如今，用于刺激大脑的植入式电极设备非常粗糙，仅带有少数电极，这些电极可用于减轻帕金森氏病，癫痫病和其他神经退行性疾病的影响。由于植入过程的极端侵入性和植入装置的大尺寸，使用这些装置的患者人数仅为数万。具有更多可以与大脑交互的通道的侵入性较小的植入设备的发明将带来对脑机接口的革命性改进，包括与听觉皮层和视觉皮层的直接接口，极大地扩展了人工系统的使用方式支持脑功能。
得益于美国国防部国防高级研究计划局(DARPA)的四年新一千五百八十万美元拨款，哥伦比亚工程教授肯·谢泼德(Ken Shepard)是与生物系统对接的电子技术开发的先驱，领导着一个团队就是这样：发明一种植入的大脑接口设备，可以改变神经退行性疾病患者或听力和视力障碍者的生活。
“这个话题最近吸引了包括初创企业Neuralink和Kernel在内的私营部门的很多兴趣，”刘伯德电气工程系教授，哥伦比亚工程学院生物医学工程学教授谢泼德说。“如果我们成功了，这种设备的微小尺寸和大规模将为与大脑的转换界面提供机会，包括与视觉皮层的直接界面，这将使视力丧失的患者以前所未有的分辨率辨别复杂的模式。对于哥伦比亚人而言，这确实是一个雄心勃勃的项目，对我们所有人来说，我们都非常高兴能够解决这一具有挑战性的问题。”
Shepard的项目属于DARPA的神经工程系统设计(NESD)计划，该计划是整个联邦政府范围内的BRAIN计划的一部分。NESD旨在开发一种可植入的神经接口，该接口可提供大脑与数字世界之间前所未有的信号分辨率和数据传输带宽。Shepard的团队包括来自贝勒医学院，加利福尼亚理工学院，杜克大学，纽约大学，西北大学和Medtronic等领先机构的研究人员。在哥伦比亚，该项目包括Rafael Yuste(生物科学和神经科学教授，艺术与科学)，Liam Paninski(统计和神经科学教授，艺术与科学以及祖克曼研究所首席研究员)和Luca Carloni(计算机科学教授，工程)。该团队致力于满足NESD的目标，即设计一百万个通道规模的可植入大脑接口设备，以实现对感觉皮层的记录和刺激。此外，他们计划在四年计划结束时申请监管部门批准，开始在人体中进行实验。
“这是一个非常激进的时间表，” Shepard指出。“我们认为，实现这一目标的唯一方法是使用全电方法，该方法涉及在单个互补金属氧化物半导体(CMOS)集成电路上以单片器件的形式制造具有超过一百万个电极的大规模表面记录阵列。我们正在与半导体制造公司合作，作为我们的代工伙伴。”
考虑到所需接口的复杂性和规模，Shepard和他的团队认为，在这种积极的时间范围内，人类使用所需的非侵入性程度只能通过基于刺激和在脑表面记录的电极架构来实现。尽管他的方法基于表面记录阵列的当前人类临床实践，但NESD计划的大规模和要求却需要与现有的大脑接口电子方法大相径庭。Shepard相信，只有当他的团队充分利用领先的CMOS技术的全部功能以及行业相关的制造能力，并且将刺激/记录电极与底层CMOS电子平台进行单片集成时，才有可能实现NESD的必要规模。
植入的芯片对大脑表面非常顺应，非常轻，并且具有足够的柔性以随组织移动。该芯片不会穿透大脑组织，而是使用无线供电和数据遥测技术。Shepard说：“通过使用硅纳米电子学中的最新技术并以不寻常的方式应用它，我们希望对脑机接口产生重大影响。”“在该计划结束时，我们组建了世界一流的团队，将我们的努力转化为人类使用。”
标签： 脑机交互
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