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原文链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2025/12/251209234139.htm
原文作者：Columbia University School of Engineering and Applied Science
一项新的大脑植入物技术有望显著改变人们与计算机的交互方式，同时为癫痫、脊髓损伤、肌萎缩侧索硬化症（ALS）、中风和失明等疾病带来新的治疗可能性。通过建立一个微创、高通量的大脑通信路径，它有潜力支持癫痫控制，并帮助恢复运动、言语和视觉能力。
这项技术的承诺在于其极小的尺寸和极高的数据传输速度。该设备是哥伦比亚大学、纽约长老会医院、斯坦福大学和宾夕法尼亚大学合作开发的脑机接口（BCI），围绕单个硅芯片构建。该芯片在人脑和外部计算机之间形成了无线、高带宽的连接。该系统被称为生物接口系统到皮层（Biological Interface System to Cortex, BISC）。
12月8日发表在《自然电子学》（Nature Electronics）上的一项研究概述了BISC的架构，包括芯片植入物、一个可穿戴的“中继站”以及运行该平台的必要软件。哥伦比亚大学电气工程劳氏教授、生物医学工程教授和神经科学教授肯·谢泼德（Ken Shepard）是该研究的资深作者之一，并领导了工程工作。他说："大多数植入式系统都是围绕一个占据体内巨大空间的电子元件罐子构建的。我们的植入物是一个单一的集成电路芯片，它非常薄，可以滑入大脑和头骨之间的空间，像一张湿的薄纸一样贴在脑组织上。"
将皮层转变为高带宽接口
谢泼德与斯坦福大学拜尔斯眼科研究所教授、Enigma项目联合创始主任、该研究的资深及通讯作者之一安德烈亚斯·S·托利亚斯（Andreas S. Tolias）博士紧密合作。托利亚斯在利用大规模神经记录（包括通过BISC收集的记录）训练人工智能系统方面拥有丰富的经验，这帮助团队分析了植入物解码脑活动的效果。托利亚斯表示："BISC将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之间高带宽、微创的读写通信。" 他补充道："其单芯片可扩展性为适应性神经假体和脑机接口铺平了道路，可用于治疗许多神经精神疾病，例如癫痫。"
哥伦比亚大学神经外科学助理教授、纽约长老会/哥伦比亚大学欧文医疗中心神经外科医生布雷特·扬格曼（Brett Youngerman）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潜力彻底改变从癫痫到瘫痪的神经系统疾病的管理。" 扬格曼、谢泼德和纽约长老会/哥伦比亚大学的癫痫神经学家凯瑟琳·舍冯（Catherine Schevon）博士最近获得了美国国立卫生研究院（NIH）的资助，将使用BISC治疗耐药性癫痫。扬格曼补充道："有效的脑机接口设备的关键在于最大化信息流进出大脑，同时使设备在手术植入时尽可能微创。BISC在这两个方面都超越了现有技术。"
谢泼德说："半导体技术使这一切成为可能，它将以往占据整个房间的计算机的处理能力现在容纳到了你的口袋里。" 他表示："我们现在正在对医疗植入物做同样的事情，使复杂的电子设备能够在体内存在，同时几乎不占用空间。"
下一代BCI工程
BCI通过连接神经元用于通信的电信号来工作。目前的医用级BCI通常依赖于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式容器中，通过移除部分头骨或植入身体的其他部位（如胸部）来放置，导线则延伸至大脑。
BISC的构建方式不同。整个系统都驻留在单个互补金属氧化物半导体（CMOS）集成电路上，该电路被减薄至50 μm，占标准植入物体积的不到千分之一。该柔性芯片的总体积约为3 mm3，可以弯曲以匹配大脑表面。这个微皮层脑电图（µECoG）设备包含65,536个电极、1,024个记录通道和16,384个刺激通道。由于该芯片是使用半导体行业的制造方法生产的，因此适合大规模生产。
该芯片集成了射频收发器、无线电源电路、数字控制电子设备、电源管理、数据转换器以及用于记录和刺激的模拟组件。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，该链路速率可达100 Mbps，吞吐量比目前任何其他无线BCI高出至少100倍。中继站作为一个802.11 WiFi设备运行，有效地将任何计算机与植入物连接起来。
BISC包含自己的指令集以及一个全面的软件环境，形成了一个用于大脑接口的专业计算系统。这项研究中展示的高带宽记录使得大脑信号可以被先进的机器学习和深度学习算法处理，这些算法可以解释复杂的意图、感知体验和大脑状态。
谢泼德说："通过将所有组件集成到一块硅片上，我们展示了大脑接口如何变得更小、更安全、功能更强大。"
先进的半导体制造
BISC植入物是使用台积电（TSMC）的0.13-μm双极CMOS-DMOS (BCD) 技术制造的。这种制造方法将三种半导体技术集成到一块芯片上，以生产混合信号集成电路（IC）。它使得数字逻辑（来自CMOS）、大电流和高压模拟功能（来自双极和DMOS晶体管）以及功率器件（来自DMOS）能够高效地协同工作，这些都是BISC性能所必需的。
从实验室走向临床应用
为了使该系统向实际医疗应用过渡，谢泼德的团队与纽约长老会/哥伦比亚大学欧文医疗中心的扬格曼合作。他们开发了在临床前模型中安全放置该薄型植入物的手术程序，并确认了该设备能产生高质量、稳定的记录。针对人体的短期术中研究已经开始。
扬格曼说："这些初步研究为我们提供了关于设备在真实手术环境中表现的宝贵数据。" 他解释道："植入物可以通过头骨上的微创切口植入，并直接滑到大脑表面的硬脑膜下空间。这种纸一样薄的外形以及没有穿透大脑的电极或连接到头骨的导线，最大限度地减少了组织反应和信号随时间的衰减。"
在运动皮层和视觉皮层进行的广泛临床前工作，是与宾夕法尼亚大学神经外科学教授比詹·佩萨兰（Bijan Pesaran）博士合作完成的，佩萨兰博士是计算和系统神经科学领域的公认领导者。
佩萨兰说："BISC的极端小型化对于新一代植入式技术来说非常令人兴奋，这些技术还可以通过光和声音等其他模式与大脑进行接口。"
BISC是通过国防高级研究计划局（DARPA）的神经工程系统设计项目开发的，并借鉴了哥伦比亚大学在微电子领域的深厚专长、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疗中心的手术能力。
商业开发和未来AI集成
为了使该技术更接近实际应用，哥伦比亚大学和斯坦福大学的研究人员成立了Kampto Neurotech公司，这是一家由哥伦比亚大学电气工程校友、项目主要工程师之一南宇曾（Nanyu Zeng）博士创立的初创公司。该公司正在生产可供研究的芯片版本，并努力获取资金，以便为人体患者使用该系统做准备。
曾博士说："这是构建BCI设备的一种根本不同的方式。" 他表示："从这个角度来看，BISC的技术能力在许多数量级上都超过了竞争设备。"
随着人工智能的不断发展，BCI在帮助神经系统疾病患者恢复失去的能力方面以及在通过直接脑机通信增强正常功能等潜在的未来应用方面，正变得越来越重要。
谢泼德总结道："通过将超高分辨率的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，更为了人类的福祉。" 他补充道："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，以及最终人类与人工智能互动的方式。"
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