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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可能会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）、中风和失明等疾病提供新的治疗可能性。通过建立一个微创、高吞吐量的与大脑通信的通路，它有潜力支持癫痫控制，并帮助恢复运动、言语和视觉能力。
这项技术的承诺来自于其极小的尺寸以及以极高速度传输数据的能力。该设备由哥伦比亚大学、纽约长老会医院、斯坦福大学和宾夕法尼亚大学合作开发，是一个围绕单个硅芯片构建的脑机接口（BCI）。该芯片在人脑与外部计算机之间形成了一个无线、高带宽的链路。该系统被称为“生物接口系统到皮层”（Biological Interface System to Cortex，简称 BISC）。
发表在12月8日《自然电子学》（Nature Electronics）上的一项研究概述了BISC的架构，其中包括芯片植入物、一个可穿戴的“中继站”以及运行该平台所需的软件。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）是高级作者之一，并领导了工程工作。他表示：“大多数植入式系统都是围绕一个占据体内巨大空间电子元件舱构建的。我们的植入物是一个单一的集成电路芯片，非常薄，可以滑入大脑和头骨之间的空间，像一张湿润的餐巾纸一样附着在大脑上。”
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、高级通讯作者安德烈亚斯·S·托利亚斯博士（Andreas S. Tolias, PhD）密切合作。托利亚斯在利用大规模神经记录（包括用BISC收集的记录）训练人工智能系统方面的丰富经验，帮助团队分析了植入物对大脑活动的解码效果。“BISC将皮层表面变成了一个有效的门户，提供了高带宽、微创的与人工智能和外部设备进行读写通信的能力，”托利亚斯说。“其单芯片的可扩展性为适应性神经假体和脑机接口（BCI）治疗许多神经精神疾病（如癫痫）铺平了道路。”
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的神经外科医生布雷特·扬格曼博士（Dr. Brett Youngerman）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等神经系统疾病的管理方式。”扬格曼、谢泼德以及纽约长老会/哥伦比亚大学的癫痫神经学家凯瑟琳·谢文博士（Dr. Catherine Schevon）最近获得了一项美国国立卫生研究院（NIH）的资助，用于使用BISC治疗耐药性癫痫。“有效脑机接口设备的关键在于最大化与大脑之间信息流的进出，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，”扬格曼补充道。
“半导体技术使这一切成为可能，它使过去需要房间大小的计算机才能实现的计算能力现在可以装在你的口袋里，”谢泼德说。“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通过连接神经元用来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，例如放大器、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舱体中，要么通过移除部分头骨，要么放置在身体的其他部位（如胸部），并带有延伸到大脑的导线。
BISC的构建方式不同。整个系统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微米，占标准植入物体积的千分之一不到。该柔性芯片总尺寸约为3毫米3，可以弯曲以匹配大脑的表面。这种微型皮层脑电图（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，因此适用于大规模生产。
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，该链路速度可达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，形成了一个专用的脑接口计算系统。研究中展示的高带宽记录允许先进的机器学习和深度学习算法处理脑信号，这些算法可以解释复杂的意图、感知体验和大脑状态。
“通过将所有内容集成在一块硅片上，我们展示了脑接口如何变得更小、更安全、功能更强大，”谢泼德说。
先进的半导体制造
BISC植入物是使用台积电（TSMC）的0.13微米双极性-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单个芯片中，以生产混合信号集成电路（IC）。它允许数字逻辑（来自CMOS）、大电流和高压模拟功能（来自双极性和DMOS晶体管）以及功率器件（来自DMOS）高效地协同工作，所有这些对于BISC的性能都至关重要。
从实验室走向临床应用
为了将该系统过渡到实际医疗应用中，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。他们开发了手术程序，以便在临床前模型中安全地放置薄型植入物，并确认了该设备产生了高质量、稳定的记录。针对人体患者的短期术中研究已经在进行中。
“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，”扬格曼说。“这些植入物可以通过头骨上的微创切口插入，并直接滑到硬膜下腔的大脑表面。这种纸一样薄的外形尺寸以及没有穿透大脑的电极或将植入物束缚在头骨上的电线，最大限度地减少了组织反应和随时间推移的信号衰减。”
与计算和系统神经科学领域的公认领导者——宾夕法尼亚大学的计算和系统神经科学领域的公认领导者比詹·佩萨兰博士（Dr. Bijan Pesaran）一起，对运动皮层和视觉皮层进行了广泛的临床前研究。
佩萨兰说：“BISC在极端小型化方面非常令人兴奋，它为下一代植入技术提供了一个平台，这些技术还可以用光和声音等其他模式与大脑接口。”
BISC是通过国防高级研究计划局（DARPA）的神经工程系统设计计划开发的，它借鉴了哥伦比亚大学在微电子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疗中心的手术能力。
商业开发与未来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创建了Kampto Neurotech，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的南玉曾博士（Dr. Nanyu Zeng）创立的初创公司。该公司正在生产可用于研究的芯片版本，并正在努力筹集资金，为系统在人体患者中的使用做准备。
曾博士说：“这是构建BCI设备的一种根本不同的方式。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都获得了动力。
谢泼德总结道：“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，我们正朝着一个大脑和人工智能系统可以无缝交互的未来迈进——这不仅是为了研究，更是为了人类的福祉。这可能会改变我们治疗脑部疾病、与机器交互，以及最终人类与人工智能互动的方式。”
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