تعمل زرعة دماغية مصغرة بشكل جذري تسمى BISC على إعادة تعريف ما هو ممكن في التفاعل بين الإنسان والحاسوب، مما يوفر رابطًا لاسلكيًا رفيع النطاق ورفيع النطاق مباشرةً إلى الدماغ.

مع أكثر من 65000 قطب كهربائي وإنتاجية غير مسبوقة للبيانات، فإنه يتيح فك تشفير الذكاء الاصطناعي المتقدم للأفكار والنوايا والتجارب الحسية مع الحفاظ على الحد الأدنى من التدخل.

زرع دماغ رفيع للغاية مع وصلة بيانات عالية السرعة

تعمل زراعة دماغية جديدة على إحداث تحول في التفاعل بين الإنسان والحاسوب وتوسيع إمكانيات العلاج للحالات العصبية مثل الصرع وإصابة النخاع الشوكي والتصلب الجانبي الضموري والسكتة الدماغية والعمى – مما يساعد على إدارة النوبات واستعادة الوظيفة الحركية والكلام والبصرية. يقوم بذلك عن طريق إنشاء قناة اتصال قليلة التدخل وعالية الإنتاجية مباشرة داخل وخارج الدماغ.

ما يجعل هذا النظام واعدًا جدًا هو حجمه الصغير جدًا بالإضافة إلى القدرة على نقل كميات كبيرة من البيانات بسرعة كبيرة. تم تطويره بواسطة فرق في جامعة كولومبيا، مستشفى نيويورك المشيخي، جامعة ستانفورد، و جامعة بنسلفانياتم بناء واجهة الدماغ والحاسوب (BCI) هذه حول شريحة سيليكون واحدة توفر جسرًا لاسلكيًا عالي النطاق بين الدماغ وأجهزة الكمبيوتر الخارجية. تسمى المنصة نظام الواجهة البيولوجية للقشرة (BISC).

في دراسة نشرت اليوم (8 ديسمبر) في إلكترونيات الطبيعةيصف الباحثون BISC بأنه يتكون من ثلاثة أجزاء رئيسية: شريحة واحدة مزروعة، و”محطة ترحيل” يمكن ارتداؤها، وبرنامج متخصص يدير النظام. يقول كين شيبرد، أستاذ الهندسة الكهربائية في عائلة لاو، وأستاذ الهندسة الطبية الحيوية، وأستاذ العلوم العصبية في جامعة كولومبيا، وهو أحد كبار المؤلفين في العمل وقام بتوجيه الجهود الهندسية: “معظم الأنظمة القابلة للزرع مبنية حول علبة من الإلكترونيات التي تشغل مساحة هائلة داخل الجسم”. “إن غرستنا عبارة عن شريحة دائرة متكاملة واحدة رفيعة جدًا بحيث يمكن أن تنزلق في الفراغ بين الدماغ والجمجمة، وتستقر على الدماغ مثل قطعة من المناديل الورقية المبللة.”

تحويل القشرة إلى بوابة ذات نطاق ترددي عالي

تعاون شيبرد مع المؤلف الرئيسي والمشارك أندرياس س. تولياس، دكتوراه، أستاذ طب العيون والمدير المؤسس لمشروع إنجما في جامعة ستانفورد. إن عمل تولياس الرائد في تدريب نماذج الذكاء الاصطناعي على مجموعات البيانات العصبية واسعة النطاق – بما في ذلك مجموعات البيانات المسجلة في مختبر تولياس باستخدام BISC – سمح للفريق بإجراء اختبار صارم لمدى قدرة الجهاز على فك تشفير النشاط العصبي.

يقول تولياس: “يحول BISC السطح القشري إلى بوابة فعالة، مما يوفر نطاقًا تردديًا عاليًا واتصالات قراءة وكتابة طفيفة التوغل مع الذكاء الاصطناعي والأجهزة الخارجية”. “إن قابلية التوسع في شريحة واحدة تمهد الطريق أمام الأطراف الاصطناعية العصبية التكيفية وواجهات الذكاء الاصطناعي في الدماغ لعلاج العديد من الاضطرابات النفسية العصبية، مثل الصرع.”

وقد عمل الدكتور بريت يونجرمان، الأستاذ المساعد في جراحة الأعصاب في جامعة كولومبيا وجراح الأعصاب في مركز إيرفينغ الطبي في نيويورك-بريسبيتيريان/جامعة كولومبيا، كشريك سريري رئيسي في المشروع. ويقول: “هذا الجهاز عالي الدقة، عالي الإنتاجية، لديه القدرة على إحداث ثورة في إدارة الحالات العصبية، بدءًا من الصرع وحتى الشلل”. حصل يونجرمان، وشيبرد، وطبيبة أعصاب الصرع من نيويورك-بريسبيتيريان/كولومبيا الدكتورة كاثرين شيفون مؤخرًا على منحة من مؤسسة المعاهد الوطنية للصحة لتنفيذ BISC في إدارة الصرع المقاوم للأدوية. “إن مفتاح أجهزة الواجهة الفعالة للدماغ والحاسوب هو زيادة تدفق المعلومات من وإلى الدماغ إلى الحد الأقصى، مع جعل الجهاز بأقل تدخل جراحي قدر الإمكان. ويتفوق BISC على التكنولوجيا السابقة على كلا الجبهتين،” يتابع الدكتور يونغرمان.

