📢 转载信息
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
一种新型的脑部植入物有望显著改变人们与计算机的交互方式，并为癫痫、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。
这项技术的潜力源于其极小的尺寸以及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，是一种基于单个硅芯片的脑机接口（BCI）。该芯片在人脑和外部计算机之间建立了一个无线、高带宽的连接。该系统被称为“皮层生物接口系统”（Biological Interface System to Cortex, BISC）。
12月8日发表在《自然电子学》（Nature Electronics）上的一项研究详细介绍了BISC的架构，它包括芯片植入物、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的劳氏教授、生物医学工程教授兼神经科学教授肯·谢泼德（Ken Shepard）是高级作者之一，并领导了工程工作。他说：“大多数植入式系统都基于一个电子设备容器，它占据了体内巨大的空间。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，像一张湿的餐巾纸一样停留在大脑表面。”
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项目联合创始人兼执行董事安德烈亚斯·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在多大程度上能够解码大脑活动。“BISC将皮层表面变成了一个有效的门户，提供高带宽、微创的与AI和外部设备的读写通信，”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助理教授、纽约长老会/哥伦比亚大学欧文医学中心的神经外科医生布雷特·扬格曼博士（Dr. Brett Youngerman）担任了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。”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·谢冯博士（Dr. Catherine Schevon）最近获得了美国国立卫生研究院（NIH）的资助，以使用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的信息流动，同时使设备在手术植入方面尽可能微创。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，它让过去需要房间大小计算机才能实现的计算能力现在可以装在您的口袋里，”谢泼德说。“我们现在正在对医疗植入物做同样的事情，使复杂的电子设备可以在体内存在，同时几乎不占用空间。”
下一代BCI工程
BCI的工作原理是连接神经元用于通信的电信号。目前的医用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，该容器通过移除部分头骨或放置在身体其他部位（如胸部）来安装，并有导线延伸到大脑。
BISC的构建方式不同。整个系统都驻留在一个单一的互补金属氧化物半导体（CMOS）集成电路上，该电路被蚀刻到50微米的厚度，占据的标准植入物体积的千分之一以下。该柔性芯片的总尺寸约为3立方毫米，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制造方法生产的，因此适合大规模生产。
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。外部中继站通过一个定制的超宽带（UWB）无线电链路提供电源和数据通信，该链路的传输速率达到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拥有自己的指令集以及一个全面的软件环境，构成了一个专门用于脑机接口的计算系统。本研究中展示的高带宽记录使得大脑信号能够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。
“通过将所有内容集成到一块硅片上，我们展示了脑机接口如何变得更小、更安全、功能更强大，”谢泼德说。
先进的半导体制造
BISC植入物采用台积电（TSMC）的0.13微米双极CMOS-DMOS (BCD) 技术制造。这种制造方法将三种半导体技术组合到一个芯片中，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现实世界的医疗应用，谢泼德的团队与纽约长老会/哥伦比亚大学欧文医学中心的扬格曼合作。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，并确认该设备产生了高质量、稳定的记录。针对人体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。“植入物可以通过头骨上的微创切口插入，并直接滑入脑膜下的脑表面。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随时间推移的信号退化。”
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教授比詹·佩萨兰博士（Dr. Bijan Pesaran）一起，在运动皮层和视觉皮层进行了广泛的临床前研究。
“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方式与大脑接口，”佩萨兰说。
BISC是通过美国国防高级研究计划局（DARPA）的神经工程系统设计计划开发的，它汲取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学中心的手术能力。
商业开发与未来AI集成
为了让这项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宇曾博士（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，并致力于筹集资金，为该系统在人体患者中的使用做准备。
“这是构建BCI设备的一种根本不同的方式，”曾博士说。“从这个意义上讲，BISC的技术能力在多个数量级上超过了竞争设备。”
随着人工智能的不断发展，BCI在为神经系统疾病患者恢复丧失的能力以及在未来通过直接脑机通信增强正常功能的潜在应用方面正获得动力。
“通过将超高分辨率神经记录与完全无线操作相结合，并与先进的解码和刺激算法配对，我们正朝着一个大脑和AI系统可以无缝交互的未来迈进——不仅用于研究，更用于人类福祉，”谢泼德说。“这可能会改变我们治疗脑部疾病的方式、我们与机器的接口方式，以及最终人类与人工智能互动的方式。”
🚀 想要体验更好更全面的AI调用？
欢迎使用青云聚合API，约为官网价格的十分之一，支持300+全球最新模型，以及全球各种生图生视频模型，无需翻墙高速稳定，文档丰富，小白也可以简单操作。
评论区