Investigadores anuncian una nueva generación de interfaz cerebro-computadora

Un nuevo implante cerebral transformará la interacción humano-computadora y ampliará las posibilidades de tratamiento para afecciones neurológicas como la epilepsia, las lesiones de la médula espinal, la ELA, los accidentes cerebrovasculares y la ceguera, ayudando a controlar las convulsiones y a restaurar la función motora, del habla y visual, según expertos de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia (Estados Unidos).

Este avance, descrito en un estudio publicado en 'Nature Electronics', ha sido posible proporcionando un enlace de información mínimamente invasivo y de alto rendimiento directamente hacia y desde el cerebro.

El potencial transformador de este nuevo sistema reside en su pequeño tamaño y su capacidad para transferir datos a alta velocidad.

Desarrollada en concreto por investigadores de la Universidad de Columbia, el Hospital Presbiteriano de Nueva York, la Universidad de Stanford y la Universidad de Pensilvania, todas instituciones de Estados Unidos, esta interfaz cerebro-computadora (BCI) se basa en un único chip de silicio para establecer una conexión inalámbrica de alto ancho de banda entre el cerebro y cualquier computadora externa. La plataforma se denomina Sistema de Interfaz Biológica a Cortex (BISC).

BSIC incluye un implante de un solo chip, una "estación de retransmisión" portátil y el software personalizado necesario para operar el sistema. Este implante destaca porque es un solo chip de circuito integrado que es tan delgado que puede deslizarse en el espacio entre el cerebro y el cráneo, descansando sobre el cerebro como un trozo de papel de seda húmedo.

De esa forma, BISC convierte la superficie cortical en un portal efectivo, proporcionando comunicación de lectura-escritura mínimamente invasiva de alto ancho de banda con IA y dispositivos externos. Su escalabilidad de un solo chip allana el camino para neuroprótesis adaptativas e interfaces cerebro-IA para tratar muchos trastornos neuropsiquiátricos, como la epilepsia.

Las BCI funcionan interactuando con las señales eléctricas que las neuronas utilizan para transferir información a través del cerebro. Las BCI de vanguardia actuales, utilizadas en contextos médicos, se construyen con componentes microelectrónicos individuales, como amplificadores, convertidores de datos, transmisores de radio y circuitos de gestión de energía.

Para alojar todos estos dispositivos, se debe implantar quirúrgicamente un gran contenedor de componentes electrónicos en el cuerpo, ya sea extirpando una porción del cráneo o colocando el dispositivo en otra ubicación, como el tórax, y conectando cables al cerebro.

No obstante, BISC funciona de forma diferente. El implante completo, que ocupa menos de una milésima parte del tamaño de un dispositivo convencional, es un único chip de circuito integrado de semiconductor de óxido metálico complementario (CMOS) reducido a tan solo 50 microm. Con un volumen total de aproximadamente 3 mm3, el chip flexible se adapta a la superficie del cerebro.

Este dispositivo de microelectrocorticografía (microECoG) integra 65.536 electrodos, 1.024 canales de registro simultáneo y 16.384 canales de estimulación. Al aprovechar las técnicas de fabricación a gran escala desarrolladas en la industria de los semiconductores, estos implantes pueden fabricarse fácilmente a gran escala.

Así, el implante de un solo chip incluye un transceptor de radio, un circuito de alimentación inalámbrica, control digital, gestión de energía, conversión de datos y los circuitos analógicos necesarios para las interfaces de registro y estimulación.

La estación repetidora, alimentada por batería, alimenta el implante y se comunica con él, transfiriendo datos mediante un enlace de radio de banda ultraancha personalizado que alcanza anchos de banda de 100 Mbps, una conexión con un rendimiento al menos 100 veces superior al de cualquier dispositivo BCI inalámbrico de la competencia.

La estación repetidora es en sí misma un dispositivo WiFi 802.11, que establece una conexión de red inalámbrica retransmitida desde cualquier ordenador al cerebro.

BISC cuenta con su propio conjunto de instrucciones, respaldado por una extensa pila de software, que en conjunto constituye una arquitectura informática diseñada para BCI.

Como se demuestra en este estudio, estas capacidades de registro de alto ancho de banda permiten enviar patrones de señales cerebrales a marcos avanzados de aprendizaje automático o aprendizaje profundo para decodificar intenciones, percepciones o estados complejos.

Para acelerar la traducción, los equipos de Columbia y Stanford lanzaron Kampto Neurotech, una empresa derivada fundada por el doctor Nanyu Zeng, exalumno de ingeniería eléctrica de Columbia, uno de los ingenieros principales del proyecto. Kampto Neurotech está desarrollando versiones comerciales del chip para aplicaciones de investigación preclínica y recaudando fondos para avanzar el sistema hacia el uso humano.