Nowy ultracienki interfejs mózg–komputer otwiera drogę do dyskretnej komunikacji o wysokiej przepustowości z korą mózgową – z wyraźnymi konsekwencjami terapeutycznymi dla padaczki, urazu rdzenia kręgowego, ALS, udaru i ślepoty. Zespół badawczy z Uniwersytetu Columbia i NewYork-Presbyterian Hospital wraz z partnerami ze Stanforda i Uniwersytetu w Pensylwanii opracował system, który tworzy szybkie bezprzewodowe połączenie między korą mózgową a zewnętrznymi komputerami, bez nieporęcznych kapsuł elektroniki i bez kabli przechodzących przez czaszkę. Klucz tkwi w ekstremalnej miniaturyzacji i monolitycznej integracji: cały system mieści się na jednej płytce krzemowej, którą można pocienić i wygiąć tak, aby leżała na powierzchni mózgu jak papier, przez co inwazyjność zabiegu sprowadza się do minimum, a przepustowość danych podnosi na poziomy potrzebne do pracy zaawansowanych algorytmów uczenia maszynowego.

Dlaczego BISC jest inny: od „puszki elektroniki” do jednej płytki

Większość systemów medycznych BCI ostatniej generacji wykorzystuje wiele oddzielnych modułów mikroelektronicznych – wzmacniacze, przetworniki A/C, logikę sterującą i radiowe nadajniki-odbiorniki – umieszczonych w stosunkowo dużej wszczepionej „puszce” z kablami przechodzącymi przez czaszkę lub do klatki piersiowej. Taka architektura zwiększa inwazyjność, tworzy potencjalne drogi infekcji i ogranicza szerokość pasma. BISC burzy ten model. Cały interfejs – od 65 536 mikroelektrod w matrycy (µECoG) przez analogowe front-endy i przetworniki A/C po radiowe nadajniki-odbiorniki, zasilanie i sterowanie cyfrowe – znajduje się na jednej monolitycznej płytce CMOS pocienionej do grubości włosa. Płytka jest układana podtwardówkowo na korze, bez penetracji w tkankę, co zmniejsza reaktywność i upraszcza chirurgię.

Implant opiera się energetycznie i pod względem danych na zewnętrznej, noszonej „stacji przekaźnikowej”, która bezprzewodowo dostarcza moc i odbiera dane. Połączenie jest realizowane ultraszerokopasmowym radiem (UWB) z transceiverem on-chip; w praktyce umożliwia to przepustowość rzędu setek megabitów na sekundę, wystarczająco dla jednoczesnego nagrywania tysięcy kanałów o wysokiej rozdzielczości czasowej oraz dla dwukierunkowej interakcji „read–write” (stymulacja i nagrywanie) na korze.

Skalowalność na poziomie przemysłu półprzewodnikowego

Siła BISC polega na tym, że nie jest produkowany jako ręcznie składany „patchwork”, lecz standardowymi procesami przemysłu półprzewodnikowego. Czip jest wykonany w procesie 0,13-µm BCD (kombinacja procesów bipolarnych, CMOS i DMOS), który umożliwia współistnienie precyzyjnej niskoszumowej analogii, logiki cyfrowej, zarządzania mocą i silnych wyjść do stymulacji na tym samym krysztale. Tym samym osiąga się dotąd nieodnotowaną gęstość funkcjonalności: matryca mikroelektrodowa o 256×256 stykach, 1024 jednoczesne kanały do nagrywania i do 16 384 programowalne kanały do stymulacji, razem z podsystemami radiowymi i energetycznymi – wszystko w objętości rzędu milimetrów sześciennych i z całkowitą grubością układu, którą można sprowadzić do kilkudziesięciu mikrometrów. Ponieważ wszystko jest wykonane w standardowej litografii, platforma jest odpowiednia do produkcji seryjnej i stopniowego zwiększania liczby kanałów bez zmiany podstawowej architektury.

