Un impianto cerebrale ultrasottile chiamato BISC introduce una nuova generazione di interfacce cervello‑computer: wireless, ad altissima risoluzione e minimamente invasive. Grazie a oltre 65.000 elettrodi e a una comunicazione a banda ultralarga, questa tecnologia promette progressi decisivi nel trattamento di epilessia, paralisi e altri disturbi neurologici, aprendo la strada a un’interazione diretta e avanzata tra cervello e IA
Chip di silicio nel cervello: nasce una nuova era delle interfacce neurali.
Un nuovo impianto cerebrale promette di trasformare l’interazione uomo-computer ed espandere le possibilità di trattamento per condizioni neurologiche come epilessia, lesioni del midollo spinale, SLA, ictus e cecità – aiutando a gestire le crisi epilettiche e a ripristinare le funzioni motorie, del linguaggio e visive. Questo avviene fornendo un collegamento informativo minimamente invasivo e ad alta capacità direttamente da e verso il cervello.
Il potenziale trasformativo di questo nuovo sistema risiede nelle sue dimensioni ridotte e nella capacità di trasferire dati ad alte velocità. Sviluppata da ricercatori della Columbia University, del NewYork-Presbyterian, della Stanford University e dell’University of Pennsylvania, questa interfaccia cervello-computer (brain-computer interface - BCI) si basa su un singolo chip di silicio per stabilire una connessione wireless ad ampia larghezza di banda tra il cervello e qualsiasi computer esterno. La piattaforma è chiamata Biological Interface System to Cortex (BISC).
Sistema di Interfaccia Biologica alla Corteccia
Descritto in uno studio pubblicato su Nature Electronics (1), BISC include un impianto a chip singolo, una “stazione di rilancio” indossabile e il software personalizzato necessario per far funzionare il sistema. «La maggior parte dei sistemi impiantabili è costruita attorno a un contenitore di componenti elettronici che occupa enormi volumi di spazio all’interno del corpo», afferma il dottor Ken Shepard (2), Lau Family Professor of Electrical Engineering, professore di ingegneria biomedica e professore di scienze neurologiche alla Columbia University, uno degli autori senior del lavoro che ha guidato gli sforzi ingegneristici. «Il nostro impianto è un singolo chip a circuito integrato così sottile da poter scivolare nello spazio tra il cervello e il cranio, poggiando sul cervello come un pezzo di carta velina bagnata».
Il dottor Ken Shepard è stato affiancato nello sviluppo di BISC dall’autore senior e co-corrispondente Andreas S. Tolias (3), professore presso il Byers Eye Institute della Stanford University e co-direttore fondatore dell’Enigma Project. Il lavoro pionieristico di Tolias nell’addestramento di modelli di intelligenza artificiale su dataset neurali su larga scala - inclusi dataset registrati nel laboratorio di Tolias utilizzando BISC - ha permesso al team di valutare le prestazioni del dispositivo nel decodificare segnali neurali. «BISC trasforma la superficie corticale in un portale efficace, fornendo comunicazione in lettura-scrittura ad ampia larghezza di banda e minimamente invasiva con l’IA e dispositivi esterni», afferma Tolias. «La sua scalabilità a chip singolo apre la strada a neuroprotesi adattive e interfacce cervello-IA per trattare molti disturbi neuropsichiatrici, come l’epilessia».
Il dottor Brett Youngerman (4), professore assistente di chirurgia neurologica alla Columbia University e neurochirurgo presso il NewYork-Presbyterian - Columbia University Irving Medical Center, ha svolto il ruolo di principale collaboratore clinico del progetto. «Questo dispositivo ad alta risoluzione e ad alto throughput di dati (la quantità effettiva di dati che viene trasferita con successo attraverso una rete o un sistema in un determinato periodo di tempo) ha il potenziale per rivoluzionare la gestione delle condizioni neurologiche, dall’epilessia alla paralisi», afferma. Youngerman, Shepard e la dottoressa Catherine A. Schevon (5), neurologa dell’epilessia del NewYork-Presbyterian/Columbia, hanno recentemente ricevuto una sovvenzione dai National Institutes of Health per implementare BISC nella gestione dell’epilessia farmacoresistente. «La chiave per dispositivi efficaci di interfaccia cervello-computer è massimizzare il flusso di informazioni da e verso il cervello, rendendo al contempo il dispositivo il meno invasivo possibile nella sua impiantazione chirurgica. BISC supera la tecnologia precedente su entrambi i fronti», continua Youngerman.
