一种新型脑植入装置有望革新人机交互模式，并拓宽癫痫、脊髓损伤、肌萎缩侧索硬化症、中风及失明等神经疾病的治疗前景——通过提供直接连接大脑的微创高吞吐量信息通道，该技术既能控制癫痫发作，又能恢复运动、语言及视觉功能。
该新型系统的变革潜力在于其体积小巧且具备高速数据传输能力。这项由哥伦比亚大学、纽约长老会医院、斯坦福大学及宾夕法尼亚大学研究人员联合开发的脑机接口（BCI）技术，仅需一枚硅芯片即可在人脑与外部计算机间建立无线高带宽连接。该平台被命名为“皮层生物接口系统”（BISC）。
“现有植入系统大多围绕电子元件罐体构建，占据体内巨大空间，”哥伦比亚大学电气工程劳氏讲席教授、生物医学工程与神经科学教授肯·谢泼德指出。作为该研究的资深作者之一，他主导了工程设计工作。“我们的植入物是一枚集成电路芯片，其厚度极薄，可滑入脑组织与颅骨间的空隙，如湿润的薄纸般贴附于脑部。”
谢泼德在BISC项目中与斯坦福大学眼科教授、Enigma项目联合创始人安德烈亚斯·S·托利亚斯博士（高级作者兼共同通讯作者）合作。托利亚斯在大型神经数据集（包括其实验室使用BISC记录的数据集）上训练人工智能模型的开创性工作，使团队得以评估该设备的神经解码性能。
托利亚斯表示：“BISC技术将皮质表面转化为高效通道，实现与人工智能及外部设备之间高带宽、微创的读写通信。”“其单芯片可扩展性为自适应神经假体和脑-AI接口铺平道路，有望治疗癫痫等多种神经精神疾病。”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·扬格曼博士担任该项目首席临床合作者。
“这款高分辨率、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模式，高效脑机接口设备的关键在于最大化大脑信息传输效率，同时实现微创手术植入。BISC在两方面均超越了现有技术，”扬格曼博士补充道。研究人员指出：“半导体技术使之成为可能——如今可将房间大小计算机的运算能力装进口袋。我们正将同样技术应用于医疗植入设备，让复杂电子元件在体内几乎不占空间地存在。”
这款微脑电图（µECoG）设备集成了65,536个电极、1,024个同步记录通道和16,384个刺激通道。通过运用半导体行业开发的大规模制造技术，这类植入物可轻松实现批量生产。
单芯片植入体包含无线收发器、无线供电电路、数字控制模块、电源管理单元、数据转换器及支持记录与刺激接口所需的模拟电路。电池供电的中继站为植入体供电并建立通信，通过定制超宽带无线链路传输数据，实现100Mbps数据带宽——其传输速率至少是任何竞争性无线BCI设备的100倍。
中继站本身即为802.11WiFi设备，实质上构建了从任意计算机到人脑的中继无线网络连接。BISC拥有专属指令集，并由庞大的软件堆栈支持，共同构成专为BCI设计的计算架构。本研究证实，这种高带宽记录能力可将脑信号模式输入先进机器学习或深度学习框架，从而解码复杂的意图、感知或状态。谢泼德表示：“通过将所有功能集成于单片硅芯片，我们证明了脑机接口如何实现更小巧、更安全且性能大幅提升。”
为使这项技术惠及医生和患者，谢泼德团队与纽约长老会/哥伦比亚大学欧文医学中心的扬格曼展开了紧密合作。正如本研究所述，双方共同完善了外科手术方法，在临床前模型中安全植入了这片纸薄般的装置，并验证了其记录质量与稳定性。目前针对人类患者的短期术中记录研究正在进行中。
“这些初步研究为我们提供了宝贵数据，揭示了设备在真实手术环境中的表现，”扬格曼表示。“植入物可通过颅骨微创切口植入，直接滑入硬膜下间隙的大脑表面。纸张般纤薄的结构设计，以及无需穿透大脑的电极或连接颅骨的导线，最大限度减少了组织反应性，并避免了随时间推移的信号衰减。”
BISC在运动皮层和视觉皮层的广泛临床前测试，得益于与托利亚斯博士及宾夕法尼亚大学神经外科教授比扬·佩萨兰的合作——二人均为计算与系统神经科学的领军人物。佩萨兰指出：“BISC实现的极致微型化令人振奋，它将成为新一代植入技术的平台，还能通过光、声等其他模态与大脑交互。”
