BISC植入物厚度大致与人类头发相当 ©哥伦比亚大学工程学院
一种新型大脑植入物有望改变人机交互方式，并拓展癫痫、脊髓损伤、肌萎缩侧索硬化症（ALS）、脑卒中和失明等神经系统疾病的治疗可能性——助力控制癫痫发作，恢复运动、语言和视觉功能。其实现方式是通过提供一种微创、高通量的信息链路，直接与大脑进行双向信息传递。
这种新系统的变革潜力在于其小巧的尺寸和高速的数据传输能力。该脑机接口（BCI）由哥伦比亚大学、纽约长老会医院、斯坦福大学和宾夕法尼亚大学的研究人员联合开发，依靠单一硅芯片在大脑与任何外部计算机之间建立无线、高带宽连接。该平台被称为“大脑皮层生物接口系统”（Biological Interface System to Cortex, BISC）。
发表在《Nature Electronics》杂志上的一项研究对BISC进行了描述，它包括一个单芯片植入物、一个可穿戴的“中继站”以及操作该系统所需的定制软件。
BISC植入物和中继站 ©Nature Electronics
“大多数可植入系统都是围绕一个电子元件罐构建的，这些罐子在体内占据了巨大的空间，”哥伦比亚大学劳氏家族电气工程教授、生物医学工程教授兼神经科学教授Ken Shepard说道，他是这项研究的资深作者之一，并指导了相关工程工作。
“我们的植入物是一个单一的集成电路芯片，它非常薄，可以滑入大脑和颅骨之间的空隙，像一张湿纸巾一样贴合在大脑表面。”
参与BISC研发工作的还有资深联合通讯作者、斯坦福大学眼科学教授、Enigma项目联合创始主任Andreas S. Tolias博士。Tolias在大规模神经数据集上训练人工智能模型方面开展了开创性工作——包括在其实验室中使用BISC记录的数据集，这使研究团队能够评估该设备的神经解码性能。
“BISC将大脑皮层表面变成了一个高效的门户，实现了与人工智能及外部设备之间高带宽、微创的读写通信，” Tolias说。
“其单芯片的可扩展性为开发自适应神经假体和脑-人工智能接口以治疗癫痫等多种神经精神疾病铺平了道路。”
哥伦比亚大学神经外科助理教授、纽约长老会医院/哥伦比亚大学欧文医学中心的神经外科医生Brett Youngerman博士是该项目的首席临床合作者。
“这种高分辨率、高数据吞吐量的设备有望彻底改变从癫痫到瘫痪等神经系统疾病的治疗管理方式，”他说。
“有效的脑机接口设备的关键在于，要最大限度地提高与大脑之间的信息流量，同时使设备的手术植入尽可能具有微创性。BISC在这两方面都超越了以往的技术，” Youngerman博士继续说道。
“半导体技术使之成为可能，它让原本需要占据一整个房间的计算机的计算能力，如今可以装进你的口袋里，” Shepard说。“我们现在正将同样的技术应用于医疗植入物，让复杂的电子设备能够存在于体内，同时几乎不占用任何空间。”
脑机接口通过与神经元在整个大脑中传递信息时所使用的电信号进行交互来发挥作用。当今医疗领域使用的最先进的脑机接口由单个微电子元件构成，包括放大器、数据转换器、无线电发射器和电源管理电路。
为了容纳所有这些设备，必须通过手术将一个大型电子元件罐植入体内，要么移除一部分颅骨，要么将设备放置在胸部等其他部位，再通过导线连接到大脑。
BISC的工作原理则有所不同。整个植入物体积不到传统设备的1/1000，是一个单一的互补金属氧化物半导体（CMOS）集成电路芯片，厚度仅为50微米。这个柔性芯片总体积约为3立方毫米，能够贴合大脑表面。
这种微皮层脑电图（µECoG）设备集成了65536个电极、1024个同步记录通道和16384个刺激通道。借助半导体行业开发的大规模制造技术，这些植入物可以轻松实现规模化生产。
这款单芯片植入物包括一个无线电收发器、无线供电电路、数字控制模块、电源管理模块、数据转换模块，以及支持记录和刺激接口所需的模拟电路。由电池供电的中继站为植入物供电并与之通信，通过定制的超宽带无线电链路传输数据，实现100 Mbps的数据带宽——这一连接的吞吐量至少是其他竞争性无线脑机接口设备的100倍。
中继站本身是一个802.11 WiFi设备，实际上形成了从任何计算机到大脑的中继无线网络连接。
BISC拥有自己的指令集，并配备了庞大的软件栈，两者共同构成了专为脑机接口设计的计算架构。正如本研究所示，这些高带宽的记录能力使大脑信号模式能够被输入到先进的机器学习或深度学习框架中，以解码复杂的意图、感知或状态。
“通过将所有东西都集成在一块硅片上，我们展示了大脑接口如何变得更小、更安全，并且功能显著增强，” Shepard说。
为了让这项技术能够惠及医生和患者，Shepard的团队与纽约长老会医院/哥伦比亚大学欧文医学中心的Youngerman展开了密切合作。
正如当前研究中所描述的，他们共同改进了手术方法，以在临床前模型中安全植入这种薄如纸片的设备，并展示了其记录质量和稳定性。针对人类患者的短期术中记录研究正在进行中。
“这些初步研究为我们提供了关于该设备在真实手术环境中表现的宝贵数据，”Youngerman说。
“植入物可以通过颅骨上的微创切口插入，并直接滑入硬膜下腔的大脑表面。这种薄如纸片的外形，以及没有穿透大脑的电极或将植入物拴在颅骨上的导线，最大限度地减少了组织反应和随时间推移的信号衰减。”
BISC在运动皮层和视觉皮层的大量临床前测试得益于与Tolias博士以及宾夕法尼亚大学神经外科教授Bijan Pesaran的合作，这两位都是计算神经科学和系统神经科学领域的领军人物。
“BISC实现的极端小型化为新一代植入式技术提供了令人兴奋的平台，这些技术还能通过光和声音等其他方式与大脑交互，”Pesaran说。
BISC是在国防高级研究计划局（DARPA）的神经工程系统设计项目下开发的，它融合了哥伦比亚大学在微电子领域的优势、斯坦福大学和宾夕法尼亚大学前沿的神经科学研究，以及纽约长老会医院/哥伦比亚大学欧文医学中心的外科创新成果。
为了加速技术转化，哥伦比亚大学和斯坦福大学的团队成立了Kampto Neurotech公司，这是一家由哥伦比亚大学电气工程校友、该项目的首席工程师之一曾南宇（Nanyu Zeng，音译）博士创立的衍生企业。Kampto Neurotech公司正在开发用于临床前研究应用的芯片商业版本，并筹集资金以推动该系统向人类使用阶段迈进。
“这是一种从根本上不同的脑机接口设备构建方式，”曾说。“通过这种方式，BISC的技术能力比竞争设备高出好几个数量级。”
在人工智能进步推动的技术格局中，脑机接口技术近年来引起了广泛关注，既用于为受神经系统疾病影响的人恢复功能，也可能通过提供与大脑的直接接口来增强人类能力。
“通过将超高分辨率神经记录与全无线操作相结合，并配上先进的解码和刺激算法，我们正迈向一个大脑与人工智能系统可以无缝交互的未来——这不仅是为了研究，更是为了人类的福祉，”Shepard说。
“这可能会改变我们治疗脑部疾病的方式、我们与机器交互的方式，并最终改变人类与人工智能的互动方式。”
https://techxplore.com/news/2025-12-silicon-chips-brain-generation-interface.html
https://doi.org/10.1038/s41928-025-01509-9
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