поверхность коры в эффективный портал, обеспечивая высокоскоростную минимально инвазивную двунаправленную связь с ИИ и внешними устройствами», — говорит Толияс. «Его масштабируемость на базе одного чипа прокладывает путь для адаптивных нейропротезов и интерфейсов мозг‑ИИ для лечения многих нейропсихиатрических расстройств, таких как эпилепсия».

Клиническое применение

Доктор Бретт Янгерман, доцент нейрохирургии в Колумбийском университете и нейрохирург в NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center, был главным клиническим сотрудником проекта. «Это устройство с высоким разрешением и высокой пропускной способностью данных имеет потенциал революционизировать ведение неврологических состояний от эпилепсии до паралича», — говорит он. Янгерман, Шепард и эпилептолог из NewYork-Presbyterian/Columbia доктор Кэтрин Шевон недавно получили грант Национальных институтов здоровья для использования BISC при лечении лекарственно-резистентной эпилепсии. «Ключ к эффективным устройствам интерфейса мозг‑компьютер — максимизировать поток информации в мозг и из мозга, при этом делая имплантат максимально минимально инвазивным при хирургической имплантации. BISC превосходит предыдущие технологии по обоим этим показателям», — добавляет Янгерман.

Технические детали BISC

BCI функционируют, подключаясь к электрическим сигналам, которыми нейроны обмениваются между собой. Современные медицинские BCI обычно полагаются на несколько отдельных микроэлектронных компонентов, таких как усилители, преобразователи данных и радиопередатчики. Эти части должны размещаться в относительно большой имплантируемой канистре, помещаемой либо путем удаления части черепа, либо в другой части тела, например в грудной клетке, с проводами, идущими к мозгу.

BISC устроен иначе. Вся система размещена на одном интегральном чипе на базе технологии комплементарного металл‑оксид‑полупроводника (CMOS), который был истончён до 50 мкм и занимает менее 1/1000 объема стандартного имплантата. При общем объеме около 3 мм3 гибкий чип может изгибаться, чтобы соответствовать поверхности мозга. Это устройство микроэлектрокортикографии (µECoG) содержит 65 536 электродов, 1 024 каналов записи и 16 384 каналов стимуляции. Поскольку чип производится с использованием методов полупроводникового производства, он пригоден для крупномасштабного производства.

Чип интегрирует радиопередатчик‑приемник, схему беспроводного питания, цифровую управляющую электронику, управление питанием, преобразователи данных и аналоговые компоненты, необходимые как для записи, так и для стимуляции. Внешняя ретрансляционная станция обеспечивает питание и передачу данных через специальную ультраширокополосную радиосвязь со скоростью до 100 Мбит/с — пропускная способность как минимум в 100 раз выше, чем у любых других беспроводных BCI на сегодняшний день. Работая как устройство 802.11 Wi‑Fi, ретрансляционная станция эффективно связывает любой компьютер с имплантатом.

Будущее технологий

Имплантат BISC был изготовлен с использованием технологии TSMC 0,13‑µm Bipolar‑CMOS‑DMOS (BCD). Этот метод производства объединяет три полупроводниковые технологии в одном чипе для создания смешанных сигнальных интегральных схем (ИС). Он позволяет цифровой логике (из CMOS), мощным аналоговым функциям с высоким током и высоким напряжением (из биполярных и DMOS‑транзисторов) и силовым устройствам (из DMOS) эффективно работать вместе, все из которых необходимы для производительности BISC.

Чтобы перевести систему в реальное медицинское применение, группа Шепарда сотрудничала с Янгерманом в NewYork‑Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center. Они разработали хирургические процедуры для безопасного размещения тонкого имплантата в доклинической модели и подтвердили, что устройство выдает высококачественные стабильные записи. Короткие внутриоперационные исследования на людях уже проводятся.

«Эти первоначальные исследования дают нам бесценные данные о том, как устройство работает в реальной хирургической обстановке», — говорит Янгерман. «Имплантаты можно вставлять через минимально инвазивный разрез в черепе и подводить непосредственно к поверхности мозга в субдуральное пространство. Бумажно‑тонкая форма и отсутствие электродов, проникающих в мозг, или проводов, прикрепляющих имплантат к черепу, минимизируют реакцию тканей и деградацию сигнала со временем».

Обширные доклинические работы в моторной и зрительной коре были проведены с участием доктора Толияса и Бижана Песарана, профессора нейрохирургии в Пенсильванском университете, обоих признанных лидеров в вычислительной и системной нейронауке.

«Экстремальная миниатюризация BISC очень вдохновляет как платформа для новых поколений имплантируемых технологий, которые также могут взаимодействовать с мозгом через другие модальности, такие как свет и звук», — говорит Песаран.

Сотрудничество и развитие технологии

BISC был разработан в рамках программы Neural Engineering System Design (NESD) Агентства перспективных оборонных прикладных исследовательских проектов (DARPA) и опирается на глубокую экспертизу Колумбии в микроэлектронике, продвинутые программы нейронауки Стэнфорда и Пенна и хирургические возможности NewYork‑Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center.

Чтобы приблизить технологию к практическому использованию, исследователи из Колумбии и Стэнфорда создали Kampto Neurotech, стартап, основанный выпускником электротехники Колумбийского университета доктором Нанью Зенгом, одним из ведущих инженеров проекта. Компания производит исследовательские версии чипа и работает над привлечением финансирования для подготовки системы к использованию у пациентов.

«Это принципиально иной способ создания BCI‑устройств», — говорит Зенг. «В этом отношении BISC обладает технологическими возможностями, которые превосходят конкурирующие устройства на многие порядки».

По мере дальнейшего развития искусственного интеллекта BCI набирают обороты как для восстановления утраченных способностей у людей с неврологическими нарушениями, так и для потенциальных будущих применений, которые могут улучшать нормальную функцию посредством прямой связи мозг‑компьютер.

«Комбинируя ультравысокое разрешение нейронной записи с полностью беспроводной работой и сочетая это с передовыми алгоритмами декодирования и стимуляции, мы движемся к будущему, где мозг и системы ИИ могут взаимодействовать бесшовно — не только для исследований, но и на благо человека», — говорит Шепард. «Это может изменить подход к лечению заболеваний мозга, способ взаимодействия с машинами и в конечном счете то, как люди взаимодействуют с ИИ».

Авторы и ссылка на исследование

Taesung Jung, Nanyu Zeng, Jason D. Fabbri, Guy Eichler, Zhe Li, Erfan Zabeh, Anup Das, Konstantin Willeke, Katie E. Wingel, Agrita Dubey, Rizwan Huq, Mohit Sharma, Yaoxing Hu, Girish Ramakrishnan, Kevin Tien, Paolo Mantovani, Abhinav Parihar, Heyu Yin, Denise Oswalt, Alexander Misdorp, Ilke Uguz, Tori Shinn, Gabrielle J. Rodriguez, Cate Nealley, Tjitse van der Molen, Sophia Sanborn, Ian Gonzales, Michael Roukes, Jeffrey Knecht, Kenneth S. Kosik, Daniel Yoshor, Peter Canoll, Eleonora Spinazzi, Luca P. Carloni, Bijan Pesaran, Saumil Patel, Joshua Jacobs, Brett Youngerman, R. James Cotton, Andreas Tolias, Kenneth L. Shepard. «A wireless subdural-contained brain–computer interface with 65,536 electrodes and 1,024 channels.» Nature Electronics, 2025; DOI: 10.1038/s41928-025-01509-9