開發(fā)植入式柔性腦機(jī)接口系統(tǒng)g可免開顱微創(chuàng)植入下一步瞄準(zhǔn)三大腦部疾病核心重癥

人腦是一個結(jié)構(gòu)和功能都十分復(fù)雜的器官，由860億個相互關(guān)聯(lián)的神經(jīng)元組成，是一個巨大的“黑箱”。也因為此，腦部重大疾病和神經(jīng)系統(tǒng)疾病對人類造成的困擾一直是一個世紀(jì)難題。

越來越多的研究機(jī)構(gòu)開始致力于揭秘黑箱，2021年9月，我國科技部發(fā)布科技創(chuàng)新2030—“腦科學(xué)與類腦研究”重大項目2021年度項目申報指南，撥款31億元，啟動了“腦計劃”的首輪項目申報，主要包括五大方向：腦認(rèn)知、腦疾病、類腦與腦機(jī)智能、腦智發(fā)育和技術(shù)平臺。

“腦機(jī)接口是底層的核心技術(shù)，基本上關(guān)乎了我國腦計劃的幾乎所有環(huán)節(jié)?！碧栈⒔淌谠谝淮窝葜v中提到。他是中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所副所長、博士生導(dǎo)師，傳感技術(shù)聯(lián)合國家重點實驗室副主任。

陶虎團(tuán)隊開發(fā)的“免開顱微創(chuàng)植入式高通量柔性腦機(jī)接口系統(tǒng)”，在今年榮獲世界人工智能大會最高獎項。同時也引起了業(yè)界廣泛的關(guān)注和討論。

他長期從事新型微納傳感技術(shù)領(lǐng)域研究，在腦機(jī)接口、新型人工智能感知芯片以及植入式醫(yī)療器械等生命電子信息交叉領(lǐng)域進(jìn)行前沿科技探索，取得多項創(chuàng)新性成果。在《科學(xué)》《自然》等期刊發(fā)表了SCI論文80余篇，發(fā)表文章總引用超過1.5萬次。

“把柔性電極做小做薄”

記錄或控制大腦神經(jīng)元電生理活動的一個核心器件叫做神經(jīng)界面，也叫腦電極，分為侵入式和非侵入式兩種。按照植入位置，又可以分為三類： 頭皮腦電極、皮層腦電極、深部腦電極。

腦電極植入方式和植入深度的不同，所獲得的信號強(qiáng)弱不同，電極對人體的傷害程度也有所不同。非植入式腦機(jī)雖然具備無創(chuàng)的優(yōu)勢，但是因為顱骨的衰減，采集到的信號質(zhì)量不高，對分析信號的能力有極高的要求，也因此，可以獲取高質(zhì)量信號、高時空分辨率的植入式腦機(jī)是當(dāng)下研發(fā)的熱點。

然而，植入式電極無法在腦內(nèi)長期穩(wěn)定工作，這是一個最本質(zhì)的挑戰(zhàn)。當(dāng)硬質(zhì)類腦電極被插入到大腦后，就會形成膠質(zhì)瘢痕，腦電極就會被包裹，而被包裹的腦電極是絕緣的，那將無法檢測到放電，即電學(xué)功能上失效。

總的來看，植入創(chuàng)傷問題以及如何保證長期穩(wěn)定的工作是開發(fā)人員面臨的重要挑戰(zhàn)。要解決這些挑戰(zhàn)，需要綜合考慮腦機(jī)接口的機(jī)械特性、生物化學(xué)特性等多方面因素。

斯坦福大學(xué)的研究人員早在2017年就實現(xiàn)了通過植入腦機(jī)幫助肌無力患者用“ 意念”打字，在國內(nèi)，研究人員也實現(xiàn)了高位截癱患者通過腦機(jī)意念控制機(jī)械臂。類似的進(jìn)展大部分都是通過硬質(zhì)電極實現(xiàn)的。

陶虎做了一個形象的比喻，硬質(zhì)電極植入大腦中，就像是把筷子插進(jìn)豆腐里。大腦浮在顱骨中的腦脊液里，當(dāng)我們呼吸或轉(zhuǎn)頭時，大腦就會四處移動，那腦機(jī)在大腦中就相當(dāng)于筷子在對豆腐進(jìn)行切割。

“大腦相對來說是比較柔軟的，從楊氏模量（是描述固體材料抵抗形變能力的物理量。）來看的話，大腦大概是幾個kPa，骨頭是幾十個GPa，相差7個數(shù)量級?！薄坝操|(zhì)電極將對大腦造成等級不同的傷害。所以，我們現(xiàn)在正在致力于柔性電極的研究?！?p>

除此以外，陶虎還補(bǔ)充道，硬質(zhì)電極固定在顱骨，可能導(dǎo)致大腦持續(xù)發(fā)炎，一方面會導(dǎo)致疾病，另一方面大腦形成的神經(jīng)瘢痕會包裹電極，從而因為絕緣影響工作。柔性電極可在很大程度上解決這個問題。

“其實柔性電極在國外也已經(jīng)很多年了，我們現(xiàn)在做的就是電極的升級改造，在穩(wěn)定性、安全性和生物兼容性等各方面進(jìn)行改進(jìn)?！?/p>

