VOLVER A VER O A OÍR CON UN IMPLANTE CEREBRAL INALÁMBRICO

Un nuevo implante cerebral transformará la interacción humano-ordenador y ampliará las posibilidades de tratamiento para afecciones neurológicas como la epilepsia, las lesiones medulares, la ELA, los accidentes cerebrovasculares y la ceguera, ayudando a controlar las convulsiones y a restaurar la función motora, del habla y visual. Esto se logra mediante un enlace de información mínimamente invasivo y de alto rendimiento que se conecta directamente con el cerebro.

El potencial transformador de este nuevo sistema reside en su pequeño tamaño y su capacidad para transferir datos a alta velocidad. Desarrollado por investigadores de la Universidad de Columbia, el Hospital Presbiteriano de Nueva York, la Universidad de Stanford y la Universidad de Pensilvania, esta interfaz cerebro-ordenador (BCI, por sus siglas en inglés: Brain-Computer Interfaz) se basa en un único chip de silicio para establecer una conexión inalámbrica de alto ancho de banda entre el cerebro y cualquier ordenador. La nueva plataforma se denomina Sistema de Interfaz Biológica con la Corteza Cerebral (BISC, por sus siglas en inglés: Biological Interface System to Cortex).

Descrita en un estudio publicado el 8 de diciembre en Nature Electronics, BISC incluye un implante de un solo chip, una estación de retransmisión portátil y el software personalizado necesario para operar el sistema. "La mayoría de los sistemas implantables se construyen alrededor de un contenedor de componentes electrónicos que ocupa enormes volúmenes de espacio dentro del cuerpo", dice  Ken Shepard, profesor de  Ingeniería Eléctrica,  de ingeniería biomédica y de ciencias neurológicas en la Universidad de Columbia, uno de los autores principales del trabajo y coordinador de los desarrollos de ingeniería. "Nuestro implante es un solo chip de circuito integrado que es tan delgado que puede deslizarse en el espacio entre el cerebro y el cráneo, descansando sobre el cerebro como un trozo de papel tisú húmedo", añade.

La nueva plataforma tuvo en la figura de Andreas S. Tolias, profesor del Byers Eye Institute  en la Universidad de Stanford y director cofundador del Proyecto Enigma a otro autor principal, en este caso en el ámbito del software. El trabajo pionero de Tolias entrenando modelos de IA en conjuntos de datos neuronales a gran escala, incluidos conjuntos de datos utilizando el proio BISC, permitió al equipo evaluar el rendimiento de decodificación neuronal del dispositivo.

La nueva plataforma tuvo en la figura de Andreas S. Tolias, profesor del Byers Eye Institute  en la Universidad de Stanford y director cofundador del Proyecto Enigma a otro autor principal, en este caso en el ámbito del software. El trabajo pionero de Tolias entrenando modelos de IA en conjuntos de datos neuronales a gran escala, incluidos conjuntos de datos utilizando el proio BISC, permitió al equipo evaluar el rendimiento de decodificación neuronal del dispositivo.

"BISC convierte la superficie cortical en un portal efectivo, proporcionando comunicación de lectura-escritura mínimamente invasiva de alto ancho de banda con IA y dispositivos externos", dice Tolias. "Su escalabilidad de un solo chip allana el camino para neuroprótesis adaptativas e interfaces cerebro-IA para tratar muchos trastornos neuropsiquiátricos, como la epilepsia".

El Dr.  Brett Youngerman , profesor adjunto de  neurocirugía en la Universidad de Columbia y neurocirujano en el Centro Médico Irving de la Universidad de Nueva York-Presbiteriana/Columbia, fue el principal colaborador clínico del proyecto. "Este dispositivo de alta resolución y alto rendimiento de datos tiene el potencial de revolucionar el tratamiento de afecciones neurológicas, desde la epilepsia hasta la parálisis", afirma.

Youngerman, Shepard y  la neuróloga especialista en epilepsia de la Universidad de Nueva York-Presbiteriana/Columbia, la Dra.  Catherine Schevon, recibieron recientemente una subvención de los Institutos Nacionales de la Salud para implementar BISC en el tratamiento de la epilepsia resistente a los medicamentos. "La clave para que los dispositivos de interfaz cerebro-ordenador sean eficaces es maximizar el flujo de información hacia y desde el cerebro, al tiempo que se hace que el dispositivo sea lo menos invasivo posible en su implantación quirúrgica. BISC supera la tecnología anterior en ambos frentes", continúa Youngerman.

“La tecnología de semiconductores lo ha hecho posible, permitiendo que la potencia de procesamiento de ordenadores del tamaño de una habitación ahora quepa en un bolsillo”, afirma Shepard. “Ahora estamos haciendo lo mismo con los implantes médicos, permitiendo que dispositivos electrónicos complejos existan en el cuerpo prácticamente sin ocupar espacio.”

Más pequeño, más seguro y más rápido

Las interfaces cerebro-ordenador (BCI) funcionan interactuando con las señales eléctricas que las neuronas utilizan para transferir información a través del cerebro. Hasta ahora los últimos modelos de BCI utilizados en contextos médicos se construyen con componentes microelectrónicos individuales, como amplificadores, convertidores de datos, transmisores de radio y circuitos de gestión de energía. Para alojar todos estos dispositivos, se debe implantar quirúrgicamente un contenedor de componentes electrónicos en el cuerpo, ya sea extirpando una porción del cráneo o colocando el dispositivo en otra ubicación, como el tórax, y conectando cables al cerebro.