Bezprzewodowa wysoka przepustowość: dlaczego 100 Mbps jest istotne

W klinicznych i badawczych aplikacjach BCI kluczowe jest „złapanie” jak najwięcej informacji o intencjach, percepcji i stanach mózgu, a to wymaga zarówno wysokiej rozdzielczości przestrzennej, jak i wysokiej rozdzielczości czasowej. Połączenie UWB BISC deklaratywnie osiąga około 100 Mb/s zagregowanej przepustowości, i to bez fizycznych przewodów między korą a komputerem. Ta liczba nie jest tylko daną inżynierską na papierze: taka szerokość pasma umożliwia wykonywanie zaawansowanych algorytmów uczenia maszynowego i głębokiego na niemal surowych sygnałach, bez agresywnej kompresji i bez utraty niuansów potrzebnych do dekodowania odcieni ruchu, mowy lub percepcji. Stacja przekaźnikowa komunikuje się z komputerem standardowymi protokołami bezprzewodowymi, co upraszcza integrację z istniejącymi przepływami pracy w szpitalu i laboratorium.

Z laboratorium do szpitala: status badań 10 grudnia 2025

Na drodze do zastosowania w klinice zespół opracował minimalnie inwazyjną chirurgię, w której pocieniony czip jest wprowadzany przez małą kraniotomię i „wsuwany” w przestrzeń podtwardówkową, bezpośrednio na korę. W modelach przedklinicznych potwierdzona została stabilność długotrwałego nagrywania z kory ruchowej i wzrokowej. Odnotowano również fale wędrujące w paśmie gamma w korze wzrokowej, które niosą obfitość informacji o bodźcach, czego typowe systemy o niskiej rozdzielczości nie mogą zarejestrować. Równolegle prowadzone są krótkie badania śródoperacyjne na ludziach, ukierunkowane na jakość sygnału, solidność komunikacji i bezpieczeństwo położenia implantu podczas zabiegów neurochirurgicznych.

Dla padaczki istnieją konkretne plany: zespoły neurochirurgiczne i neurologiczne w centrum NewYork-Presbyterian/Columbia zgłosiły badania użycia BISC u pacjentów z lekooporną padaczką. Ideą jest wykorzystanie wysokiej rozdzielczości czasoprzestrzennej do precyzyjnego mapowania ognisk, przewidywania napadów i, długofalowo, celowanej stymulacji, która tłumi patologiczne wzorce, zanim przerodzą się w napad kliniczny.

Potencjał kliniczny: od kontroli napadów do przywrócenia wzroku i mowy

Chociaż pierwotny fokus jest na padaczce, technologia jest stosowalna również do szeregu innych stanów. Przy paraliżu po urazie rdzenia kręgowego lub udarze mózgu, wysoka gęstość elektrody i przepustowość otwierają przestrzeń do dekodowania intencji ruchu i sterowania egzoszkieletami lub funkcjonalną stymulacją elektryczną. W stwardnieniu zanikowym bocznym system BCI z taką rozdzielczością może posłużyć jako fundament dla szybkich interfejsów komunikacyjnych, a w okulistyce i neurookulistyce dwukierunkowa stymulacja na korze może stać się fundamentem dla protez wzrokowych o wyższej rozdzielczości przestrzennej. Wreszcie, technologie dekodowania mowy przy wysokiej przepustowości strumienia danych już pokazały, że mogą rekonstruować bardziej naturalną, ekspresyjną mowę w czasie rzeczywistym, co otwiera ważną drogę do przywracania komunikacji osobom, które ją utraciły.

Jak działa BISC: krótki „stack” od elektrody do chmury

• Matryca µECoG: układ 256×256 mikroelektrod o wysokiej gęstości leży na powierzchni kory i pojemnościowo/omowo „czyta” lokalne potencjały pola, przy minimalnym przenikaniu w tkankę.


• Analogowy front-end: każdy kanał nagrywający zawiera wzmacniacz o niskiej szumowości, programowalne filtry i przetworniki A/C zoptymalizowane dla sygnałów bioelektrycznych.


• Zarządzanie i przetwarzanie: na czipie jest kontroler z własnym instruction setem, który zarządza multipleksowaniem, wzorcami stymulacji i pakietowaniem danych.


• Zasilanie i RF: bezprzewodowe zasilanie indukcyjne/pojemnościowe i transceiver UWB do dwukierunkowej komunikacji z noszoną jednostką przekaźnikową; przekaźnik używa standardowego dostępu 802.11 w kierunku komputera.


• Warstwa softwarowa: API i narzędzia do uczenia maszynowego, które umożliwiają dekodowanie motoryki, mowy i percepcji oraz implementację zamkniętych pętli stymulacji.

