Um novo implante cerebral poderia mudar drasticamente a forma como as pessoas interagem com os computadores, ao mesmo tempo que oferece novas opções de tratamento para doenças como epilepsia, lesões na medula espinhal, ELA, acidente vascular cerebral e cegueira. Ao criar uma via de comunicação minimamente invasiva e de alto rendimento para o cérebro, tem o potencial de apoiar o controle de convulsões e ajudar a restaurar as habilidades motoras, de fala e de visão.
A promessa desta tecnologia reside no seu tamanho extremamente pequeno combinado com a capacidade de transmitir dados a velocidades muito elevadas. O dispositivo, desenvolvido através de uma colaboração entre a Universidade de Columbia, o Hospital Presbiteriano de Nova York, a Universidade de Stanford e a Universidade da Pensilvânia, é uma interface cérebro-computador (BCI) construída em torno de um único chip de silício. Este chip forma um link sem fio de alta largura de banda entre o cérebro e computadores externos. O sistema é conhecido como Interface Biológica para Sistema Cortical (BISC).
Um estudo publicado em 8 de dezembro em Eletrônica da natureza descreve a arquitetura BISC, que inclui um implante baseado em chip, uma “estação retransmissora” vestível e o software necessário para operar a plataforma. “A maioria dos sistemas implantáveis são construídos em torno de um recipiente eletrônico que ocupa uma enorme quantidade de espaço dentro do corpo”, diz Ken Shepard, professor de engenharia elétrica da família Lau, professor de engenharia biomédica e professor de neurociência na Universidade de Columbia, que foi um dos autores seniores e liderou o trabalho de engenharia. “Nosso implante é um único chip de circuito integrado tão fino que pode deslizar para o espaço entre o cérebro e o crânio, repousando sobre o cérebro como um pedaço de papel de seda molhado”.
Transformando o córtex cerebral em uma interface de alto rendimento
Shepard trabalhou em estreita colaboração com o autor sênior e co-autor Andreas S. Tolias, Ph.D., professor do Byers Institute da Universidade de Stanford e diretor fundador do projeto Enigma. A vasta experiência de Tolias no treinamento de sistemas de inteligência artificial em gravações neurais em grande escala, incluindo aquelas coletadas com o BISC, ajudou a equipe a analisar quão bem o implante poderia decodificar a atividade cerebral. “O BISC transforma a superfície da cortiça num portal eficiente, proporcionando comunicação de leitura e escrita de alta largura de banda e minimamente invasiva com IA e dispositivos externos”, diz Tolias. “Sua escalabilidade de chip único abre caminho para neuropróteses adaptativas e interfaces cérebro-IA para tratar vários distúrbios neuropsiquiátricos, como a epilepsia.”
Dr. Brett Youngerman, professor associado de cirurgia neurológica na Universidade de Columbia e neurocirurgião do Centro Médico Irving da Universidade de Columbia, na cidade de Nova York, atuou como diretor clínico do projeto. “Este dispositivo de alta resolução e alto rendimento pode revolucionar o tratamento de doenças neurológicas, da epilepsia à paralisia”, diz ele. Youngerman, Shepard e a neurologista de epilepsia New York-Presbyterian/Columbia, Dra. Kathryn Shevon, receberam recentemente uma bolsa do National Institutes of Health para usar o BISC no tratamento da epilepsia resistente a medicamentos. “A chave para dispositivos eficazes de interface cérebro-computador é maximizar o fluxo de informações de e para o cérebro e, ao mesmo tempo, tornar o dispositivo o menos invasivo possível durante a implantação cirúrgica. O BISC supera a tecnologia anterior em ambas as frentes”, acrescenta Youngerman.
“A tecnologia de semicondutores tornou isso possível, de modo que o poder computacional de computadores do tamanho de uma sala agora cabe no seu bolso”, diz Shepard. “Agora estamos fazendo o mesmo com os implantes médicos, permitindo que componentes eletrônicos complexos existam no corpo sem ocupar espaço”.
Engenharia BCI de próxima geração
Os BCIs funcionam conectando-se a sinais elétricos usados pelos neurônios para se comunicarem. Os atuais BCIs de nível médico normalmente dependem de vários componentes microeletrônicos individuais, como amplificadores, conversores de dados e transmissores de rádio. Essas peças devem ser armazenadas em um recipiente implantável relativamente grande, colocado através da remoção de parte do crânio ou em outra parte do corpo, como o tórax, com fios que levam ao cérebro.
O BISC é construído de forma diferente. Todo o sistema está alojado em um circuito integrado adicional de semicondutor de óxido metálico (CMOS) que foi reduzido para 50 μm e ocupa menos de 1/1000 do volume de um implante padrão. Com um tamanho total de cerca de 3 mm3o chip flexível pode dobrar para se adaptar à superfície do cérebro. Este dispositivo de microeletrocorticografia (µECoG) contém 65.536 eletrodos, 1.024 canais de registro e 16.384 canais de estimulação. Como o chip é fabricado com técnicas da indústria de semicondutores, ele é adequado para produção em larga escala.
