Ένα καινοτόμο εγκεφαλικό εμφύτευμα με την ονομασία BISC έρχεται να μεταβάλει τα δεδομένα στην αλληλεπίδραση ανθρώπου και υπολογιστή, προτείνοντας έναν ασύρματο, εξαιρετικά λεπτό και υψηλής χωρητικότητας δίαυλο άμεσης επικοινωνίας με τον εγκέφαλο, με σαφή προοπτική τη διασύνδεσή του με συστήματα τεχνητής νοημοσύνης. Με περισσότερα από 65.000 ηλεκτρόδια και ρυθμούς μεταφοράς δεδομένων που δεν έχουν προηγούμενο στον χώρο των διεπαφών εγκεφάλου – υπολογιστή, η συσκευή δίνει τη δυνατότητα σε προηγμένα αλγοριθμικά μοντέλα να αναλύουν νευρωνική δραστηριότητα που σχετίζεται με σκέψεις, προθέσεις και αισθητηριακές εμπειρίες, διατηρώντας ταυτόχρονα έναν χαρακτήρα ελάχιστα επεμβατικό.
Οι δυνατότητες του BISC εκτείνονται πέρα από την τεχνολογική καινοτομία, καθώς το σύστημα αναμένεται να συμβάλει ουσιαστικά στη θεραπευτική αντιμετώπιση σοβαρών νευρολογικών παθήσεων, όπως η επιληψία, οι κακώσεις του νωτιαίου μυελού, η αμυοτροφική πλευρική σκλήρυνση, τα εγκεφαλικά επεισόδια και η απώλεια όρασης. Μέσω της ακριβούς καταγραφής και διέγερσης της εγκεφαλικής δραστηριότητας, το εμφύτευμα θα μπορούσε να υποστηρίξει τη διαχείριση επιληπτικών κρίσεων και να ενισχύσει την αποκατάσταση κινητικών, λεκτικών και οπτικών λειτουργιών. Στον πυρήνα αυτής της προοπτικής βρίσκεται η δημιουργία ενός καναλιού επικοινωνίας υψηλής χωρητικότητας, απευθείας προς και από τον εγκέφαλο, με ελάχιστη παρέμβαση στους ιστούς.
Το σύστημα αναπτύχθηκε από ερευνητικές ομάδες του Πανεπιστημίου Κολούμπια, του Νοσοκομείου NewYork-Presbyterian, του Πανεπιστημίου Στάνφορντ και του Πανεπιστημίου της Πενσιλβάνια. Εκείνο που το καθιστά ιδιαίτερα ελκυστικό, σύμφωνα με τους δημιουργούς του, είναι ο συνδυασμός εξαιρετικά μικρού όγκου και πολύ μεγάλης ταχύτητας μετάδοσης δεδομένων. Η πλατφόρμα, που φέρει την πλήρη ονομασία Biological Interface System to Cortex, βασίζεται σε ένα και μόνο ολοκληρωμένο κύκλωμα πυριτίου, το οποίο λειτουργεί ως ασύρματος σύνδεσμος υψηλής απόδοσης μεταξύ του εγκεφάλου και εξωτερικών υπολογιστικών συστημάτων.
Σε δημοσίευσή τους στο περιοδικό «Nature Electronics», οι ερευνητές περιγράφουν το BISC ως ένα σύστημα τριών βασικών συνιστωσών: το εμφύτευμα ενός μοναδικού τσιπ, έναν φορητό σταθμό αναμετάδοσης και ένα εξειδικευμένο λογισμικό που διαχειρίζεται τη λειτουργία του συνόλου. Όπως εξηγεί ο Κεν Σέπαρντ, καθηγητής ηλεκτρολογικής και βιοϊατρικής μηχανικής στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια και επικεφαλής της μηχανολογικής ανάπτυξης, τα περισσότερα σημερινά εμφυτεύσιμα συστήματα απαιτούν ογκώδεις θήκες ηλεκτρονικών μέσα στο σώμα. Αντίθετα, το συγκεκριμένο εμφύτευμα αποτελείται από ένα εξαιρετικά λεπτό ολοκληρωμένο κύκλωμα, το οποίο μπορεί να τοποθετηθεί στον χώρο ανάμεσα στον εγκέφαλο και το κρανίο, προσαρμοζόμενο στην επιφάνεια του φλοιού με τρόπο που θυμίζει ένα φύλλο χαρτιού σε υγρή μορφή.
