Испытания Neuralink на людях: технологический анализ устройства N1 и его имплантации

Управление по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) разрешило компании Илона Маска Neuralink проводить клинические испытания на людях. Чип N1 позволяет передавать сигналы мозга по Bluetooth, чтобы управлять компьютером или смартфоном напрямую при помощи мозговых импульсов. В этой статье мы рассказали о принципах работы чипа N1, его устройстве и процессе имплантации.

Что такое Neuralink

Neuralink — американская нейротехнологическая компания, которая разрабатывает имплантируемые нейроинтерфейсы (BCI). Компания базируется во Фримонте, штат Калифорния. Ее основал Илон Маск вместе с командой из семи ученых и инженеров в 2016 году.

Впервые устройство N1 показали в июле 2019 года, а презентовали в августе 2020 года. В 2021 году компания Neuralink продемонстрировала обезьяну, играющую в игру «Понг» с помощью чипа. 

В 2022 году прошла еще одна презентация, где подробно рассказали об интерфейсе, исследованиях и хирургической инженерии. В 2023 году FDA дали добро Neuralink на проведения клинических испытаний на людях.

Кому поможет нейрочип

Если клинические испытания на людях нейрочипа N1 пройдут успешно, то качество жизни людей с тяжелыми неврологическими заболеваниями станет значительно выше, чем сейчас. Предполагается, что устройство поможет уменьшить или полностью убрать симптомы следующих болезней:

• болезнь Паркинсона. Нейродегенеративное заболевание, которое влияет на движения. Чип сможет стимулировать определенные области мозга для облегчения основных симптомов: тремора, скованности, трудностей с равновесием и координацией;

• эпилепсия. Неврологическое расстройство, которое характеризуется внезапными эпизодами нарушения чувствительности, потерей сознания или конвульсиями. Предполагается, что устройство поможет предсказывать и предотвращать припадки. Чип будет обнаруживать аномальную электрическую активность в мозге и отвечать на нее электрической стимуляцией;

• паралич и травмы спинного мозга. Люди с параличом или травмами спинного мозга смогут восстановить контроль над своими конечностями. Технология потенциально может обойти поврежденные участки нервной системы и позволить мозгу напрямую общаться с мышцами;

• депрессия и тревожность. При психических заболеваниях нейрочип будет стимулировать определенные участки мозга, которые связаны с регуляцией настроения;

• слепота и глухота. Технология Neuralink сможет обойти поврежденные органы чувств и напрямую стимулировать определенные области мозга, что впоследствии поможет восстановить органы чувств.

Помимо новых возможностей для людей с неврологическими заболеваниями, Илон Маск планирует, что устройство поможет мозгу работать эффективнее. Также чип сможет передавать музыку напрямую в мозг, и с его помощью можно будет общаться телепатически.

Технический обзор устройства N1

Дизайн и структура

Устройство представляет собой компактную систему-на-кристалле (SoC) высокой плотности, предназначенную для клинических приложений. Она изготовлена по 65-нм КМОП-технологии и имеет размеры всего 5x4 мм². SoC состоит из четырех 256-канальных плиток, каждая из которых содержит 256 нейронных усилителей. Она также включает 16 аналого-цифровых преобразователей с регистрами последовательного приближения (SAR ADC), 16-ядерный механизм стимуляции, каждое ядро которого связано с 16 каналами, и механизм измерения импеданса.

Электроды и нити

N1 взаимодействует с мозгом через 1024 имплантированных электрода. Эти электроды улавливают слабые нейронные сигналы, которые затем усиливаются нейронными усилителями. Усилители расположены в виде сетки 8x8, и каждый усилитель связан с определенным электродом, что обеспечивает независимую конфигурацию. Сигналы от электродов обычно имеют амплитуду менее 10 микровольт, что требует усиления системы от 43 дБ до 60 дБ, чтобы поместить сигналы в 10-битное разрешение встроенного АЦП.

Микросхемы и электроника

SoC включает в себя ряд сложных электронных устройств для обработки нейронных сигналов. Усиленные сигналы оцифровываются АЦП, затем сериализуются и фильтруются цифровым мультиплексором. Сериализованный сигнал отправляется на контроллер, который упаковывает данные и взаимодействует с механизмом сжатия и схемой слияния. Механизм сжатия применяет пороговые значения для обнаружения скачков в определенном диапазоне, уменьшая размер пакетов данных и сжимая сигнал. Схема слияния получает пакеты данных от контроллера, механизма сжатия и де-сериализатора и выбирает, какие пакеты отправить за пределы кристалла через сериализатор.

Аккумулятор и зарядка

Устройство N1 разработано с учетом энергоэффективности, общая потребляемая мощность составляет всего 24,7 мВт. Такое низкое энергопотребление продлевает срок службы батареи устройства и снижает частоту зарядки.

Процесс имплантации и работы чипа

Имплантация. Устройство размером с монету имплантируется в мозг. Операцию проводит робот-хирург, который вставляет гибкие нити электродов через небольшое отверстие в черепе.

Обнаружение сигнала. После имплантации электроды устройства (крошечные датчики) располагаются рядом с нейронами в мозге. Эти электроды «слушают» электрическую активность нейронов, считывая сигналы мозга.

Передача сигнала. Электрические сигналы, которые улавливают электроды, передаются по беспроводной связи от имплантата к внешнему устройству. Беспроводная передача сигнала — это инновация Neuralink. Большинство современных BCI требуют внешних кабелей для подключения к компьютеру.

Декодирование сигнала. Компьютерная система интерпретирует передаваемые сигналы, затем декодирует их в команды или действия. Это может быть что угодно: перемещение курсора на экране, управление роботизированной рукой или  потенциальное восстановление зрения.

Петля обратной связи. Устройство Neuralink может не только считывать сигналы из мозга, но и посылать сигналы обратно в мозг. Это обеспечивает двустороннюю связь, позволяя записывать и стимулировать близлежащие нейроны.

Риски при имплантации устройства

Несмотря на точность, с которой робот выполняет процесс имплантации, как и любое хирургическое вмешательство, он сопряжен с определенными рисками. К ним можно отнести инфекции, кровотечения и повреждение тканей мозга.

Важно отметить, что на самом деле риски сведены к минимуму благодаря строгим хирургическим протоколам, передовым хирургическим техникам и тщательному послеоперационному наблюдению и уходу за пациентами.

Когда технология станет массовой

Сейчас сложно назвать точные сроки, когда применение нейрочипов станет массовым. Многое будет зависеть от результатов клинических испытаний на людях, скорости усовершенствования и масштабирования технологии, а также темпов признания со стороны регулирующих органов и общества. Можно предположить, что первые одобренные применения технологии произойдут в течение следующих пяти-десяти лет, то есть в конце 2020-х — начале 2030-х годов, а массовое использование устройств начнется к середине или концу 2030-х годов.