Pero el Sistema de Interfaz Biológica con la Corteza Cerebral (BISC) funciona de forma diferente. El implante completo, que ocupa menos de una milésima parte del tamaño de un dispositivo convencional, es un único chip de circuito integrado de semiconductor de óxido metálico complementario reducido de tan solo 50 μm. Con un volumen total de aproximadamente 3 mm³, el chip flexible se adapta a la superficie del cerebro. Este dispositivo de microelectrocorticografía (µECoG) integra 65.536 electrodos, 1.024 canales de registro simultáneo y 16.384 canales de estimulación. Al aprovechar las técnicas de fabricación a gran escala desarrolladas en la industria de los semiconductores, estos implantes pueden fabricarse fácilmente en grandes cantidades, lo que abarata significativamente su precio.

El implante de un solo chip incluye un transceptor de radio, un circuito de alimentación inalámbrica, control digital, gestión de energía, conversión de datos y los circuitos analógicos necesarios para las interfaces de registro y estimulación. La estación repetidora, alimentada por batería, alimenta el implante y se comunica con él, transfiriendo datos mediante un enlace de radio de banda ultraancha personalizado que alcanza anchos de banda de 100 Mbps, una conexión con un rendimiento al menos 100 veces superior al de cualquier dispositivo BCI inalámbrico anterior. La estación repetidora es en sí misma un dispositivo WiFi 802.11, que establece una conexión de red inalámbrica retransmitida desde cualquier ordenador al cerebro.

BISC cuenta con su propio conjunto de instrucciones, respaldado por una extensa pila de software, que en conjunto constituye una arquitectura informática diseñada para BCI. Como se demuestra en este estudio, estas capacidades de registro de alto ancho de banda permiten enviar patrones de señales cerebrales a marcos avanzados de aprendizaje automático o aprendizaje profundo para decodificar intenciones, percepciones o estados complejos.

 “Al integrar todo en una sola pieza de silicio, hemos demostrado cómo las interfaces cerebrales pueden volverse más pequeñas, más seguras y mucho más potentes”, afirma Shepard.

El implante BISC se fabricó utilizando la versátil tecnología Bipolar-CMOS-DMOS (BCD) de 0,13 μm de TSMC. Este proceso de fabricación integra tres tecnologías en un solo chip para crear circuitos integrados (CI) de señal mixta. Esta integración permite la combinación eficiente de lógica digital (de CMOS), funciones analógicas de alta corriente y alto voltaje (de transistores bipolares y DMOS) y dispositivos de potencia (de DMOS), todos ellos esenciales para el BISC.

Del laboratorio a la clínica

Para poner esta tecnología a disposición de médicos y pacientes, el grupo de Shepard colaboró ​​estrechamente con Youngerman en el Centro Médico Irving de la Universidad de Columbia/Presbiteriano de Nueva York. Juntos, perfeccionaron los métodos quirúrgicos para implantar de forma segura el dispositivo, extremadamente fino, en un modelo preclínico y demostraron su calidad y estabilidad de registro, como se describe en el estudio actual. Se están realizando estudios en pacientes humanos para realizar registros intraoperatorios a corto plazo.

“Estos estudios iniciales nos proporcionan datos muy valiosos sobre el rendimiento del dispositivo en un entorno quirúrgico real”, afirma Youngerman. “Los implantes pueden insertarse mediante una incisión mínimamente invasiva en el cráneo y deslizarse directamente sobre la superficie cerebral en el espacio subdural. Su forma ultradelgada y la ausencia de electrodos o cables que penetren el cerebro para mantenerlos sujetos al cráneo minimizan la reactividad tisular y la degradación de la señal con el tiempo.”

Las extensas pruebas preclínicas de BISC en las cortezas motora y visual se basaron en colaboraciones con el Dr. Tolias y  Bijan Pesaran, profesor de  neurocirugía en la Universidad de Pensilvania, ambos líderes en neurociencia computacional y de sistemas.

“La miniaturización extrema de BISC es extraordinariamente valiosa como plataforma para nuevas generaciones de tecnologías implantables que también interactúan con el cerebro con otras modalidades como la luz y el sonido”, afirma Pesaran.

Desarrollado bajo el programa de Diseño de Sistemas de Ingeniería Neural de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA), BISC combina las fortalezas de Columbia en microelectrónica, la neurociencia de vanguardia de Stanford y Penn, y la innovación quirúrgica del NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center.

Hacia aplicaciones en el mundo real

Para acelerar la inmersión práctica, los equipos de Columbia y Stanford lanzaron Kampto Neurotech , una empresa derivada fundada por el Dr. Nanyu Zeng, exalumno de ingeniería eléctrica de Columbia, uno de los ingenieros principales del proyecto. Kampto Neurotech está desarrollando versiones comerciales del chip para aplicaciones de investigación preclínica y recaudando fondos para avanzar el sistema hacia el uso humano

“Esta es una forma fundamentalmente diferente de construir dispositivos BCI”, afirma Zeng. “De esta manera, BISC posee capacidades tecnológicas que superan con creces las de los dispositivos preexistentes.”

En un panorama tecnológico impulsado por los avances en inteligencia artificial, las tecnologías BCI han despertado un considerable interés recientemente, tanto para restaurar la función de aquellos afectados por afecciones neurológicas como para aumentar potencialmente las capacidades humanas al proporcionar interfaces directas con el cerebro.

“Al combinar la grabación neuronal de ultraalta resolución con un funcionamiento totalmente inalámbrico, y combinarlo con algoritmos avanzados de decodificación y estimulación, avanzamos hacia un futuro donde el cerebro y los sistemas de IA puedan interactuar fluidamente, no solo para la investigación, sino también para el beneficio humano”, afirma Shepard. “Esto podría cambiar la forma en que tratamos los trastornos cerebrales, cómo interactuamos con las máquinas y, en última instancia, cómo los humanos interactúan con la IA.”

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