Στην ερευνητική προσπάθεια συμμετείχε και ο Άντρεας Τόλιας, καθηγητής Οφθαλμολογίας στο Στάνφορντ και συνιδρυτής του Enigma Project, ο οποίος συνέβαλε καθοριστικά στην εκπαίδευση μοντέλων τεχνητής νοημοσύνης πάνω σε μεγάλης κλίμακας νευρωνικά δεδομένα που συλλέχθηκαν μέσω του BISC. Η προσέγγιση αυτή επέτρεψε την αυστηρή αξιολόγηση της ικανότητας της συσκευής να αποκωδικοποιεί σύνθετα μοτίβα εγκεφαλικής δραστηριότητας. Σύμφωνα με τον ίδιο, το σύστημα μετατρέπει την επιφάνεια του εγκεφαλικού φλοιού σε μια λειτουργική πύλη αμφίδρομης επικοινωνίας υψηλής χωρητικότητας με εξωτερικές συσκευές και αλγορίθμους τεχνητής νοημοσύνης, ανοίγοντας τον δρόμο για προσαρμοστικές νευροπροσθετικές εφαρμογές και νέες θεραπείες νευροψυχιατρικών διαταραχών.
Κεντρικό ρόλο στην κλινική διάσταση του έργου είχε ο νευροχειρουργός Μπρετ Γιούνγκερμαν από το Πανεπιστήμιο Κολούμπια και το NewYork-Presbyterian, ο οποίος υπογραμμίζει ότι μια συσκευή με τόσο υψηλή ανάλυση και ικανότητα διαχείρισης δεδομένων μπορεί να αλλάξει ριζικά τον τρόπο αντιμετώπισης παθήσεων που εκτείνονται από την επιληψία έως την παράλυση. Μαζί με τον Σέπαρντ και τη νευρολόγο Κάθριν Σίβον, η ομάδα έλαβε πρόσφατα χρηματοδότηση από τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας των ΗΠΑ για την εφαρμογή του BISC σε περιπτώσεις φαρμακοανθεκτικής επιληψίας, επισημαίνοντας ότι το κρίσιμο ζητούμενο στις διεπαφές εγκεφάλου – υπολογιστή είναι η μέγιστη ροή πληροφοριών με τη μικρότερη δυνατή επεμβατικότητα, στόχος που το νέο σύστημα φαίνεται να εξυπηρετεί αποτελεσματικά.
Σε τεχνικό επίπεδο, το BISC διαφοροποιείται ριζικά από τα υπάρχοντα συστήματα, τα οποία απαιτούν πολλαπλά ξεχωριστά μικροηλεκτρονικά υποσυστήματα και συχνά συνεπάγονται την εμφύτευση ογκωδών θαλάμων ηλεκτρονικών. Εδώ, ολόκληρη η λειτουργικότητα συγκεντρώνεται σε ένα εύκαμπτο ολοκληρωμένο κύκλωμα CMOS, με συνολικό όγκο μόλις λίγων κυβικών χιλιοστών, που προσαρμόζεται στην καμπυλότητα του εγκεφάλου. Η συσκευή μικρο-ηλεκτροκορτικογραφίας ενσωματώνει δεκάδες χιλιάδες ηλεκτρόδια, χιλιάδες κανάλια καταγραφής και διέγερσης και μπορεί να παραχθεί μαζικά, καθώς βασίζεται σε καθιερωμένες βιομηχανικές διαδικασίες κατασκευής ημιαγωγών.
