ISO - можете объяснить на физическом уровне, как достигается высокий ISO при недостаточной освещённости?

Высокий ISO достигается вне зависимости от освещенности.

На плёнке высокие значения ISO достигались за счёт увеличения размера зерна (что приводит к увеличению квантовой эффективности: достаточно одного повреждения кристаллической решетки, чтобы серебро восстановилось во всем кристалле галогенида) и за счёт добавления специальных сенсибилизирующих веществ, которые приводят проявке зерён поблизости от проявленного зерна.

В цифровой фотографии значение ISO -- это коэффициент усиления гальванического усилителя, расположенного в тракте сигнала между ячейкой матрицы и АЦП. Как это реализовано на транзисторном уровне -- зависит от производителя матрицы (и является коммерческой тайной). Я в своё время видел один дизайн крупного производителя (сейчас уже не современный), но связан соглашением о нераспространении. Ничего особенно сверъестественного в конкретной схеме я не видел. Скажу, что, грубо говоря (и это описано в популярных статьях по теме, если есть доступ к IEEE -- поищите), используется следующий подход: когда требуется высокое значение ISO, то сначала стоит высококачественный малошумящий усилитель, а потом стоит каскад компараторов, на входе которого быстро "промигивают" опорные напряжения, результат записывается в сдвиговый регистр, потом результат пропускается через относительно несложную "числодробилку", которая ещё пытается немного фильтровать эти данные и таким образом немного бороться с тепловым шумом.

высокую чувствительность достигают увеличением коэффициента усиления сигнала с сенсора. Заодно он усиливает шумы.

...если по простому за счет увеличения взаимной подсвечиваемости рядом стоящих пикселей...

На физическом уровне все достаточно просто. После матрицы стоит усилитель затем аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Коэфициент усиления этого усилителя и определяет ISO. При слабой освещенности сигнал с матрицы слабый, усилитель его увеличивает. Однако при этом растут и шумы и уменьшается динамический диапазон.

Способы разные используются и их комбинации, но объединяет их одно, все они значительно ухудшают качество получаемого изображения.

На физическом уровне повышение исо может достигаться увеличением размеров фотоэлемента (зерна на плëнке или пикселя матрицы)

На физическом уровне - подаётся больший ток на усилитель.
Как в проигрывателе виниловых пластинок )) Ручку громкости крутанул, сопротивление уменьшил, ток на усилитель больший пошёл, громкость стала больше но и помехи, царапины стали слышны. ))

Это обыкновенный классический усилитель, как из книжки по радиоделу. Транзисторный (а что сейчас не основано на транзисторах?). Разных конкретных схем много, конкретную, ту, что в камере, разработчик не покажет. Коммерческая тайна. ISO - это коэффициент усиления, есть такая организация американская, она стандартизирует всё, что попадает ей в руки. Международная организация по стандартизации. Дело это решено давно, корни уходят в аналоговую фотографию в 1930-е годы, тогда впервые исследовали цвет. Название прилипло. Идёт сырой сигнал с матрицы, аналоговый, пиксель измеряется в оттенках серого цвета. Если пиксель маленький по физическому размеру, измерение неточное. Появляется шум. Сигнал усиливается вместе с шумом, квантуется, далее, если камера любительская, следует усиление резкости (простейший дебильный UnsharpMask), простенький шумодав, и в JPEG. После этого о резкости надо забыть. Проф. фотоаппарат делает что-то по своим аппаратным алгоритмам, благо, процессор там мощный-специализированный, умеет. И пишет в RAW на карту. Поскольку в RAW обычно отключают шумодав, с шумами надо бороться на компьютере.