«La tecnologia dei semiconduttori ha reso tutto questo possibile, permettendo alla potenza di calcolo di computer grandi quanto una stanza di entrare ora in tasca», afferma Shepard. «Ora stiamo facendo lo stesso per i dispositivi medici impiantabili, consentendo a componenti elettronici complessi di esistere nel corpo occupando quasi nessuno spazio».
Più piccolo, più sicuro e più veloce
Le BCI funzionano interfacciandosi con i segnali elettrici che i neuroni utilizzano per trasferire informazioni in tutto il cervello. Le attuali BCI allo stato dell’arte, utilizzate in contesti medici, sono costruite a partire da singoli componenti microelettronici, inclusi amplificatori, convertitori di dati, trasmettitori radio e circuiti di gestione dell’alimentazione. Per ospitare tutti questi dispositivi, un grande contenitore di componenti elettronici deve essere impiantato chirurgicamente nel corpo, rimuovendo una parte del cranio oppure posizionando il dispositivo in un’altra sede, come il torace, e facendo passare fili fino al cervello.
BISC funziona in modo diverso. L’intero impianto, che occupa meno di 1/1000 delle dimensioni di un dispositivo convenzionale, è un singolo chip a circuito integrato in tecnologia CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) assottigliato fino a soli 50 μm. Con un volume totale di circa 3 mm³, il chip flessibile si adatta alla superficie del cervello. Questo dispositivo di micro-elettrocorticografia (µECoG) integra 65.536 elettrodi, 1.024 canali di registrazione simultanea e 16.384 canali di stimolazione. Sfruttando le tecniche di produzione su larga scala sviluppate nell’industria dei semiconduttori, questi impianti possono essere facilmente realizzati su vasta scala.
L’impianto a chip singolo include un ricetrasmettitore radio, un circuito di alimentazione wireless, il controllo digitale, la gestione dell’alimentazione, la conversione dei dati e i circuiti analogici necessari a supportare le interfacce di registrazione e stimolazione. La stazione di rilancio alimentata a batteria fornisce energia e comunica con l’impianto, trasferendo dati tramite un collegamento radio a banda ultralarga personalizzato che raggiunge una larghezza di banda di 100 Mbps - una connessione con una capacità di throughput almeno 100 volte superiore rispetto a qualsiasi dispositivo BCI wireless concorrente. La stazione di rilancio è essa stessa un dispositivo WiFi 802.11, formando di fatto una connessione di rete wireless inoltrata da qualsiasi computer al cervello.
BISC ha un proprio set di istruzioni, supportato da un ampio stack software, che insieme costituiscono un’architettura di calcolo progettata per le BCI. Come dimostrato in questo studio, queste capacità di registrazione ad ampia larghezza di banda consentono di inviare i pattern dei segnali cerebrali a framework avanzati di machine learning o deep learning per decodificare intenzioni, percezioni o stati complessi.
«Integrando tutto in un unico pezzo di silicio, abbiamo mostrato come le interfacce cerebrali possano diventare più piccole, più sicure e drasticamente più potenti», afferma Shepard.
L’impianto BISC è stato realizzato utilizzando la versatile tecnologia Bipolar-CMOS-DMOS (BCD) da 0,13 μm di TSMC. Questo processo di produzione integra tre tecnologie su un singolo chip per creare circuiti integrati (IC) a segnali misti. Questa integrazione consente la combinazione efficiente della logica digitale (dal CMOS), delle funzioni analogiche ad alta corrente e alta tensione (dai transistor bipolari e DMOS) e dei dispositivi di potenza (dal DMOS), tutti elementi essenziali per BISC.
