Fabricado como un solo chip, el nuevo implante es órdenes de magnitud más rápido y más pequeño que las interfaces cerebro-computadora de última generación de la actualidad, y ofrece una oportunidad para un tratamiento más eficaz de una serie de afecciones neurológicas.
Un nuevo implante cerebral transformará la interacción humano-computadora y ampliará las posibilidades de tratamiento para afecciones neurológicas como la epilepsia, las lesiones medulares, la ELA, los accidentes cerebrovasculares y la ceguera, ayudando a controlar las convulsiones y a restaurar la función motora, del habla y visual. Esto se logra mediante un enlace de información mínimamente invasivo y de alto rendimiento que se conecta directamente con el cerebro.
El potencial transformador de este nuevo sistema reside en su pequeño tamaño y su capacidad para transferir datos a alta velocidad. Desarrollada por investigadores de la Universidad de Columbia, el Hospital Presbiteriano de Nueva York, la Universidad de Stanford y la Universidad de Pensilvania, 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).
Sistema de interfaz biológica con la corteza
Descrito en un estudio publicado el 8 de diciembre en Nature Electronics, BISC incluye un implante de un solo chip, una «estación de retransmisión» portátil y el software personalizado necesario para operar el sistema. «La mayoría de los sistemas implantables se construyen alrededor de un contenedor de componentes electrónicos que ocupa enormes volúmenes de espacio dentro del cuerpo», dice Ken Shepard , profesor de Ingeniería Eléctrica de la Familia Lau , profesor de Ingeniería biomédica y profesor de ciencias neurológicas en la Universidad de Columbia, quien es uno de los autores principales del trabajo y dirigió los esfuerzos de ingeniería. «Nuestro implante 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 tisú húmedo».
Shepard fue acompañado en el esfuerzo de BISC por el autor principal y co-correspondiente Andreas S. Tolias , PhD, profesor del Byers Eye Institute en la Universidad de Stanford y director cofundador del Proyecto Enigma. El trabajo pionero de Tolias entrenando modelos de IA en conjuntos de datos neuronales a gran escala, incluidos conjuntos de datos registrados en el laboratorio de Tolias usando BISC, permitió al equipo evaluar el rendimiento de decodificación neuronal del dispositivo. «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», dice Tolias. «Su escalabilidad de un solo chip allana el camino para neuroprótesis adaptativas e interfaces cerebro-IA para tratar muchos trastornos neuropsiquiátricos, como la epilepsia».
El Dr. Brett Youngerman , profesor adjunto de neurocirugía en la Universidad de Columbia y neurocirujano en el Centro Médico Irving de la Universidad de Nueva York-Presbiteriana/Columbia, fue el principal colaborador clínico del proyecto. «Este dispositivo de alta resolución y alto rendimiento de datos tiene el potencial de revolucionar el tratamiento de afecciones neurológicas, desde la epilepsia hasta la parálisis», afirma. Youngerman, Shepard y la neuróloga en epilepsia de la Universidad de Nueva York-Presbiteriana/Columbia, la Dra. Catherine Schevon, recibieron recientemente una subvención de los Institutos Nacionales de la Salud para implementar BISC en el tratamiento de la epilepsia resistente a los medicamentos. «La clave para que los dispositivos de interfaz cerebro-computadora sean eficaces es maximizar el flujo de información hacia y desde el cerebro, al tiempo que se hace que el dispositivo sea lo menos invasivo posible en su implantación quirúrgica. BISC supera la tecnología anterior en ambos frentes», continúa Youngerman.
“La tecnología de semiconductores lo ha hecho posible, permitiendo que la potencia de procesamiento de ordenadores del tamaño de una habitación ahora quepa en un bolsillo”, afirma Shepard. “Ahora estamos haciendo lo mismo con los implantes médicos, permitiendo que dispositivos electrónicos complejos existan en el cuerpo prácticamente sin ocupar espacio”.
Prototipo de pruebas del nuevo dispositivo. (Foto: Jane Nisselson)
Más pequeño, más seguro y más rápido
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.
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 μm. Con un volumen total de aproximadamente 3 mm³, el chip flexible se adapta a la superficie del cerebro. Este dispositivo de microelectrocorticografía (µECoG) integra 65 536 electrodos, 1024 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.
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.
“Al integrar todo en una sola pieza de silicio, hemos demostrado cómo las interfaces cerebrales pueden volverse más pequeñas, más seguras y mucho más potentes”, afirma Shepard.
El implante BISC se fabricó utilizando la versátil tecnología Bipolar-CMOS-DMOS (BCD) de 0,13 μm de TSMC. Este proceso de fabricación integra tres tecnologías en un solo chip para crear circuitos integrados (CI) de señal mixta. Esta integración permite la combinación eficiente de lógica digital (de CMOS), funciones analógicas de alta corriente y alto voltaje (de transistores bipolares y DMOS) y dispositivos de potencia (de DMOS), todos ellos esenciales para el BISC.