Decyzje inżynierskie, które czynią różnicę

Grubość i elastyczność. Płytka pocieniona do ~50 µm (w niektórych wersjach nawet do ~15–25 µm całkowitej grubości z enkapsulacją) może wślizgnąć się między oponę twardą a sklepienie czaszki bez tworzenia nacisku objętościowego na miąższ oraz kształtowo dopasować się do zakrętów kory. Monolityczna integracja usuwa kable i złącza, zmniejsza punkty awarii oraz przynosi znaczną oszczędność objętości. Szerokość pasma rzędu 100 Mb/s jest skokiem jakościowym – umożliwia „streaming” danych neuronalnych w czasie rzeczywistym i podłoże dla zamkniętych pętli stymulacji. Efektywność energetyczna i zarządzanie mocą są zaprojektowane tak, aby dyssypacja pozostała w bezpiecznych granicach dla tkanki neuronalnej, przy stałym nadzorze temperatury i integralności sygnału.

Porównanie z innymi podejściami BCI

Ekosystem BCI jest różnorodny: od głębokich penetrujących matryc mikroigłowych do zewnątrzoponowych i podtwardówkowych siatek oraz całkowicie nieinwazyjnych systemów. Penetrujące matryce (np. robotycznie wszczepiane nici) dają bardzo wysoką rozdzielczość lokalną, ale niosą większe ryzyko chirurgiczne i długoterminową reaktywność tkanki. Systemy zewnątrzoponowe i podtwardówkowe są łagodniej inwazyjne, lecz tradycyjnie oferowały niższą rozdzielczość i przepustowość. BISC łączy zalety obu światów: podtwardówkowy, miękki kontakt z korą i gęstość kanałów, która wchodzi na terytorium wysokorozdzielczych rekonstrukcji – a przy tym unika trwałych przewodów transkortykalnych i obszernych kapsuł elektroniki. Dla klinicystów oznacza to łatwiejsze umieszczanie, dla inżynierów większą skalowalność, a dla pacjentów potencjalnie szybszy powrót do zdrowia i mniejsze ryzyko infekcji.

Od DARPA do startupu: droga komercjalizacji

Rozwój BISC został pobudzony w ramach programów ukierunkowanych na wysokorozdzielcze interfejsy z dużą liczbą kanałów nagrywania i stymulacji, z celem, aby most między mózgiem a systemami cyfrowymi uczynić jak najszerszym i przy tym bezpiecznym. Badacze następnie uruchomili transfer przemysłowy poprzez nowo założoną firmę Kampto Neurotech, która produkuje gotowe do badań wersje czipa i pracuje nad dalszym rozwojem platformy dla spełnienia wymagań do badań na ludziach. Przemysłowe podejście do produkcji wafer-scale i metryk takich jak gęstość elektrod na milimetr sześcienny wyróżnia się jako dyferencjator w odniesieniu do istniejących systemów.

Bezpieczeństwo, biokompatybilność i regulacje

Jednym z powodów wyboru konfiguracji podtwardówkowej jest zmniejszenie reaktywności tkanki i mikroprzesunięć, które z czasem degradują sygnał. Przy tym używa się elastycznych dielektryków (np. parylen, poliimid) i hermetycznych koncepcji enkapsulacji, które nie zwiększają sztywności układu. Gęstości energetyczne i przepływy cieplne są zaprojektowane tak, aby nie przekraczały granic bezpieczeństwa dla tkanki neuronalnej, podczas gdy cały system jest pomyślany, aby działał w zamkniętym obwodzie z nadzorem integralności sygnału i detekcją błędów. Po stronie regulacyjnej przedstoji standardowa droga: ocena biokompatybilności materiałów, weryfikacja kompatybilności elektromagnetycznej, walidacja oprogramowania oraz badania kliniczne, które muszą wykazać bezpieczeństwo i użyteczność w jasno zdefiniowanych wskazaniach.