Dal laboratorio alla clinica
Per rendere questa tecnologia disponibile a medici e pazienti, il gruppo di Shepard ha collaborato strettamente con Youngerman presso il NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center. Insieme, hanno perfezionato metodi chirurgici per impiantare in sicurezza il dispositivo sottilissimo come carta in un modello preclinico e ne hanno dimostrato la qualità di registrazione e la stabilità, come descritto nello studio attuale. Studi su pazienti umani per registrazioni intraoperatorie a breve termine sono in corso.
«Questi studi iniziali ci forniscono dati inestimabili su come il dispositivo si comporta in un contesto chirurgico reale», afferma Youngerman. «Gli impianti possono essere inseriti attraverso un’incisione minimamente invasiva nel cranio e fatti scivolare direttamente sulla superficie del cervello nello spazio subdurale. Il fattore di forma sottilissimo come carta e l’assenza di elettrodi penetranti nel cervello o di fili che ancorano l’impianto al cranio riducono al minimo la reattività dei tessuti e il degrado del segnale nel tempo».
L’ampio test preclinico di BISC nelle cortecce motoria e visiva si è basato su collaborazioni sia con il dottor Tolias sia con Bijan Pesaran (6), professore di neurochirurgia presso l’Università della Pennsylvania, entrambi leader nelle neuroscienze computazionali e dei sistemi.
«La miniaturizzazione estrema ottenuta da BISC è molto entusiasmante come piattaforma per nuove generazioni di tecnologie impiantabili che interagiscono anche con il cervello attraverso altre modalità come luce e suono», afferma Pesaran.
Sviluppato nell’ambito del programma Neural Engineering System Design della Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), BISC combina le competenze della Columbia nella microelettronica, le neuroscienze all’avanguardia di Stanford e Penn, e l’innovazione chirurgica del NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center.
Verso applicazioni nel mondo reale
Per accelerare la traduzione, i team della Columbia e di Stanford hanno lanciato Kampto Neurotech (7), una società spin-off fondata dall’alumnus di ingegneria elettrica della Columbia, dottor Nanyu Zeng, uno dei principali ingegneri del progetto. Kampto Neurotech sta sviluppando versioni commerciali del chip per applicazioni di ricerca preclinica e raccogliendo fondi per far avanzare il sistema verso l’uso umano.
«Questo è un modo fondamentalmente diverso di costruire dispositivi BCI», racconta Zeng. «In questo modo, BISC ha capacità tecnologiche che superano quelle dei dispositivi concorrenti di molti ordini di grandezza».
In un panorama tecnologico guidato dai progressi dell’intelligenza artificiale, le tecnologie BCI hanno attirato un notevole interesse recente sia nel ripristinare la funzione in persone colpite da condizioni neurologiche sia nel potenzialmente aumentare le capacità umane fornendo interfacce dirette con il cervello.
«Combinando la registrazione neurale ad altissima risoluzione con un funzionamento completamente wireless, e abbinandola ad algoritmi avanzati di decodifica e stimolazione, ci stiamo muovendo verso un futuro in cui il cervello e i sistemi di IA possono interagire senza soluzione di continuità - non solo per la ricerca, ma per il beneficio umano», afferma Shepard. «Questo potrebbe cambiare il modo in cui trattiamo i disturbi cerebrali, il modo in cui interagiamo con le macchine e, in definitiva, il modo in cui gli esseri umani si rapportano all’IA».
Riferimenti:
(1) A wireless subdural-contained brain–computer interface with 65,536 electrodes and 1,024 channels
(2) Ken Shepard
(4) Brett Youngerman
(6) Pesaran Lab
(7) Kampto Neurotech
Descrizione foto: Realizzato come un singolo chip, il nuovo impianto è molto più veloce e più piccolo delle attuali interfacce cervello-computer all’avanguardia, offrendo l’opportunità di un trattamento più efficace di una serie di condizioni neurologiche. - Credit: Jane Nisselson.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Silicon Chips on the Brain: Researchers Announce a New Generation of Brain-Computer Interface
