سپیده‌دم همزیستی انسان و ماشین

تراشه ۵۰ میکرومتری BISC؛ بزرگراه اطلاعاتی میان ذهن و هوش مصنوعی

ادغام ۶۵ هزار الکترود در تراشه‌ای به نازکی تار مو برای رمزگشایی آنی افکار.

پروژه BISC یا «سیستم رابط بیولوژیکی با قشر مغز»، جهشی خیره‌کننده در حوزه رابط‌های مغز و کامپیوتر (BCI) است که با همکاری دانشگاه‌های کلمبیا، استنفورد و پنسیلوانیا به ثمر رسیده است. این فناوری که در قالب یک مدار مجتمع تک‌تراشه‌ای طراحی شده، تنها ۵۰ میکرومتر ضخامت دارد و به قدری منعطف است که بدون آسیب به بافت، روی سطح مغز قرار می‌گیرد.

در قلب این تراشه مینیاتوری که با فناوری TSMC 0.13-μm BCD ساخته شده، ۶۵,۵۳۶ الکترود و ۱,۰۲۴ کانال ضبط داده گنجانده شده است. این اعجوبه سیلیکونی قادر است داده‌های عصبی را با سرعت ۱۰۰ مگابیت بر ثانیه (۱۰۰ برابر سریع‌تر از نمونه‌های فعلی) به صورت بی‌سیم به سیستم‌های هوش مصنوعی مخابره کند. این پهنای باند بالا به الگوریتم‌های یادگیری عمیق (Deep Learning) اجازه می‌دهد تا نیات حرکتی و حالات ذهنی فرد را با دقتی بی‌سابقه رمزگشایی کنند. از منظر پزشکی، قرارگیری این تراشه در فضای زیر سخت‌شامه‌ای (Subdural) ریسک جراحی را کاهش داده و امیدی تازه برای درمان صرع، ALS، فلج اندام و نابینایی ایجاد کرده است. استارتاپ Kampto Neurotech هم‌اکنون در حال آماده‌سازی این فناوری برای تجاری‌سازی و آغاز آزمایش‌های گسترده انسانی است.

سایبرکست قسمت 87 : تراشه مغزی BISC جهش درمانی یا خطر اخلاقی

چگونه تکنولوژی TSMC 0.13-μm BCD مرزهای درمان صرع و فلج اندام را جابه‌جا می‌کند

روایتی از تولد سریع‌ترین رابط مغز و کامپیوتر جهان در همکاری کلمبیا، استنفورد و پنسیلوانیا

انقلاب در قلمرو ذهن: تراشه‌ای به نازکی تارهای مو که افکار انسان را به صورت آنی مخابره می‌کند

در دسامبر ۲۰۲۵، دانشمندان از موفقیتی پرده‌برداری کردند که مرز بین انسان و ماشین را برای همیشه جابه‌جا خواهد کرد. محققان دانشگاه کلمبیا با همکاری تیمی از برجسته‌ترین متخصصان مهندسی و علوم اعصاب، از یک ایمپلنت مغزی فوق‌نازک به نام BISC (Biological Interface System to Cortex) رونمایی کردند که قادر است پیوندی بی‌سیم و با پهنای باند بسیار بالا میان مغز انسان و هوش مصنوعی برقرار کند. این فناوری که در مجله معتبر Nature Electronics منتشر شده، پتانسیل این را دارد که درمان بیماری‌هایی نظیر صرع، فلج و نابینایی را به کلی دگرگون سازد .

تکنولوژی BISC: فراتر از یک تراشه معمولی

بیشتر سیستم‌های ایمپلنت کنونی که در پزشکی استفاده می‌شوند، بر پایه محفظه‌های الکترونیکی حجیمی ساخته شده‌اند که فضای زیادی را در بدن اشغال می‌کنند. اما BISC یک مدار مجتمع تک‌تراشه‌ای است که آن‌قدر نازک است که می‌تواند در فضای بسیار باریک میان مغز و جمجمه قرار بگیرد. ضخامت این تراشه تنها ۵۰ میکرومتر است که تقریباً با ضخامت یک تار موی انسان برابری می‌کند و ظاهری شبیه به یک تکه کاغذ نازک و مرطوب دارد که بر روی سطح مغز قرار می‌گیرد.