Όλα τα απαραίτητα ηλεκτρονικά στοιχεία, από την ασύρματη τροφοδοσία και τον πομποδέκτη ραδιοσυχνοτήτων έως τη διαχείριση ενέργειας και τους μετατροπείς δεδομένων, βρίσκονται πάνω στο ίδιο τσιπ. Η επικοινωνία με τον εξωτερικό κόσμο πραγματοποιείται μέσω ενός φορητού σταθμού αναμετάδοσης, ο οποίος λειτουργεί με μπαταρία και προσφέρει έναν υπερ-ευρυζωνικό ραδιοσύνδεσμο με ταχύτητες που υπερβαίνουν κατά πολύ τις αντίστοιχες των σημερινών ασύρματων διεπαφών εγκεφάλου. Παράλληλα, το BISC συνοδεύεται από μια ειδικά σχεδιασμένη υπολογιστική αρχιτεκτονική και λογισμικό, που επιτρέπει την απευθείας τροφοδότηση προηγμένων συστημάτων μηχανικής και βαθιάς μάθησης με πλούσια δεδομένα εγκεφαλικής δραστηριότητας.
Η μετάβαση προς την κλινική εφαρμογή βρίσκεται ήδη σε εξέλιξη, με την ανάπτυξη τεχνικών ασφαλούς τοποθέτησης του εμφυτεύματος και τις πρώτες μελέτες σε ανθρώπους να πραγματοποιούνται στο πλαίσιο χειρουργικών επεμβάσεων. Όπως επισημαίνει ο Γιούνγκερμαν, η εξαιρετικά λεπτή μορφή της συσκευής και η απουσία διεισδυτικών ηλεκτροδίων μειώνουν την αντίδραση των ιστών και συμβάλλουν στη διατήρηση της ποιότητας του σήματος σε βάθος χρόνου. Παράλληλα, εκτεταμένες προκλινικές δοκιμές σε κινητικούς και οπτικούς φλοιούς, σε συνεργασία με ερευνητές του Πανεπιστημίου της Πενσιλβάνια, διερευνούν περαιτέρω τις δυνατότητες της πλατφόρμας.
Η ανάπτυξη του BISC εντάσσεται στο πρόγραμμα Neural Engineering Systems Design της DARPA και αποτελεί προϊόν σύμπραξης μικροηλεκτρονικής τεχνογνωσίας, νευροεπιστημονικής έρευνας και χειρουργικής καινοτομίας. Για την επιτάχυνση της αξιοποίησής του, οι ερευνητές ίδρυσαν την Kampto Neurotech, μια εταιρεία spin-off που εργάζεται πάνω σε εμπορικές εκδόσεις του τσιπ και προετοιμάζει το έδαφος για μελλοντική χρήση σε ανθρώπους.
Καθώς η τεχνητή νοημοσύνη εξελίσσεται με ταχείς ρυθμούς, οι διεπαφές εγκεφάλου – υπολογιστή συγκεντρώνουν αυξανόμενο ενδιαφέρον τόσο για θεραπευτικές εφαρμογές όσο και για τη μελλοντική ενίσχυση ανθρώπινων ικανοτήτων. Σύμφωνα με τον Σέπαρντ, ο συνδυασμός υπερυψηλής ανάλυσης νευρωνικών καταγραφών, πλήρως ασύρματης λειτουργίας και προηγμένων αλγορίθμων αποκωδικοποίησης φέρνει πιο κοντά ένα μέλλον όπου ο εγκέφαλος και τα συστήματα τεχνητής νοημοσύνης θα μπορούν να συνεργάζονται απρόσκοπτα, με δυνητικά καθοριστικές επιπτώσεις στον τρόπο που αντιμετωπίζουμε τις νευρολογικές διαταραχές και αλληλεπιδρούμε με τις μηχανές.
