Kağıt inceliğinde beyin çipi geliştirildi

İnsan–bilgisayar etkileşimini baştan tanımlayabilecek yeni bir beyin implantı geliştirildi.

“Beyin Kabuğuna Biyolojik Arayüz Sistemi” (BISC - Biological Interface System to Cortex) adı verilen sistem, saç teli kalınlığında tek bir çip ile beyinle bilgisayarlar arasında kablosuz, yüksek hızlı bir veri köprüsü kuruyor. Nature Electronics dergisinde yayımlanan çalışmaya göre cihaz, epilepsiden felce, ALS’den görme kaybına kadar birçok nörolojik hastalığın tedavisinde çığır açabilecek potansiyele sahip.

YENİ NESİL ARAYÜZ

Beyin–bilgisayar arayüzleri, sinir hücrelerinin elektrik sinyallerini okuyup bilgisayarlara aktaran ya da tam tersine beyine uyarı gönderen sistemler olarak yıllardır geliştiriliyor. Ancak bugüne kadar kullanılan pek çok implant, kafatasında büyük bir “metal kutu” gerektiriyor; kablolar ve kalın elektrotlar hem yer kaplıyor hem de cerrahi riski artırıyordu.

Columbia Üniversitesi, NewYork–Presbyterian Hastanesi, Stanford Üniversitesi ve Pensilvanya Üniversitesi’nden araştırmacılar tarafından geliştirilen BISC ise tamamen farklı bir yaklaşım sunuyor. Tümü tek bir silikon yonga üzerine kurulu olan sistem, yaklaşık 50 mikrometre kalınlığında, yani bir kağıttan bile ince. Toplam hacmi yaklaşık 3 mm³ olan esnek çip, kafatası ile beyin zarı arasındaki dar boşluğa adeta “ıslak mendil” gibi yerleştirilebiliyor; kafatasında büyük bir delik açmayı ya da beyin dokusunun içine giren elektrotlar kullanmayı gerektirmiyor.

Cerrahlar, küçük bir kesiyle kafatasında ince bir açıklık oluşturup çipi doğrudan beyin yüzeyine kaydırarak yerleştiriyor. Çipin kablo ya da kafatasına vidalanmış metal parçalarla sabitlenmemesi, dokunun daha az tahriş olmasına ve uzun vadede sinyallerin daha stabil kalmasına yardımcı oluyor. Preklinik modellerde yapılan deneylerde, cihazın uzun süreli kayıtları güvenle alabildiği gösterildi; ilk insan denemeleri ise şimdilik ameliyat sırasında kısa süreli kayıtlarla sınırlı.

İNCE ÇİP, BİNLERCE ELEKTROT

BISC’in içinde, beynin yüzeyinden sinyal alan mikro–elektrokortikografi (µECoG) tabanlı tam 65 bin 536 elektrot bulunuyor. Bunlardan bin 24’ü aynı anda kayıt yapabiliyor, 16 bin 384 elektrot ise gerektiğinde beyne hafif elektrik uyarıları gönderebiliyor. Bu kadar yoğun bir elektrot dizilimi, beynin hem hareket hem de görme gibi karmaşık bölgelerinden çok yüksek çözünürlüklü veri alınmasını sağlıyor.

Tüm elektronikler -güç yönetimi, veri dönüştürücüler, alıcı–verici, kayıt ve uyarım devreleri- tek bir CMOS çipin içine entegre edilmiş durumda. Çip, vücut dışında kullanılan küçük, pille çalışan bir “aktarıcı istasyona” kablosuz olarak bağlanıyor. Bu aktarıcı, hem implanta güç veriyor hem de özel bir ultra geniş bant radyo bağlantısıyla saniyede 100 megabit düzeyinde veri aktarımı sağlıyor. Bu hız, bugünkü kablosuz beyin-bilgisayar arayüzü sistemlerinin en az 100 kat üzerinde. Aktarıcı, dış dünyaya standart bir Wi-Fi cihazı gibi görünüyor ve beyin ile herhangi bir bilgisayar arasında köprü görevi görüyor.

Sistem yalnızca donanımdan ibaret değil. Araştırmacılar, BISC için özel bir komut seti ve kapsamlı bir yazılım yığını geliştirmiş durumda. Böylece çipten gelen zengin beyin sinyalleri doğrudan gelişmiş makine öğrenmesi ve derin öğrenme modellerine beslenebiliyor. Ekip, bu sayede hareket niyetleri, algısal deneyimler ve içsel durumları yüksek doğrulukla çözebilen yapay zekâ modelleri eğitildiğini belirtiyor.

EPİLEPSİDEN FELCE UMUT

Bu ultra ince beyin çipinin ilk hedefleri arasında, ilaçlara dirençli epilepsi, omurilik yaralanmaları, ALS, inme sonrası felç ve görme kaybı gibi ağır nörolojik tablolar yer alıyor. ABD Ulusal Sağlık Enstitüleri’nden alınan bir hibeyle özellikle ilaçlara dirençli epilepsinin yönetimi için BISC tabanlı bir sistem geliştirilmesi planlanıyor. Yüksek çözünürlüklü kayıt ve uyarım sayesinde, nöbetlerin başladığı odakların daha iyi saptanması ve gerektiğinde bunların hedefli elektriksel uyarılarla bastırılması hedefleniyor.

Araştırma ekibine göre BISC, gelecekte felçli hastalarda hareket ve konuşma fonksiyonlarını yeniden kazandıran nöroprotezlerin, görme engellilerde görüntüleri doğrudan beyne ileten sistemlerin ve bazı psikiyatrik hastalıklarda beyin devrelerini hassas şekilde yeniden ayarlayan tedavilerin temelini oluşturabilir. Proje, ABD Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı’nın (DARPA) “Nöral Mühendislik Sistem Tasarımı” programı kapsamında destekleniyor. Columbia ve Stanford araştırmacıları, Kampto Neurotech adlı bir girişim kurarak çipin ticari sürümlerini preklinik araştırmalar için piyasaya hazırlamaya başladı.

Uzmanlar, BISC gibi teknolojilerin yalnızca hastalıkları tedavi etmekle kalmayıp uzun vadede sağlıklı bireylerde de “beyin-yapay zekâ” etkileşimini mümkün kılabileceğini söylüyor. Bu da hem büyük bir tıbbi potansiyel hem de ciddi etik tartışmalar anlamına geliyor. Ancak şu an için öncelik, teknolojiyi güvenli ve etkili bir şekilde klinik kullanıma taşıyıp, ağır nörolojik hastalıklarla yaşayan milyonlarca insan için yeni bir umut penceresi açmak.