O chip integra o transmissor de rádio, circuito de energia sem fio, eletrônica de controle digital, gerenciamento de energia, conversores de dados e componentes analógicos necessários para gravação e estimulação. Uma estação retransmissora externa transmite energia e dados por meio de um link de rádio de banda ultralarga personalizado que atinge 100 Mbps, uma largura de banda pelo menos 100 vezes maior do que qualquer outra BCI sem fio atualmente disponível. Funcionando como um dispositivo WiFi 802.11, a estação retransmissora conecta efetivamente qualquer computador ao implante.
O BISC inclui seu próprio conjunto de instruções juntamente com um ambiente de software abrangente, formando um sistema de computação especializado para interfaces cerebrais. A gravação de alto rendimento demonstrada neste estudo permite que os sinais cerebrais sejam processados por máquinas avançadas e algoritmos de aprendizado profundo que podem interpretar intenções complexas, experiências perceptivas e estados cerebrais.
“Ao integrar tudo numa única peça de silício, mostrámos como as interfaces cerebrais podem tornar-se mais pequenas, mais seguras e muito mais poderosas”, diz Shepard.
Fabricação avançada de semicondutores
O implante BISC foi fabricado usando a tecnologia Bipolar-CMOS-DMOS (BCD) de 0,13 µm da TSMC. Este método de fabricação combina três tecnologias de semicondutores em um único chip para produzir circuitos integrados (ICs) de sinais mistos. Isso permite que lógica digital (de CMOS), funções analógicas de alta corrente e alta tensão (de transistores bipolares e DMOS) e dispositivos de potência (de DMOS) trabalhem juntos de forma eficiente, todos importantes para o desempenho do BISC.
Passando do laboratório para o uso clínico
Para traduzir o sistema para uso médico no mundo real, o grupo de Shepard fez parceria com Youngerman do New York Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center. Eles desenvolveram procedimentos cirúrgicos para colocar com segurança o implante fino em um modelo pré-clínico e confirmaram que o dispositivo produzia registros estáveis e de alta qualidade. Estudos intraoperatórios de curto prazo em pacientes já estão em andamento.
“Esses estudos iniciais nos fornecem dados inestimáveis sobre o desempenho do dispositivo em ambientes cirúrgicos do mundo real”, diz Youngerman. “Os implantes podem ser inseridos através de uma incisão minimamente invasiva no crânio e empurrados diretamente para a superfície do cérebro no espaço subdural. O formato fino como papel e a ausência de eletrodos ou fios que penetrem no cérebro prendendo o implante ao crânio minimizam a reatividade do tecido e a degradação do sinal ao longo do tempo.”
Um extenso trabalho pré-clínico sobre o córtex motor e visual foi conduzido com o Dr. Tolias e Bijan Pesaran, professor de neurocirurgia da Universidade da Pensilvânia, ambos líderes reconhecidos em neurociência computacional e de sistemas.
“A miniaturização extrema do BISC é muito interessante como plataforma para novas gerações de tecnologias implantáveis que também interagem com o cérebro usando outras modalidades, como luz e som”, diz Pesaran.
O BISC foi desenvolvido no âmbito do programa de design de sistemas de engenharia neural da Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) e baseia-se na profunda experiência da Universidade de Columbia em microeletrônica, programas avançados de neurociência em Stanford e Pensilvânia e nas capacidades cirúrgicas do NYU-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center.
Desenvolvimento comercial e integração futura de inteligência artificial
Para aproximar a tecnologia do uso prático, pesquisadores das universidades de Columbia e Stanford criaram a Kampto Neurotech, uma startup fundada pelo Dr. Nanyu Zeng, graduado em engenharia elétrica da Columbia, um dos engenheiros líderes do projeto. A empresa está produzindo versões do chip prontas para pesquisa e trabalhando para garantir financiamento para deixar o sistema pronto para uso em pacientes.
“Esta é uma forma fundamentalmente diferente de construir dispositivos BCI”, diz Zeng. “Como tal, o BISC possui capacidades tecnológicas que são muitas ordens de magnitude superiores aos dispositivos concorrentes”.
À medida que a inteligência artificial continua a avançar, as BCIs estão a ganhar impulso tanto para restaurar capacidades perdidas em pessoas com condições neurológicas como para potenciais aplicações futuras que melhorem o funcionamento normal através da comunicação direta cérebro-computador.
“Ao combinar a gravação neural de altíssima resolução com operação completamente sem fio, e combinando isso com algoritmos avançados de decodificação e estimulação, estamos caminhando em direção a um futuro onde o cérebro e os sistemas de inteligência artificial podem interagir perfeitamente – não apenas para pesquisa, mas também para benefício humano”, diz Shepard. “Isso poderia mudar a forma como tratamos distúrbios cerebrais, como interagimos com as máquinas e, em última análise, como os humanos interagem com a IA”.
