שתל מוחי חדש יכול לעצב מחדש באופן משמעותי את האופן שבו אנשים מתקשרים עם מחשבים תוך מתן אפשרויות טיפול חדשות למצבים כמו אפילפסיה, פציעת חוט שדרה, ALS, שבץ ועיוורון. על ידי יצירת נתיב תקשורת זעיר פולשני עם תפוקה גבוהה למוח, יש לו פוטנציאל לתמוך בשליטה בהתקפים ולסייע בשיקום יכולות מוטוריות, דיבור וראייה.
ההבטחה של טכנולוגיה זו מגיעה מהגודל הקטן ביותר שלה יחד עם היכולת שלה להעביר נתונים במהירויות גבוהות מאוד. פותח באמצעות שיתוף פעולה בין אוניברסיטת קולומביה, בית החולים ניו-יורק-פרסביטריאן, אוניברסיטת סטנפורד ואוניברסיטת פנסילבניה, המכשיר הוא ממשק מוח-מחשב (BCI) הבנוי סביב שבב סיליקון יחיד. שבב זה יוצר קישור אלחוטי ברוחב פס גבוה בין המוח למחשבים חיצוניים. המערכת ידועה כמערכת הממשק הביולוגי לקורטקס (BISC).
מחקר שפורסם ב-8 בדצמבר ב טבע אלקטרוניקה מתאר את הארכיטקטורה של BISC, הכוללת את השתל מבוסס השבבים, "תחנת ממסר" לבישה ואת התוכנה הדרושה להפעלת הפלטפורמה. "רוב המערכות הניתנות להשתלה בנויות סביב מיכל של אלקטרוניקה שתופס נפחים עצומים של חלל בתוך הגוף", אומר קן שפרד, פרופסור משפחתי להנדסת חשמל, פרופסור להנדסה ביו-רפואית ופרופסור למדעי הנוירולוגיה באוניברסיטת קולומביה, ששימש כאחד הכותבים הבכירים והוביל את עבודת ההנדסה. "השתל שלנו הוא שבב מעגל משולב יחיד שהוא כל כך דק שהוא יכול להחליק לתוך החלל שבין המוח לגולגולת, מונח על המוח כמו פיסת נייר טישו רטוב."
הפיכת הקורטקס לממשק ברוחב פס גבוה
שפרד עבדה בשיתוף פעולה הדוק עם הסופר הבכיר והמתכתב אנדריאס ס. טוליאס, דוקטורט, פרופסור במכון Byers Eye באוניברסיטת סטנפורד ומנהל משותף של פרויקט האניגמה. הניסיון הרב של טוליאס באימון מערכות AI בהקלטות עצביות בקנה מידה גדול, כולל אלו שנאספו עם BISC, עזר לצוות לנתח עד כמה השתל יכול לפענח פעילות מוחית. "BISC הופך את משטח קליפת המוח לפורטל יעיל, המספק תקשורת קריאה-כתיבה ברוחב פס גבוה ופולשני זעיר עם AI והתקנים חיצוניים", אומר טוליאס. "המדרגיות שלו בשבב בודד סוללת את הדרך לנוירופרוסטטיקה אדפטיבית וממשקי מוח-AI לטיפול בהפרעות נוירו-פסיכיאטריות רבות, כמו אפילפסיה".
ד"ר ברט יאנגרמן, עוזר פרופסור לכירורגיה נוירולוגית באוניברסיטת קולומביה ונוירוכירורג במרכז הרפואי ארווינג של אוניברסיטת ניו-יורק-פרסביטריאן/קולומביה, שימש כמשתף הפעולה הקליני העיקרי של הפרויקט. "למכשיר זה ברזולוציה גבוהה ובעל תפוקת נתונים גבוהה יש פוטנציאל לחולל מהפכה בניהול מצבים נוירולוגיים מאפילפסיה ועד שיתוק", הוא אומר. נוירולוגית האפילפסיה של Youngerman, Shepard ו-NewYork-Presbyterian/Columbia, ד"ר קתרין Schevon, קיבלה לאחרונה מענק של המכון הלאומי לבריאות לשימוש ב-BISC בטיפול באפילפסיה עמידה לתרופות. "המפתח להתקני ממשק מוח-מחשב יעילים הוא למקסם את זרימת המידע אל המוח וממנו, תוך הפיכת המכשיר למינימלי-פולשני בהשתלה הכירורגית שלו ככל האפשר. BISC עולה על הטכנולוגיה הקודמת בשתי החזיתות", מוסיף יאנגרמן.