يقول شيبرد: “لقد جعلت تكنولوجيا أشباه الموصلات هذا الأمر ممكنًا، مما أتاح للقوة الحاسوبية لأجهزة الكمبيوتر بحجم الغرفة أن تتناسب الآن مع جيبك”. “نحن الآن نفعل الشيء نفسه بالنسبة للأجهزة الطبية المزروعة، مما يسمح للإلكترونيات المعقدة بالتواجد في الجسم دون أن تشغل أي مساحة تقريبًا.”

لماذا تعتبر عمليات زرع الدماغ التقليدية كبيرة وغزوية؟

تعمل BCIs عن طريق الاتصال بالإشارات الكهربائية الصغيرة التي تستخدمها الخلايا العصبية للتواصل. في الأجهزة الطبية الحالية، يتضمن هذا عادةً تجميع العديد من الأجزاء الإلكترونية الدقيقة المنفصلة، ​​مثل مكبرات الصوت، ومحولات البيانات، وأجهزة إرسال الراديو، ودوائر إدارة الطاقة. ونظرًا لأنه يجب وضع كل هذه الأجهزة في مكان ما، غالبًا ما يقوم الأطباء بزراعة علبة إلكترونية كبيرة نسبيًا، إما عن طريق إزالة جزء من الجمجمة أو عن طريق وضعها في مكان آخر من الجسم، مثل الصدر، ثم توجيه الأسلاك إلى الدماغ.

كيف يقوم BISC بتقليص عملية زرع الدماغ على شريحة واحدة

يأخذ BISC نهجا مختلفا. إن الغرسة بأكملها عبارة عن شريحة دائرة متكاملة مكونة من أكسيد المعدن وأشباه الموصلات (CMOS)، تم تخفيفها إلى 50 ميكرومتر فقط وتشغل أقل من 1/1000 من حجم الجهاز النموذجي. مع حجم إجمالي يبلغ حوالي 3 مم مكعب، يمكن لهذه الشريحة المرنة أن تنحني لتتناسب مع سطح الدماغ. يتضمن جهاز تخطيط القشرة الكهربائية الدقيقة (μECoG) 65,536 قطبًا كهربائيًا، و1,024 قناة تسجيل متزامنة، و16,384 قناة تحفيز. ونظرًا لأنه تم تصميمه باستخدام نفس النوع من عمليات التصنيع واسعة النطاق المستخدمة في صناعة أشباه الموصلات، فيمكن إنتاج الغرسة بأعداد كبيرة.

يوجد داخل هذه الشريحة الفردية جميع الإلكترونيات اللازمة للواجهة: جهاز إرسال واستقبال لاسلكي، ودائرة طاقة لاسلكية، ومنطق التحكم الرقمي، وإدارة الطاقة، ومحولات البيانات، والمكونات التناظرية اللازمة للتسجيل والتحفيز. تعمل محطة الترحيل الخارجية التي تعمل بالبطارية على تشغيل الغرسة وتبادل البيانات معها من خلال رابط راديو مخصص فائق العرض يصل إلى نطاق ترددي للبيانات يصل إلى 100 ميجابت في الثانية – إنتاجية أعلى 100 مرة على الأقل من أي واجهة توصيل معلوماتية (BCI) لاسلكية أخرى متاحة حاليًا. تظهر محطة الترحيل نفسها للعالم الخارجي كجهاز WiFi 802.11، وتعمل بشكل فعال كجسر بين أي كمبيوتر والدماغ.

تقدم BISC أيضًا مجموعة التعليمات الخاصة بها ومجموعة كبيرة من البرامج، مما يشكل معًا بنية حوسبة مخصصة لواجهات BCI. في التجارب المذكورة، يتيح نظام النطاق الترددي العالي هذا إرسال أنماط غنية من نشاط الدماغ إلى أدوات التعلم الآلي والتعلم العميق المتقدمة التي يمكنها فك تشفير النوايا والتصورات والحالات الداخلية المعقدة.

يقول شيبرد: “من خلال دمج كل شيء في قطعة واحدة من السيليكون، أظهرنا كيف يمكن أن تصبح واجهات الدماغ أصغر حجمًا وأكثر أمانًا وأكثر قوة بشكل كبير”.

