探索腦機(jī)接口 造福生物醫(yī)學(xué)

2022年8月，在2022年“上?？萍记嗄?5人引領(lǐng)計(jì)劃”頒獎(jiǎng)典禮中，一位來自復(fù)旦大學(xué)的青年科研人員進(jìn)入了公眾的視野。作為一名青年科研工作者，他從博士后階段真正進(jìn)入腦機(jī)接口領(lǐng)域，而后輾轉(zhuǎn)國內(nèi)外求學(xué)，在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的植入式柔性電子系統(tǒng)研究中潛心探索，特別是在基于萬級(jí)通道的硅薄膜放大微電極陣列的腦電傳感技術(shù)中取得了一系列亮眼的科研成果。他就是復(fù)旦大學(xué)光電研究院青年研究員宋恩名。

“人腦的機(jī)能是一個(gè)未知的領(lǐng)域，其實(shí)還有很多新奇的方向亟待探索。”宋恩名說。近些年來，材料科學(xué)和生物科學(xué)發(fā)生碰撞，使得利用柔性半導(dǎo)體材料探索人類大腦深層奧秘在今天成為可能。在他看來，侵入式腦機(jī)接口是未來重要的發(fā)展趨勢(shì)，植入式器件可以直接得到最原始、最清晰的腦電信號(hào)。在這一研究趨勢(shì)下，他下定決心要在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的植入式柔性電子系統(tǒng)研究中不斷深耕，為中國的腦計(jì)劃研究作出更多力所能及的貢獻(xiàn)，在腦機(jī)接口領(lǐng)域發(fā)出屬于中國科學(xué)家鏗鏘有力的聲音。

筑夢(mèng)——海內(nèi)外的科研奠基之路

俗話說：“父母是最好的老師?！睆男∩L在書香之家的宋恩名，父母分別是復(fù)旦大學(xué)和上海海洋大學(xué)的教授。沐浴在良好的家庭氛圍與教育環(huán)境中，宋恩名的學(xué)習(xí)成績始終名列前茅，初中畢業(yè)時(shí)就以優(yōu)異的成績從復(fù)旦二附中考入復(fù)旦附中。從小對(duì)物理科學(xué)有著濃厚興趣的他，高考時(shí)毅然決然報(bào)考了自己心心念念的復(fù)旦大學(xué)材料物理專業(yè)，并在這里度過了自己的本科與碩博研究生涯。

碩博階段，宋恩名師從梅永豐教授進(jìn)行半導(dǎo)體材料的分析研究，特別是在單晶硅的研究工作中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)研究基礎(chǔ)為他日后學(xué)術(shù)方向的拓展起到了至關(guān)重要的作用。

2014年年底，美國四院院士、“柔性電子之父”約翰·羅杰斯（John"A."Rogers）教授來到復(fù)旦大學(xué)進(jìn)行學(xué)術(shù)演講，宋恩名慕名前往現(xiàn)場(chǎng)聆聽。演講結(jié)束后，有許多復(fù)旦大學(xué)的科研學(xué)子留在現(xiàn)場(chǎng)久久不肯離開，希望得到和約翰·羅杰斯進(jìn)行學(xué)術(shù)交流的機(jī)會(huì)。和眾多科研學(xué)子一樣，宋恩名也被他的學(xué)術(shù)思想深深觸動(dòng)，"并對(duì)他所致力的研究領(lǐng)域產(chǎn)生了濃厚的興趣。在導(dǎo)師梅永豐教授的推薦下，宋恩名給約翰·羅杰斯留下了深刻的印象，并在之后順利前往美國伊利諾伊大學(xué)厄班納-香檳分校，以聯(lián)合培養(yǎng)博士身份進(jìn)行學(xué)習(xí)。兩年后，他又跟隨導(dǎo)師轉(zhuǎn)到美國西北大學(xué)開啟了同腦機(jī)接口應(yīng)用相關(guān)的博士后工作生涯，其研究主要聚焦于神經(jīng)工程領(lǐng)域的植入式柔性電子系統(tǒng)。

在美國從事科研工作的幾年間，宋恩名幾乎每天清晨五六點(diǎn)鐘就會(huì)起床，準(zhǔn)備去實(shí)驗(yàn)室，晚上11點(diǎn)多才能回到家中。他幾年如一日地保持著這樣的工作節(jié)奏，只有在家里親人來時(shí)才出過一次自己工作的小鎮(zhèn)。雖然那幾年從事科研工作異常辛苦，但宋恩名始終樂在其中。在這一階段，宋恩名的研究工作圍繞用于全腦維度的大規(guī)模腦電成像技術(shù)，在面向腦機(jī)接口應(yīng)用的柔性電子系統(tǒng)研究上取得了一系列進(jìn)展，尤其是在動(dòng)物皮層腦電傳感領(lǐng)域積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。這一切都為其今后深入到腦機(jī)接口領(lǐng)域前沿奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

