美國研發出紙薄腦芯片，集成65536個電極實現實時神經數據流

一款由可穿戴中繼器供電的柔性腦植入設備。

來自哥倫比亞大學、紐約長老會醫院、斯坦福大學和賓夕法尼亞大學的研究人員日前公布了一種新型腦機接口（BCI）平臺，該平臺有望顯著拓展神經治療和人機交互的可能性。這款名為“皮層生物接口系統”（BISC）的系統，核心是一片超薄單芯片植入體，能以空前速率無線傳輸神經數據，同時所占空間遠小于當前醫療級腦機接口設備。

據《自然·電子學》雜志描述，該設備設計用于支持從癲癇管理到幫助癱瘓、肌萎縮側索硬化癥、中風或失明患者恢復運動、語言及視覺功能等多種應用。研究人員表示，這項研究旨在建立一條與大腦直接雙向通信的微創高通量鏈路。

單芯片腦機接口實現高通量神經數據傳輸

傳統腦機接口依賴于微電子元件、放大器、數據轉換器、射頻模塊和電源電路的集合體，這些系統通常封裝在植入顱骨或身體其他部位的笨重罐體中。BISC系統則用一片厚度僅50微米的互補金屬氧化物半導體（CMOS）集成電路取代了整個組件。

作為資深作者之一的哥倫比亞大學電氣工程、生物醫學工程和神經科學教授肯·謝潑德表示，這款柔性芯片總體積約3立方毫米，置于大腦皮層表面時“如同濕紙巾般柔軟貼合”。這款微創皮層腦電圖（μECoG）植入體集成了65,536個電極、1,024個記錄通道和16,384個刺激通道。

所有信號采集、數據轉換、無線通信和電源管理功能均在同一硅片上完成。謝潑德在新聞稿中指出：“通過將所有功能集成在單芯片上，我們展示了腦接口設備如何變得更小、更安全且性能大幅提升。”

芯片通過可定制的超寬帶無線鏈路（吞吐量達100Mbps）與小型電池供電的可穿戴“中繼站”通信，由中繼站為植入體無線供電并傳輸數據。其傳輸速率比直接可比的無線程腦接口高100倍以上。中繼站同時具備Wi-Fi功能，可在大腦與任何外部計算機之間建立無縫網絡連接。

斯坦福大學謎題項目的資深共同通訊作者兼聯合創始主任安德烈亞斯·S·托利亞斯認為，該平臺“將大腦皮層表面轉化為高效門戶，實現與人工智能及外部設備的高帶寬、微創讀寫通信”。他補充說，其可擴展性有望為神經性和神經精神疾病開發自適應神經假體及腦-AI接口。

邁向臨床應用

早期手術評估表明，該設備可通過微創顱骨切口植入，并滑入大腦表面，無需穿透組織或使用導線將植入體固定在骨頭上。

哥倫比亞大學神經外科醫生、項目臨床負責人之一布雷特·揚格曼指出，這種方法能最大限度減少組織反應性并提升長期信號質量。他表示：“這種高分辨率、高數據吞吐量的設備有望徹底改變從癲癇到癱瘓等神經疾病的治療模式。”

揚格曼、謝潑德與癲癇神經學家凱瑟琳·謝馮已獲得美國國立衛生研究院資助，將探索BISC系統在耐藥性癲癇治療中的應用。揚格曼強調：“有效腦機接口設備的關鍵在于最大化與大腦的信息交互，同時將設備侵入性降至最低……BISC在這兩方面都超越了現有技術。”

該設備在運動和視覺皮層的臨床前研究與斯坦福大學的托利亞斯及賓夕法尼亞大學的比詹·佩薩蘭合作完成。佩薩蘭稱贊BISC的“極致微型化”為未來植入技術奠定了激動人心的基礎，這些技術未來還可能通過光或聲等模式與大腦交互。

推向實際應用

為推進技術走出實驗室，哥倫比亞大學和斯坦福大學團隊聯合創立了衍生公司“坎普托神經科技”，正開發用于科研的商業版芯片并推進臨床轉化。項目首席工程師兼公司創始人曾楠宇表示，BISC代表著“構建腦機接口設備的根本性革新”，其性能“比競爭系統高出數個數量級”。

該項目獲得美國國防部高級研究計劃局“神經工程系統設計計劃”支持，融合了微電子學、計算神經科學和神經外科技術的最新進展。謝潑德指出，更宏偉的目標是迎接“大腦與AI系統無縫交互的未來——不僅服務于研究，更為人類福祉帶來變革”，這將徹底改變神經疾病治療方式及人機交互模式。

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