陶虎團(tuán)隊開發(fā)了一個特殊技術(shù)把柔性電極暫時硬化，當(dāng)它插入大腦時是硬的，進(jìn)入后就會變軟。植入過程只需在顱骨上鉆一個不到0 . 7毫米直徑的小孔， 就可直接插入大腦，可在體內(nèi)工作時間8個月，整個過程就像被蚊子叮咬了一口。

“把柔性電極做小做薄，這就是我們現(xiàn)在要做的事情?！?h3>打破腦機(jī)接口的“摩爾定律”

“在集成電路里有一條著名定律‘摩爾定律，也就是晶體管的數(shù)量每18個月會翻一番。其實在腦機(jī)接口領(lǐng)域也有‘ 摩爾定律，或者叫‘亞摩爾定律，就是用于同時捕捉腦神經(jīng)元的電極位點數(shù)量每70個月才會翻一番，發(fā)展速度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于集成電路行業(yè)?！?/p>

“那腦機(jī)接口是否也會追逐5納米或3納米工藝呢？”生輝問道。

陶虎解釋說，神經(jīng)元的物理尺寸從幾微米到幾十微米不等，那么電極就沒必要做到納米級別，希望能做到微米級別就可以很好地采集信號。相反， 電極太小的話阻抗太大，電學(xué)性能反而不好，所以先進(jìn)工藝對電極本身來說并沒有質(zhì)的提升。從另一個角度來說，芯片的放電其實是一個模擬信號，模擬電路一般不要求特別小的線寬。

馬斯克的Neuralink在2019年公布的腦機(jī)接口芯片， 吹響了打破腦機(jī)接口“ 摩爾定律”的號角。馬斯克最初的目標(biāo)是讓四肢癱瘓的人僅僅通過“意念”就能控制電腦或智能手機(jī)。而他最終的愿景則是人腦與人工智能的融合，賦予人類以超人智能。

當(dāng)時公布的Neuralink芯片是由3個陣列組成，每個陣列包含可以捕捉神經(jīng)元的1024通道柔性電極，這就相當(dāng)于是一個可以進(jìn)行3072通道信號采集處理的傳感器。

站在人類大腦860億個神經(jīng)元面前來看， 雖然Neuralink與馬斯克極具科幻性的目標(biāo)還有相當(dāng)長的距離，不過目前業(yè)內(nèi)認(rèn)為，如果能記錄和處理10萬個神經(jīng)元，那么就可以很好地呈現(xiàn)現(xiàn)在已知的一些腦相關(guān)疾病和生理功能。

提升帶寬與精度，也就是可同時記錄神經(jīng)元的數(shù)量以及信號質(zhì)量的高低，是腦機(jī)接口的下一步方向。

陶虎團(tuán)隊開發(fā)的新型電極，在單器件集成了2640個電極記錄位點，可同時采集傳輸2600多個神經(jīng)元信號。

下一步：三大核心重癥

陶虎與生輝分享了他接下來5年～8年的目標(biāo)：讓不能說話的人可以說話，讓不能行動的人可以行動，讓看不見的人能夠看見。

這三個“ 不能” 對應(yīng)的分別是： 失語者、高位截癱或者漸凍癥患者、視力受損或者失明患者。這幾類也是臨床上腦部疾病的三大核心重癥。

“無線通訊和無線充電在腦機(jī)接口的應(yīng)用上非常迫切。為了實現(xiàn)這些要求，核心是要降低整個芯片的功耗，”陶虎說，“另外從無線通訊來看，關(guān)鍵是腦電極的傳輸帶寬，隨著通道數(shù)量的提升，數(shù)據(jù)量隨之暴增，現(xiàn)有的成熟的無線傳輸?shù)膮f(xié)議比如藍(lán)牙甚至是5G技術(shù)，都不夠支持這么大的海量數(shù)據(jù)的無線傳輸，所以無線通訊技術(shù)也亟需突破性進(jìn)展，這對腦機(jī)接口的發(fā)展也會有幫助?！?/p>

目前，陶虎團(tuán)隊已在鼠、兔、獼猴等實驗動物身上，成功實現(xiàn)了單腦區(qū)、雙腦區(qū)的有線、無線等多種方式的腦信號采集。陶虎在接受媒體采訪時透露， 通過柔性腦機(jī)接口，不僅能“讀”到這些小動物們在“想”什么，將活動指令“寫”入它們的腦中還能獲得它們執(zhí)行相應(yīng)指令后的反饋信息。

“雖然我們在用國外的芯片，但是這些芯片還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到我們的要求，另外考慮價格因素，所以我們也在研制自己的芯片。”陶虎教授補(bǔ)充道。

“我們正在為柔性神經(jīng)電極申請臨床試驗倫理審核， 一經(jīng)批準(zhǔn)就能進(jìn)行臨床試驗?！碧栈⒈硎荆白鳛檠芯繄F(tuán)隊來說，我們在不斷優(yōu)化和改進(jìn)腦機(jī)接口的同時，也希望可以多方協(xié)作，共同把這項技術(shù)推進(jìn)臨床和產(chǎn)業(yè)化。”