Un'interfaccia neurale miniaturizzata che occupa meno di un millesimo del volume degli impianti cerebrali tradizionali sta aprendo scenari inediti nella comunicazione diretta tra cervello e computer. Il dispositivo, frutto di una collaborazione tra Columbia University, NewYork-Presbyterian Hospital, Stanford University e University of Pennsylvania, rappresenta un salto tecnologico nella progettazione dei sistemi di brain-computer interface (BCI), puntando su un approccio radicalmente diverso: concentrare tutta l'elettronica su un singolo chip al silicio così sottile da poter essere inserito nello spazio subdurale, tra cranio e corteccia cerebrale, senza necessità di rimuovere porzioni di osso o impiantare contenitori voluminosi nel corpo del paziente. Le potenziali applicazioni spaziano dal controllo delle crisi epilettiche resistenti ai farmaci fino al ripristino di funzioni motorie, linguistiche e visive compromesse da lesioni neurologiche.
Il sistema, denominato BISC (Biological Interface System to Cortex), è stato descritto in uno studio pubblicato l'8 dicembre su Nature Electronics. La sua architettura tecnica integra su un unico circuito integrato CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) tutti i componenti normalmente distribuiti in dispositivi separati: amplificatori di segnale, convertitori analogico-digitali, trasmettitori radio, circuiti di gestione dell'alimentazione wireless e componenti di stimolazione neurale. Ken Shepard, professore di ingegneria elettrica, ingegneria biomedica e neuroscienze alla Columbia University e autore senior del lavoro, sottolinea come "la maggior parte dei sistemi impiantabili sia costruita attorno a contenitori elettronici che occupano enormi volumi all'interno del corpo", mentre il chip BISC, con uno spessore di soli 50 micrometri e un volume totale di circa 3 millimetri cubi, può adagiarsi sulla superficie cerebrale come "un foglio di carta velina bagnata".
Dal punto di vista delle prestazioni, il dispositivo integra 65.536 elettrodi, 1.024 canali di registrazione e 16.384 canali di stimolazione, configurandosi come un sistema di micro-elettrocorticografia (µECoG) ad altissima risoluzione spaziale. La trasmissione dati avviene attraverso un collegamento radio ultra-wideband personalizzato che raggiunge una velocità di 100 megabit al secondo, una capacità di throughput superiore di almeno cento volte rispetto a qualsiasi altra BCI wireless attualmente disponibile. Questa larghezza di banda permette l'elaborazione in tempo reale dei segnali cerebrali mediante algoritmi avanzati di machine learning e deep learning, aprendo la strada a decodifiche sempre più precise delle intenzioni motorie, delle esperienze percettive e degli stati cerebrali complessi.
Andreas S. Tolias, professore presso il Byers Eye Institute di Stanford University e co-direttore fondatore dell'Enigma Project, ha guidato l'analisi delle capacità di decodifica del sistema grazie alla sua esperienza nell'addestramento di sistemi di intelligenza artificiale su registrazioni neurali su larga scala. "BISC trasforma la superficie corticale in un portale efficace, fornendo comunicazione bidirezionale ad alta larghezza di banda, minimamente invasiva, con l'IA e dispositivi esterni", spiega Tolias. "La sua scalabilità su singolo chip apre la strada a neuroprotesi adattive e interfacce cervello-IA per trattare numerosi disturbi neuropsichiatrici, come l'epilessia".
La realizzazione del chip è stata possibile grazie all'utilizzo della tecnologia BCD (Bipolar-CMOS-DMOS) a 0,13 micrometri di TSMC, un processo di fabbricazione avanzato che combina tre diverse tecnologie a semiconduttore su un unico substrato. Questa metodologia consente di integrare logica digitale (CMOS), funzioni analogiche ad alta corrente e alta tensione (transistor bipolari e DMOS) e dispositivi di potenza, tutti elementi essenziali per le prestazioni di BISC. L'approccio ingegneristico adottato sfrutta i progressi dell'industria dei semiconduttori, applicando al settore degli impianti medici lo stesso principio di miniaturizzazione che ha permesso di concentrare in uno smartphone la potenza di calcolo che un tempo richiedeva computer delle dimensioni di intere stanze.