من النماذج قبل السريرية إلى الاختبارات البشرية المبكرة

ولتحريك هذه التكنولوجيا نحو الاستخدام السريري، عمل فريق شيبرد بشكل وثيق مع يونجرمان وزملائه في مركز إيرفينغ الطبي بجامعة نيويورك-بريسبيتيريان/كولومبيا. لقد طوروا وصقلوا تقنيات جراحية لوضع الشريحة الرقيقة بأمان في نموذج ما قبل السريري، وتأكدوا من قدرتها على تسجيل الإشارات العصبية بشكل موثوق وثابت مع مرور الوقت، كما هو موضح في الدراسة الجديدة. الدراسات المبكرة على المرضى من البشر جارية، وتركز على التسجيلات قصيرة المدى أثناء الجراحة.

يقول يونجرمان: “تزودنا هذه الدراسات الأولية ببيانات لا تقدر بثمن حول كيفية أداء الجهاز في بيئة جراحية حقيقية”. “يمكن إدخال الغرسات من خلال شق طفيف التوغل في الجمجمة وتنزلق مباشرة على سطح الدماغ في الفضاء تحت الجافية. إن عامل الشكل الرقيق للورقة وعدم وجود أقطاب كهربائية أو أسلاك مخترقة للدماغ تربط الغرسة بالجمجمة يقلل من تفاعل الأنسجة وتدهور الإشارة بمرور الوقت. “

تضمنت الاختبارات الموسعة قبل السريرية لـ BISC في القشرة الحركية والبصرية التعاون مع كل من الدكتور تولياس وبيجان بيساران، أستاذ جراحة الأعصاب في جامعة بنسلفانيا، والذين يعتبرون قادة معترف بهم في علم الأعصاب الحسابي والنظمي.

يقول بيساران: “إن التصغير الشديد الذي أجراه BISC مثير للغاية كمنصة لأجيال جديدة من التقنيات القابلة للزرع والتي تتفاعل أيضًا مع الدماغ بوسائل أخرى مثل الضوء والصوت”.

تم تطويره ضمن برنامج تصميم أنظمة الهندسة العصبية التابع لوكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (داربا)، يجمع BISC بين خبرة جامعة كولومبيا في مجال الإلكترونيات الدقيقة، وبرامج علم الأعصاب المتطورة في ستانفورد وبنسلفانيا، والابتكار الجراحي لمركز إيرفينغ الطبي في نيويورك-بريسبيتيريان/جامعة كولومبيا.

التسويق التجاري وتطبيقات الذكاء الاصطناعي المستقبلية للدماغ

لتسريع التقدم نحو الاستخدام العملي، أنشأ باحثو كولومبيا وستانفورد شركة Kampto Neurotech، وهي شركة منبثقة أسسها خريج الهندسة الكهربائية بجامعة كولومبيا الدكتور نانيو تسنغ، أحد المهندسين الرئيسيين في المشروع. تعمل Kampto Neurotech على إصدارات تجارية من الرقاقة للأبحاث قبل السريرية وتسعى للحصول على الدعم لتحريك التكنولوجيا نحو الاستخدام المستقبلي على البشر.

يقول تسنغ: “هذه طريقة مختلفة تمامًا لبناء أجهزة BCI”. “وبهذه الطريقة، يتمتع BISC بقدرات تكنولوجية تتجاوز تلك الموجودة في الأجهزة المنافسة بعدة مراتب من حيث الحجم.”

مثل الذكاء الاصطناعي مع التقدم المحرز، تجتذب تقنيات BCI اهتمامًا متزايدًا لاستعادة القدرات المفقودة لدى الأشخاص المصابين بأمراض عصبية ولتعزيز الوظيفة الطبيعية عن طريق إنشاء اتصالات مباشرة بين الدماغ والآلات.

يقول شيبرد: “من خلال الجمع بين التسجيل العصبي عالي الدقة والتشغيل اللاسلكي بالكامل، وإقران ذلك مع خوارزميات فك التشفير والتحفيز المتقدمة، فإننا نتحرك نحو مستقبل حيث يمكن لأنظمة الدماغ والذكاء الاصطناعي التفاعل بسلاسة – ليس فقط من أجل البحث، ولكن لصالح الإنسان”. “وهذا يمكن أن يغير كيفية علاجنا لاضطرابات الدماغ، وكيفية تفاعلنا مع الآلات، وفي نهاية المطاف كيفية تفاعل البشر مع الذكاء الاصطناعي.”

المرجع: “تسجيلات ثابتة ومزمنة داخل الجسم الحي من جهاز واجهة حاسوبية دماغية لاسلكي بالكامل يحتوي على 65,536 قطبًا كهربائيًا تحت الجافية” 8 ديسمبر 2025، إلكترونيات الطبيعة.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.