این تراشه علی‌رغم اندازه میکروسکوپی خود، قدرت پردازشی خیره‌کننده‌ای دارد. در حالی که سیستم‌های قدیمی نیاز به سیم‌کشی‌های پیچیده و محفظه‌های بزرگ در قفسه سینه یا جمجمه داشتند، تمام اجزای لازم برای ثبت و تحریک عصبی، مدیریت توان، و انتقال داده‌ها در همین یک قطعه سیلیکونی کوچک تجمیع شده است.

مهندسی نیمه‌هادی‌ها در خدمت مغز

ساخت چنین دستگاهی مدیون پیشرفت‌های شگرف در صنعت نیمه‌هادی است. تراشه BISC با استفاده از فناوری 0.13 میکرومتری BCD شرکت TSMC ساخته شده است. این متد ساخت پیشرفته (Bipolar-CMOS-DMOS)، سه نوع فناوری نیمه‌هادی مختلف را در یک تراشه ترکیب می‌کند:

1. بخش CMOS: برای منطق دیجیتال.
2. بخش Bipolar: برای عملکردهای آنالوگ با ولتاژ و جریان بالا.
3. بخش DMOS: برای مدیریت توان

این ترکیب هوشمندانه به تراشه اجازه می‌دهد که نه تنها سیگنال‌های مغزی را با دقت بالا ثبت کند، بلکه در صورت نیاز، تحریکات الکتریکی هدفمندی را نیز به قشر مغز وارد نماید.

مشخصات فنی خیره‌کننده: قدرت در ابعاد میلی‌متری

سیستم BISC در ابعاد کلی تنها ۳ میلی‌متر مکعب ساخته شده است که کمتر از یک‌هزارم حجم ایمپلنت‌های استاندارد فعلی است. با این حال، این تراشه منعطف شامل موارد زیر است:

• ۶۵,۵۳۶ الکترود که سطحی بی‌سابقه از جزئیات را پوشش می‌دهند.
• ۱,۰۲۴ کانال ضبط داده‌های عصبی.
• ۱۶,۳۸۴ کانال تحریک برای تعامل با سلول‌های مغزی

یکی از بزرگترین چالش‌های رابط‌های مغز و کامپیوتر (BCI)، سرعت انتقال داده است. سیستم BISC از طریق یک ایستگاه رله پوشیدنی (Wearable Relay Station) و با استفاده از یک لینک رادیویی اختصاصی فوق‌عریض، به سرعت انتقال ۱۰۰ مگابیت بر ثانیه دست یافته است. این نرخ انتقال، ۱۰۰ برابر سریع‌تر از هر BCI بی‌سیم دیگری است که تا به امروز در دسترس بوده است. این ایستگاه رله مانند یک مودم وای‌فای (802.11) عمل کرده و به راحتی هر کامپیوتری را به ایمپلنت متصل می‌کند.

جراحی کم‌تهاجمی: ایمنی در اولویت اول

یکی از نگرانی‌های اصلی در مورد ایمپلنت‌های مغزی، آسیب‌های ناشی از جراحی‌های سنگین و واکنش بافت مغز به اجسام خارجی است. دکتر برت یانگرمن (Brett Youngerman)، جراح مغز و اعصاب در دانشگاه کلمبیا، تأکید می‌کند که کلید موفقیت BCI، حداکثر کردن جریان اطلاعات با حداقل تهاجم جراحی است.

ایمپلنت BISC به دلیل فرم کاغذی و نازک خود، به گونه‌ای طراحی شده است که بدون نیاز به نفوذ الکترودها یا سیم‌ها در بافت مغز، مستقیماً روی سطح قشر مغز (فضای زیرسخت‌شامه‌ای یا Subdural) قرار می‌گیرد. این ویژگی باعث می‌شود که واکنش بافتی به حداقل برسد و سیگنال‌ها در طول زمان دچار تخریب نشوند. جراحان می‌توانند این تراشه را از طریق یک برش کوچک در جمجمه وارد کرده و آن را روی سطح مغز بلغزانند.

هوش مصنوعی: مترجم افکار و مقاصد

داده‌های عظیمی که توسط ۶۵ هزار الکترود BISC تولید می‌شود، برای مغز انسان قابل تفسیر نیست. اینجاست که هوش مصنوعی و الگوریتم‌های یادگیری عمیق وارد میدان می‌شوند. دکتر آندریاس تولیاس (Andreas S. Tolias) از دانشگاه استنفورد توضیح می‌دهد که BISC سطح قشر مغز را به یک دروازه (Portal) موثر برای ارتباط دوطرفه با هوش مصنوعی تبدیل می‌کند.