Del laboratorio a la clínica
Para poner esta tecnología a disposición de médicos y pacientes, el grupo de Shepard colaboró estrechamente con Youngerman en el Centro Médico Irving de la Universidad de Columbia/Presbiteriano de Nueva York. Juntos, perfeccionaron los métodos quirúrgicos para implantar de forma segura el dispositivo, extremadamente fino, en un modelo preclínico y demostraron su calidad y estabilidad de registro, como se describe en el estudio actual. Se están realizando estudios en pacientes humanos para realizar registros intraoperatorios a corto plazo.
“Estos estudios iniciales nos brindan información invaluable sobre el rendimiento del dispositivo en un entorno quirúrgico real”, afirma Youngerman. “Los implantes pueden insertarse mediante una incisión mínimamente invasiva en el cráneo y deslizarse directamente sobre la superficie cerebral en el espacio subdural. Su forma ultradelgada y la ausencia de electrodos o cables que penetren el cerebro que los sujeten al cráneo minimizan la reactividad tisular y la degradación de la señal con el tiempo”.
Las extensas pruebas preclínicas de BISC en las cortezas motora y visual se basaron en colaboraciones con el Dr. Tolias y Bijan Pesaran , profesor de neurocirugía en la Universidad de Pensilvania, ambos líderes en neurociencia computacional y de sistemas.
“La miniaturización extrema de BISC es muy emocionante como plataforma para nuevas generaciones de tecnologías implantables que también interactúan con el cerebro con otras modalidades como la luz y el sonido”, afirma Pesaran.
Desarrollado bajo el programa de Diseño de Sistemas de Ingeniería Neural de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA), BISC combina las fortalezas de Columbia en microelectrónica, la neurociencia de vanguardia de Stanford y Penn, y la innovación quirúrgica del NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center.
Hacia aplicaciones en el mundo real
Para acelerar la traducción, los equipos de Columbia y Stanford lanzaron Kampto Neurotech , una empresa derivada fundada por el Dr. 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
“Esta es una forma fundamentalmente diferente de construir dispositivos BCI”, afirma Zeng. “De esta manera, BISC posee capacidades tecnológicas que superan con creces las de los dispositivos de la competencia”.
En un panorama tecnológico impulsado por los avances en inteligencia artificial, las tecnologías BCI han despertado un considerable interés recientemente, tanto para restaurar la función de aquellos afectados por afecciones neurológicas como para aumentar potencialmente las capacidades humanas al proporcionar interfaces directas con el cerebro.
“Al combinar la grabación neuronal de ultraalta resolución con un funcionamiento totalmente inalámbrico, y combinarlo con algoritmos avanzados de decodificación y estimulación, avanzamos hacia un futuro donde el cerebro y los sistemas de IA puedan interactuar fluidamente, no solo para la investigación, sino también para el beneficio humano”, afirma Shepard. “Esto podría cambiar la forma en que tratamos los trastornos cerebrales, cómo interactuamos con las máquinas y, en última instancia, cómo los humanos interactúan con la IA”.
Leyenda de la fotografía principal : El implante BISC que se muestra aquí tiene aproximadamente el mismo grosor que un cabello humano.
Crédito de la fotografía principal : Columbia Engineering
Acerca del estudio
Revista : Nature Electronics
DOI: 10.1038/s41928-025-01509-9
Título : Grabaciones in vivo estables y crónicas de un dispositivo de interfaz cerebro-computadora de 65.536 electrodos con contenido subdural totalmente inalámbrico
Autores : Taesung Jung, Nanyu Zeng, Jason D. Fabbri, Guy Eichler, Zhe Li, Erfan Zabeh, Anup Das, Konstantin Willeke, Katie E. Wingel, Agrita Dubey, Rizwan Huq, Mohit Sharma, Yaoxing Hu, Girish Ramakrishnan, Kevin Tien, Paolo Mantovani, Abhinav Parihar, Heyu Yin, Denise Oswalt, Alexander Misdorp, Ilke Uguz, Tori Shinn, Gabrielle J. Rodriguez, Cate Nealley, Sophia Sanborn, Ian Gonzales, Michael Roukes, Jeffrey Knecht, Daniel Yoshor, Peter Canoll, Eleonora Spinazzi, Luca P. Carloni, Bijan Pesaran, Saumil Patel, Joshua Jacobs, Brett Youngerman, R. James Cotton, Andreas Tolias, Kenneth L. Shepard
Financiación/Agradecimientos : Este trabajo fue financiado en parte por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) bajo el Contrato N66001-17-C-4001, el Programa de Investigación Médica Dirigido por el Congreso del Departamento de Defensa bajo el Contrato HT9425-23-1-0758, la Fundación Nacional de Ciencias bajo la Subvención 1546296 y los Institutos Nacionales de Salud bajo la Subvención R01DC01949.
Fuente: Columbia Engineering/ engineering.columbia.edu