"טכנולוגיית מוליכים למחצה אפשרה את זה, ומאפשרת לכוח המחשוב של מחשבים בגודל חדר להיכנס כעת לכיס שלך", אומר שפרד. "אנחנו עושים את אותו הדבר כעת עבור מושתלים רפואיים, ומאפשרים לאלקטרוניקה מורכבת להתקיים בגוף תוך כדי כמעט לא תופס מקום."
הדור הבא של הנדסת BCI
BCIs מתפקדים על ידי חיבור עם האותות החשמליים המשמשים את הנוירונים לתקשורת. BCIs נוכחיים ברמה רפואית מסתמכים בדרך כלל על מספר רכיבים מיקרואלקטרוניים נפרדים, כגון מגברים, ממירי נתונים ומשדרי רדיו. חלקים אלה חייבים להיות מאוחסנים במיכל מושתל גדול יחסית, הניח או על ידי הסרת חלק מהגולגולת או בחלק אחר של הגוף כמו החזה, עם חוטים הנמשכים למוח.
BISC בנוי אחרת. המערכת כולה מתבססת על מעגל משולב של מוליכים למחצה מתכת-תחמוצת-למחצה (CMOS) יחיד שדולל ל-50 מיקרומטר ותופס פחות מ-1/1000 מהנפח של שתל סטנדרטי. בגודל כולל של כ-3 מ"מ3השבב הגמיש יכול להתעקם כדי להתאים לפני השטח של המוח. מכשיר מיקרו-אלקטרוקורטיקוגרפיה (µECoG) זה מכיל 65,536 אלקטרודות, 1,024 ערוצי הקלטה ו-16,384 ערוצי גירוי. מכיוון שהשבב מיוצר בשיטות ייצור בתעשיית המוליכים למחצה, הוא מתאים לייצור בקנה מידה גדול.
השבב משלב משדר רדיו, מעגל חשמל אלחוטי, אלקטרוניקה בקרה דיגיטלית, ניהול צריכת חשמל, ממירי נתונים והרכיבים האנלוגיים הדרושים הן להקלטה והן לגירוי. תחנת הממסר החיצונית מספקת חשמל ותקשורת נתונים באמצעות קישור רדיו אולטרה-רחב מותאם אישית שמגיע ל-100 Mbps, תפוקה גבוהה פי 100 לפחות מכל BCI אלחוטי אחר הזמין כעת. תחנת הממסר פועלת כהתקן 802.11 WiFi ומגשרת למעשה כל מחשב אל השתל.
BISC משלבת מערך הוראות משלה יחד עם סביבת תוכנה מקיפה, ויוצרת מערכת מחשוב מיוחדת עבור ממשקי מוח. ההקלטה ברוחב הפס הגבוה שהודגם במחקר זה מאפשרת לעבד אותות מוח על ידי אלגוריתמים מתקדמים של למידה מכונה ולמידה עמוקה, שיכולים לפרש כוונות מורכבות, חוויות תפיסתיות ומצבי מוח.
"על ידי שילוב הכל על פיסת סיליקון אחת, הראינו כיצד ממשקי מוח יכולים להיות קטנים יותר, בטוחים יותר וחזקים יותר באופן דרמטי", אומר שפרד.
ייצור מוליכים למחצה מתקדם
שתל BISC יוצר באמצעות טכנולוגיית 0.13 מיקרומטר Bipolar-CMOS-DMOS (BCD) של TSMC. שיטת ייצור זו משלבת שלוש טכנולוגיות מוליכים למחצה לשבב אחד כדי לייצר מעגלים משולבים של אותות מעורבים (ICs). היא מאפשרת ללוגיקה דיגיטלית (מ-CMOS), לפונקציות אנלוגיות בזרם גבוה ובמתח גבוה (מהטרנזיסטורים דו-קוטביים ו-DMOS), ולהתקני הספק (מ-DMOS) לעבוד יחד ביעילות, כל אלו חיוניים לביצועים של BISC.