این سیستم دارای مجموعه‌ای از دستورالعمل‌های اختصاصی و محیط نرم‌افزاری کامل است که به الگوریتم‌های پیشرفته اجازه می‌دهد تجارب ادراکی، حالات مغزی و حتی مقاصد پیچیده فرد را رمزگشایی کنند. این توانایی در بازخوانی و بازنویسی (Read-Write) داده‌های عصبی، راه را برای پروتزهای عصبی تطبیقی هموار می‌کند.

کاربردهای درمانی: امیدی برای میلیون‌ها نفر

پتانسیل‌های پزشکی BISC بسیار گسترده است. این فناوری می‌تواند در مدیریت و درمان موارد زیر انقلابی ایجاد کند:

• صرع: محققان در حال حاضر بودجه‌ای از مؤسسه ملی سلامت (NIH) دریافت کرده‌اند تا از BISC برای درمان صرع‌های مقاوم به دارو استفاده کنند.
• فلج و آسیب‌های نخاعی: بازگرداندن توانایی حرکت از طریق کنترل مستقیم اعضای مصنوعی یا تحریک عضلات توسط مغز.
• نابینایی: تحریک قشر بینایی برای بازگرداندن حس بینایی به افراد نابینا.
• بیماری‌های عصبی: کمک به بیماران مبتلا به ALS و سکته مغزی برای بازیابی قدرت تکلم و ارتباط با دنیای خارج.

دکتر یانگرمن معتقد است که این دستگاه با وضوح و سرعت انتقال داده بسیار بالا، مدیریت شرایط عصبی را متحول خواهد کرد.

همکاری‌های علمی و تجاری‌سازی

پروژه BISC حاصل یک همکاری عظیم بین دانشگاه‌های کلمبیا، استنفورد، پنسیلوانیا و بیمارستان نیویورک-پرزبیتریان است. این تحقیق تحت برنامه طراحی سیستم مهندسی عصبی آژانس پروژه‌های پژوهشی پیشرفته دفاعی (DARPA) توسعه یافته است.

برای رساندن این تکنولوژی به دست بیماران، محققان شرکت نوپایی به نام Kampto Neurotech را تأسیس کرده‌اند. این استارتاپ در حال حاضر نسخه‌های تحقیقاتی تراشه را تولید کرده و به دنبال جذب سرمایه برای آماده‌سازی سیستم جهت استفاده در بیماران انسانی است. دکتر نانیو زنگ (Nanyu Zeng)، یکی از مهندسان ارشد پروژه، معتقد است که توانایی‌های فناورانه BISC چندین مرتبه از دستگاه‌های رقیب فراتر است.

چشم‌انداز آینده: همزیستی انسان و هوش مصنوعی

با پیشرفت روزافزون هوش مصنوعی، رابط‌های مغز و کامپیوتر در حال کسب شتاب بیشتری هستند. پروفسور کن شپرد (Ken Shepard) معتقد است که ما در حال حرکت به سمتی هستیم که مغز و سیستم‌های AI بتوانند به طور یکپارچه با هم تعامل داشته باشند. او می‌گوید: «این فناوری نه تنها درمان اختلالات مغزی، بلکه نحوه تعامل ما با ماشین‌ها و در نهایت نحوه تعامل انسان با هوش مصنوعی را تغییر خواهد داد.»

در واقع، اگر بخواهیم از یک استعاره استفاده کنیم، تراشه BISC مانند تبدیل کردن یک کامپیوتر به اندازه یک اتاق (ایمپلنت‌های قدیمی) به یک گوشی هوشمند جیبی (تراشه BISC) است؛ با این تفاوت که این بار، این قدرت پردازشی مستقیماً در خدمت پیچیده‌ترین عضو بدن ما، یعنی مغز، قرار گرفته است.

این دستاورد که در مطالعات اولیه انسانی نیز نتایج امیدوارکننده‌ای داشته، نشان‌دهنده شروع فصلی نوین در علوم اعصاب و پزشکی مدرن است که در آن مرزهای ناتوانی فیزیکی ممکن است برای همیشه توسط کدهای دیجیتال و مدارهای سیلیکونی شکسته شود.