AI jako „druga połowa” systemu

Wysokoprzepustowe BCI bez silnych algorytmów pozostaje tylko „mikrofonem” dla mózgu. BISC jest wymyślony do współpracy z modelami uczenia maszynowego, które pracują na prądach lokalnych pól i potencjalnie na połączeniach z wizualnymi, somatosensorycznymi i motorycznymi reprezentacjami. W dekodowaniu motoryki, gęsty układ styków ułatwia uczenie mapowania intencji ruchu w komendy dla protez lub egzoszkieletów. W mowie, kombinacja gęstego próbkowania przestrzennego i stabilnego połączenia bezprzewodowego umożliwia systemom rekonstruowanie ciągłej, ekspresyjnej mowy w niemal czasie rzeczywistym. W percepcji, duża szerokość pasma i dwukierunkowość tworzą warunki wstępne dla zamkniętych pętli, w których algorytmy nie tylko czytają, lecz i celowanie stymulują, aby poprawić patologiczne wzorce.

Co to oznacza dla kliniki w następnych latach

W padaczce: dokładniejsze mapowanie sieci generujących napady, predyktory oparte na głębokich modelach i potencjał zamkniętej pętli stymulacji dla zapobiegania napadom. W deficytach motorycznych: szybsze kanały „od myśli do ruchu” i precyzyjniejsza kontrola wielu stopni swobody. W komunikacji: naturalniejsza, szybsza mowa generowana z aktywności neuronalnej, włączając niuanse wyrazu. W zaburzeniach wizualnych: fundamenty dla protez korowych z większą liczbą przestrzeni stymulacji. Wszystko to zależy od dowodów bezpieczeństwa i solidności w trakcie dłuższych okresów, od zrównoważoności bezprzewodowego zasilania i od zdolności systemu do długotrwałego utrzymywania korzystnego stosunku sygnał/szum bez bliznowatych zmian na styku tkanka-elektroda.

Specyfikacje techniczne i liczby (kontekst dla ekspertów)

• Gęstość elektrod: 256×256 (65 536 styków) w matrycy µECoG; jednoczesne nagrywanie ≥1024 kanałów; stymulacja do 16 384 kanałów z programowalnymi wzorcami.


• Połączenie radiowe: UWB z zagregowanym przepływem bitowym w przybliżeniu 100 Mb/s; stacja przekaźnikowa zachowuje się względem komputera jak urządzenie 802.11.


• Technologia wykonania: 0,13-µm BCD (monolityczna integracja analogii, cyfry, zasilania i RF).


• Mechanika: pocieniony kryształ o grubości ~50 µm (łącznie z enkapsulacją ~25–50 µm), elastyczny do układania podtwardówkowego; powierzchnia czipa rzędu milimetrów kwadratowych; objętość ~3 mm³.


• Oprogramowanie: własny „instruction set”, API i narzędzia do dekodowania intencji, percepcji i stanu; wspierana zamknięta pętla stymulacji.


• Wyniki przedkliniczne: chroniczne nagrania (tygodnie–miesiące) u świń i naczelnych nieludzkich z dekodowaniem motoryki i percepcji; nagrania śródoperacyjne u ludzi w toku.

Otwarte pytania i granice

Jak długo pozostaje stabilna impedancja elektrod i stosunek sygnał-szum? Jak zapewnić długoterminową hermetyzację bez zwiększania sztywności? W jakim tempie rośnie zużycie w stosunku do liczby aktywnych kanałów i jak to wpływa na bilans cieplny? Czy połączenie bezprzewodowe może niezawodnie radzić sobie z elektromagnetycznie „zanieczyszczonym” środowiskiem szpitalnym? Jak wbudować cyberbezpieczeństwo i prywatność danych od pierwszego dnia? I wreszcie, jak walidować dekodery tak, aby były odporne na długoterminowe zmiany neurofizjologii i zachowania pacjentów? Odpowiedzi na te pytania przesądzą, czy BISC może przekroczyć granicę od obiecującej platformy do standardowego narzędzia neurochirurgicznego.

W sumie, z pojawieniem się jednoskładnikowego, ultracienkiego, bezprzewodowego BCI, który cały „łańcuch sygnałowy” przynosi na jeden czip, mózg zyskuje komunikacyjny „portal” wysokiej przepustowości. Jeśli nadchodzące badania kliniczne potwierdzą bezpieczeństwo i efekt w chorobach takich jak padaczka, paraliż czy utrata wzroku, następna fala neurotechnologii mogłaby z laboratoriów cicho wejść do sal neurochirurgicznych i – krok po kroku – w codzienne życie.