מעבר מהמעבדה לעבר שימוש קליני
כדי להעביר את המערכת לשימוש רפואי בעולם האמיתי, הקבוצה של שפרד שיתפה פעולה עם Youngerman במרכז הרפואי של אוניברסיטת ניו יורק-פרסביטריאן/קולומביה. הם פיתחו פרוצדורות כירורגיות למקם את השתל הדק בבטחה במודל פרה-קליני ואישרו שהמכשיר הפיק הקלטות איכותיות ויציבות. מחקרים תוך ניתוחיים קצרי טווח בחולים אנושיים כבר בעיצומם.
"המחקרים הראשוניים הללו נותנים לנו נתונים חשובים לאין ערוך לגבי ביצועי המכשיר בסביבה כירורגית אמיתית", אומר יאנגרמן. "ניתן להחדיר את השתלים דרך חתך זעיר פולשני בגולגולת ולהחליק ישירות על פני המוח בחלל התת-דוראלי. גורם הצורה דק הנייר והיעדר אלקטרודות חודרות למוח או חוטים הקושרים את השתל לגולגולת ממזערים את תגובת הרקמות ואת הפירוק האותות לאורך זמן".
עבודה פרה-קלינית מקיפה בקליפת המוח המוטורית והראייתית בוצעה עם ד"ר טוליאס וביג'אן פסרן, פרופסור לנוירוכירורגיה באוניברסיטת פנסילבניה, שניהם מובילים מוכרים במדעי המוח החישוביים והמערכות.
"המזעור הקיצוני של BISC מרגש מאוד כפלטפורמה לדורות חדשים של טכנולוגיות מושתלות שמתממשקות עם המוח גם עם אופנים אחרים כמו אור וקול", אומר פסרן.
BISC פותח באמצעות תוכנית עיצוב מערכת הנדסה עצבית של הסוכנות לפרויקטי מחקר מתקדמים בהגנה (DARPA) ונשען על המומחיות העמוקה של קולומביה במיקרו-אלקטרוניקה, תוכניות מדעי המוח המתקדמות בסטנפורד ופן, והיכולות הכירורגיות של המרכז הרפואי ניו-יורק-פרסביטריאן/קולומביה.
פיתוח מסחרי ושילוב AI עתידי
כדי לקרב את הטכנולוגיה לשימוש מעשי, חוקרים בקולומביה ובסטנפורד יצרו את Kampto Neurotech, סטארט-אפ שהוקם על ידי בוגר הנדסת החשמל של קולומביה, ד"ר Nanyu Zeng, אחד המהנדסים המובילים של הפרויקט. החברה מייצרת גרסאות מוכנות למחקר של השבב ופועלת לאבטחת מימון להכנת המערכת לשימוש בחולים אנושיים.
"זוהי דרך שונה מהותית לבניית התקני BCI", אומר זנג. "באופן זה, ל-BISC יכולות טכנולוגיות העולה על אלו של מכשירים מתחרים בסדרי גודל רבים".
ככל שהבינה המלאכותית ממשיכה להתקדם, BCIs תופסים תאוצה הן לשיקום היכולות האבודות אצל אנשים עם הפרעות נוירולוגיות והן ליישומים עתידיים פוטנציאליים המשפרים תפקוד תקין באמצעות תקשורת ישירה בין המוח למחשב.
"על ידי שילוב של הקלטה עצבית ברזולוציה גבוהה במיוחד עם פעולה אלחוטית מלאה, ושילוב זה עם אלגוריתמי פענוח וגירוי מתקדמים, אנו מתקדמים לעבר עתיד שבו המוח ומערכות הבינה המלאכותית יכולות לקיים אינטראקציה חלקה – לא רק למחקר, אלא לתועלת אנושית", אומר שפרד. "זה יכול לשנות את האופן שבו אנו מטפלים בהפרעות מוחיות, את האופן שבו אנו מתממשקים עם מכונות, ובסופו של דבר את האופן שבו בני אדם עוסקים בבינה מלאכותית".
קישור לכתבת המקור – 2025-12-10 06:54:00