جمع‌بندی : 

این مقاله به زیبایی تلاقی هنر مهندسی نیمه‌هادی و ظرافت‌های علوم اعصاب را به تصویر می‌کشد. تمرکز بر جزئیات فنی نظیر تکنولوژی BCD و پهنای باند ۱۰۰ مگابیتی، محتوای ما را از اخبار زرد تکنولوژی متمایز کرده و سایبرمگ را به عنوان یک مرجع تحلیل‌گر و عمیق در ذهن مخاطب تثبیت می‌کند.

———————————————————————————

• نکات کلیدی:

• تجمیع بی‌سابقه: فشرده‌سازی یک سیستم کامل الکترونیکی در حجمی کمتر از ۳ میلی‌متر مکعب.

• پهنای باند ۱۰۰ مگابیتی: برقراری سریع‌ترین لینک رادیویی بی‌سیم بین مغز و ایستگاه‌های رله پوشیدنی.

• فناوری ساخت ترکیبی: استفاده از متد Bipolar-CMOS-DMOS برای مدیریت هم‌زمان منطق دیجیتال و تحریک ولتاژ بالا.

• جراحی کم‌تهاجمی: امکان جای‌گذاری تراشه از طریق یک برش کوچک و لغزاندن آن روی قشر مغز بدون نفوذ در بافت.

• ارتباط دوطرفه: توانایی هم‌زمان در «ضبط» سیگنال‌های مغزی و «تحریک» هوشمند برای مهار تشنج یا بازگرداندن حواس.

• نکات تکمیلی:

• این پروژه تحت حمایت‌های مالی سنگین آژانس دارپا (DARPA) و مؤسسه ملی سلامت آمریکا (NIH) قرار دارد

• ساختار منعطف تراشه باعث می‌شود واکنش ایمنی بدن و ایجاد بافت زخم (Scar) در محل ایمپلنت به حداقل برسد.

• ایستگاه رله پوشیدنی که مانند یک مودم عمل می‌کند، نیاز به اتصال فیزیکی و سیم‌کشی از جمجمه را کاملاً حذف کرده است.

• نتیجه گیری:

تراشه BISC تنها یک ابزار پزشکی نیست؛ این تراشه اولین خشت از بنای «همزیستی دیجیتال» انسان است. با شکستن سد پهنای باند در ارتباطات عصبی، ما به دورانی قدم گذاشته‌ایم که در آن کدهای سیلیکونی و پالس‌های بیولوژیک با هم ادغام می‌شوند تا نه تنها بیماری‌ها را ریشه‌کن کنند، بلکه فصل جدیدی از تکامل آگاهانه بشر را رقم بزنند.

• پرسش‌های تحقیقاتی بیشتر:

• حریم خصوصی عصبی: با انتقال ۱۰۰ مگابیت داده در ثانیه، چگونه می‌توان «دیوار آتش» (Firewall) مغزی ایجاد کرد تا افکار ناخودآگاه توسط هوش مصنوعی استخراج نشوند؟

• تکامل شناختی: آیا دسترسی مستقیم مغز به پایگاه‌های داده هوش مصنوعی، ساختار یادگیری و حافظه بیولوژیک انسان را در درازمدت تنبل یا دستخوش تغییر می‌کند؟

• پروتزهای حسی: چگونه می‌توان سیگنال‌های بصری دوربین‌های دیجیتال را به کدهایی تبدیل کرد که تراشه BISC بتواند با دقت بالا به قشر بینایی مغز تزریق کند؟

• سخن پایانی نویسنده :

دوستان عزیز، وقتی به BISC نگاه می‌کنم، یاد روزهایی می‌افتم که موبایل‌های غول‌پیکر جایشان را به گوشی‌های ظریف امروزی دادند. حالا همان انقلاب در حال رخ دادن در «جمجمه» ماست. در ایران، ما در حوزه جراحی مغز و اعصاب و مهندسی برق جزء برترین‌ها هستیم. چالش اصلی ما همیشه فاصله میان «ایده» تا «تولید» بوده است. BISC به من یادآوری می‌کند که آینده منتظر کسی نمی‌ماند؛ اگر ما امروز روی زیرساخت‌های مهندسی عصبی در دانشگاه‌هایمان سرمایه‌گذاری نکنیم، فردا صرفاً مصرف‌کننده تکنولوژی‌هایی خواهیم بود که عمیق‌ترین لایه‌های وجودی ما را مدیریت می‌کنند. این تراشه برای من فقط یک خبر علمی نیست، یک زنگ بیدارباش برای اکوسیستم فناوری ایران است.

منبع : به گزارش  Sciencedaily 

 

در مجله سایبرلایف بخوانید