Il passaggio dalla ricerca di base all'applicazione clinica ha richiesto lo sviluppo di procedure chirurgiche specifiche. Il dottor Brett Youngerman, professore associato di neurochirurgia alla Columbia University e neurochirurgo presso il NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center, ha guidato gli aspetti clinici del progetto. "Questo dispositivo ad alta risoluzione e alta capacità di trasmissione dati ha il potenziale per rivoluzionare la gestione di condizioni neurologiche dall'epilessia alla paralisi", afferma Youngerman. Il sistema può essere inserito attraverso un'incisione minimamente invasiva nel cranio e fatto scorrere direttamente sulla superficie cerebrale nello spazio subdurale. La forma sottilissima e l'assenza di elettrodi penetranti nel tessuto cerebrale o di cavi che collegano l'impianto al cranio minimizzano la reattività tissutale e la degradazione del segnale nel tempo.
Studi intraoperatori preliminari su pazienti umani sono già in corso, fornendo dati preziosi sulle prestazioni del dispositivo in contesto chirurgico reale. Youngerman, Shepard e la neurologa esperta in epilessia Catherine Schevon del NewYork-Presbyterian/Columbia hanno recentemente ottenuto un finanziamento dai National Institutes of Health per utilizzare BISC nel trattamento dell'epilessia farmacoresistente. "La chiave per dispositivi efficaci di interfaccia cervello-computer è massimizzare il flusso di informazioni da e verso il cervello, rendendo al contempo il dispositivo il più minimamente invasivo possibile nella sua implantazione chirurgica. BISC supera le tecnologie precedenti su entrambi i fronti", sottolinea il neurochirurgo.
La validazione preclinica del sistema è stata condotta in modo estensivo sulle cortecce motoria e visiva in collaborazione con Tolias e Bijan Pesaran, professore di neurochirurgia all'University of Pennsylvania, entrambi figure di riferimento nelle neuroscienze computazionali e sistemiche. Pesaran evidenzia come "l'estrema miniaturizzazione di BISC sia molto promettente come piattaforma per nuove generazioni di tecnologie impiantabili che interfacciano il cervello anche con altre modalità come luce e suono". Il progetto è stato sviluppato nell'ambito del programma Neural Engineering System Design della Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) e si basa sull'esperienza consolidata di Columbia in microelettronica, sui programmi avanzati di neuroscienze di Stanford e Penn, e sulle capacità chirurgiche del NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center.
Per accelerare il trasferimento tecnologico verso applicazioni pratiche, i ricercatori di Columbia e Stanford hanno fondato Kampto Neurotech, una startup guidata dal dottor Nanyu Zeng, ex studente di ingegneria elettrica alla Columbia e uno degli ingegneri principali del progetto. L'azienda sta producendo versioni del chip pronte per la ricerca e lavorando per ottenere i finanziamenti necessari a preparare il sistema per l'uso in pazienti umani. "Questo è un modo fondamentalmente diverso di costruire dispositivi BCI", afferma Zeng. "In questo modo, BISC possiede capacità tecnologiche che superano quelle dei dispositivi concorrenti di molti ordini di grandezza".
Con il rapido progresso dell'intelligenza artificiale, le interfacce cervello-computer stanno guadagnando slancio sia per il ripristino di abilità perdute in persone con disturbi neurologici, sia per potenziali applicazioni future che potrebbero potenziare funzioni normali attraverso la comunicazione diretta cervello-computer. Shepard inquadra le prospettive future: "Combinando registrazioni neurali ad altissima risoluzione con funzionamento completamente wireless, e associando questo a algoritmi avanzati di decodifica e stimolazione, ci stiamo muovendo verso un futuro in cui cervello e sistemi di IA possono interagire senza soluzione di continuità – non solo per la ricerca, ma a beneficio dell'uomo. Questo potrebbe cambiare il modo in cui trattiamo i disturbi cerebrali, come interfacciamo con le macchine e, in definitiva, come gli esseri umani interagiscono con l'intelligenza artificiale". Le prossime fasi della ricerca si concentreranno sull'avvio di trial clinici a lungo termine, sulla valutazione della biocompatibilità nel tempo e sullo sviluppo di protocolli standardizzati per l'impianto e la calibrazione del sistema in diverse patologie neurologiche.