Наиболее ответственная часть системы BrainGate, это вживляемый под череп - непосредственно на кортикальный слой головного мозга электронный чип, состоящий из массива миниатюрных электродных датчиков, предварительных усилителей сигналов сверхмалой мощности и блока аналогового мультиплексирования. Имплантируемая микросистема в настоящее время позволяет вести запись и передачу активности мозга по 16 независимым каналам, преобразуя получаемые сигналы в цифровой поток.
Модуль массива датчиков и предварительного усиления/мультиплексирования сигнала является одним из наиболее сложнейших и ответственных элементов системы BrainGate. Для того, чтобы получить максимально тонкую конструкцию, учёные из Университета Брауна разработали специальный интеграционный процесс по принципу монтажа методом перевёрнутого кристалла "выводами к подложке" ("flip-chip"), при котором электронный чип усилителей/мультиплексоров крепится серебросодержащей смолой непосредственно с обратной стороны подложки массива нейродатчиков. Таким образом достигается не только максимальная миниатюризация, но также лучшее соотношение сигнал/шум за счёт максимального приближения предварительных усилителей к датчикам нейронной активности.
Любой сдвиг головного мозга относительно черепной коробки может вызвать разрыв, повреждение системы, а то и чего доброго "выдернуть" датчики-электроды из кортикального слоя мозга. Поэтому ещё один элемент конструкции, требующий минимальной толщины и максимальной гибкости при сохранении функциональности электрических цепей – это интерфейсный кабель, соединяющий подчерепной модуль датчиков и предварительных усилителей с расположенным на черепе модулем обработки и передачи данных.
Поэтому имплантируемый модуль, интерфейсный кабель и блок обработки и передачи данных базируются на общей гибкой полимерной подложке из каптона (полиимида, полиамидной плёнки), ламинированной с обратной стороны слоем оксида алюминия для усиления механической прочности на изгиб и надёжной разводки металлических проводников. Каптон, кроме превосходной гибкости, также обладает очень низким показателем поглощения влаги и на протяжении множества лет используется в качестве материала для нужд протезирования при операциях на сетчатке глаза, позволяя располагать экстремально компактную электронику непосредственно в глазу. На фото ниже хорошо заметна каптоновая подложка зелёного цвета.
Дальнейшая обработка данных и её пересылка на внешний ПК производится в модуле, вживляемом под кожу на поверхности черепной коробки. Чип контроллера этого модуля разработан с применением производственного сервиса MOSIS и выпускается с соблюдением норм 0,5-мкм техпроцесса. В нём располагается аналогово-цифровой преобразователь, маломощный цифровой контроллер и инфракрасный излучатель, благодаря которому передача цифрового потока данных производится посредством инфракрасных импульсов непосредственно через кожу. Благодаря IR-интерфейсу подключение к внешнему компьютеру для контроля активности мозга и, соответственно, для работы исполнительных приложений, производится без проводов.
Цифровой контроллер чипа мультиплексирует цифровые данные, полученные после АЦП преобразования и синхронизирует их кодовым словом, специальным для каждого канала данных.
Далее контроллер модулирует полученными мультиплексированными данными специальный лазерный диод с излучением когерентного света перпендикулярно слоям полупроводников (vertical-cavity surface-emitting laser diode, VCSEL), который, собственно, и передаёт на внешний модуль телеметрию в инфракрасном диапазоне с пиковой оптической выходной мощностью до 2 мВт.
Светодиод при этом занимает на подложке площадь менее 1 ммІ. На снимке ниже - снимок камерой "ночного видения", где чётко видно ИК-излучение лазерного диода от модуля BrainGate, имплантированного подопытной макаке 7 дней назад.
В процессе работы модуль АЦП получает тактовые и синхронизирующие импульсы от внешнего контроллера, получившего название Брауновская нейрокарта (The Brown Neurocard, BNC). Помимо этого, с помощью внешнего контроллера также задаётся канальная адресация чипу предварительных усилителей.
Внешняя нейрокарта BNC получает последовательность данных и использует кодовое слово для определения начала информации первого канала. Далее производится обратный процесс расшифровки данных с последующей записью, изучением и даже передачей обработанных сигналов для управления различными исполнительными приложениями – протезами, курсором дисплея и пр.
Отдельного упоминания заслуживает система питания электроники имплантируемого комплекса. Суммарное энергопотребление всей системы в нынешней версии составляет примерно 12 мВт. Питание схемы может осуществляться несколькими различными беспроводными способами, например, наведением радиочастотной индукции, конвертированием инфракрасного излучения посредством фотоэлектрического преобразователя и т.п.
В процессе разработки и подготовки к клиническим экспериментам с людьми, нынешняя версия нейросистемы BrainGate прошла предварительные испытания на мозге приматов (макак), при этом имплантат внедрялся на достаточно продолжительное время (порядка месяца), и весь этот срок демонстрировал стабильный выход нейроданных по всем каналам. На словах всё это, безусловно, выглядит просто: распилили череп, вживили проводки, включили компьютер - Voilа!
На практике же потребовалось проведение множества практических экспериментов. И не только для прогонки электроники на испытательном стенде: например, оказалось не так-то просто разместить 4х4 мм массив микроэлектродов в необходимой области мозга на требуемую глубину с субмиллиметровой точностью, при этом предусмотреть необходимую длину и механическую прочность интерфейсного кабеля, исключающую "выдёргивание" электронного имплантата. Словом, к исследовательской работе были привлечены лучшие электронщики, хирурги, анатомы, нейрофизиологи.
Вот, собственно говоря, и всё. Разве что осталось упомянуть два полезных факта. Первый связан с тем, что проводимые нынче клинические испытания BrainGate являются лишь малой частью большой исследовательской программы, конечной целью которой является оказание реальной помощи пациентам с тетраплегией, повреждением спинного мозга, страдающим припадками, мышечной дистрофией, боковым амиотрофическим склерозом (болезнь Шарко) и потерявшим конечности. В процессе клинических испытаний системы BrainGate будут получены практические результаты по возможности использования пациентами искусственными конечностями, работы с различным компьютерным программным обеспечением и даже, вполне возможно, управления инвалидной коляской.
Вполне возможно, что со временем военные таки доберутся до этой технологии с целью использования мозговой активности для совершенствования современного оружия. Однако пока что проект BrainGate задействован на мирные цели – на восстановление активности, мобильности и в конечном счёте независимости инвалидов. Второй полезный факт связан с тем, что проекту BrainGate2 для клинических испытаний до сих пор требуются добровольцы в возрасте от 18 до 75 лет с вышеперечисленными диагнозами в период с мая 2009 по декабрь 2015. Проживать, правда, требуется в радиусе 2 часов езды от исследовательского центра в Массачусетсе, есть и другие условия, но вдруг кому-то эта информация сгодится – даю прямую ссылку:
http://www.clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT00912041