回國——推動(dòng)腦機(jī)接口與生物醫(yī)學(xué)結(jié)合

腦機(jī)接口技術(shù)被稱作是人腦與外界溝通交流的“信息高速公路”，是公認(rèn)的新一代人機(jī)交互和人機(jī)混合智能的關(guān)鍵核心技術(shù)，是各國技術(shù)博弈的重點(diǎn)領(lǐng)域。為了加強(qiáng)中國在相關(guān)領(lǐng)域的國際競(jìng)爭(zhēng)力，2021年9月，宋恩名滿載著沉甸甸的科研碩果從海外回國。受到復(fù)旦大學(xué)褚君浩院士的召喚，他回到了自己的母校復(fù)旦大學(xué)的光電研究院開展研究工作?！霸谀X機(jī)接口領(lǐng)域，國內(nèi)的學(xué)科環(huán)境和學(xué)科發(fā)展水平并不比國外遜色，我希望能扎根在祖國的土地上，做出更多自主創(chuàng)新的科研成果?！彼f。

基于在美國留學(xué)5年間在面向腦機(jī)接口應(yīng)用的柔性電子系統(tǒng)研究上取得的研究進(jìn)展，以及近些年來腦機(jī)接口在各領(lǐng)域應(yīng)用中所取得的成果，回國后，宋恩名就把工作的重點(diǎn)放在了腦機(jī)接口與生物醫(yī)學(xué)工程的結(jié)合中，展開了一系列探索。

2020年8月，硅谷“技術(shù)狂人”馬斯克投資的公司，將極小的電極植入大腦，通過這種方式，讓一只猴子利用意念，玩起了電腦游戲。這一事件讓腦機(jī)接口成功“出圈”，其后續(xù)在相關(guān)領(lǐng)域的拓展應(yīng)用也被寄予厚望，特別是其與疾病治療的結(jié)合，成為近年來領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)，甚至有的已進(jìn)入臨床階段。

雖然領(lǐng)域內(nèi)的各項(xiàng)研究進(jìn)展得如火如荼，但至今仍有一些因素困擾著腦機(jī)接口在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。目前，最主流的植入電極為20世紀(jì)90年代發(fā)明的猶他陣列電極，但其質(zhì)地脆硬，長期植入人體，容易引起組織排異反應(yīng)，信號(hào)質(zhì)量會(huì)隨時(shí)間逐漸下降，在人體內(nèi)的壽命有限。

此外，傳統(tǒng)電極還存在封裝挑戰(zhàn)?！澳X機(jī)接口是微電子設(shè)備，需要進(jìn)行封裝才能植入。如果封裝做得不好，電極通電后，腦脊髓液就會(huì)導(dǎo)電，傷害大腦器官。”宋恩名說。

在這一背景下，宋恩名和團(tuán)隊(duì)成員們開展了一系列科研攻關(guān)工作。針對(duì)植入式腦機(jī)接口的硅基質(zhì)地脆硬的特性，宋恩名及團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新了半導(dǎo)體器件柔性轉(zhuǎn)移技術(shù)，研發(fā)出柔性電極陣列。同時(shí)，和傳統(tǒng)電極相比，這種柔性電極不受尺寸的限制，可根據(jù)大腦應(yīng)用需要定制。“最大采集面積可以包裹全腦皮層?！彼味髅f。

目前，這項(xiàng)技術(shù)研發(fā)出的柔性電極陣列已完成猴、鼠的腦電信號(hào)監(jiān)測(cè)成像，驗(yàn)證了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的安全有效性。未來，他希望這項(xiàng)技術(shù)也可面向癲癇等相關(guān)腦疾病的診斷與治療。

此外，在器件封裝方面，宋恩名和團(tuán)隊(duì)還研發(fā)出了性能穩(wěn)定的超薄封裝材料。這種封裝材料基于熱氧化SiO2（二氧化硅），用它封裝的植入器件能夠進(jìn)行皮層腦電圖成像，并且可夠穩(wěn)定工作數(shù)年之久?！澳壳拔覀兯龅男∈蠡铙w實(shí)驗(yàn)，相關(guān)植入器件在小鼠的大腦中可以存活的封裝時(shí)間大概在一年以上?！彼f。

堅(jiān)守——步履不停的創(chuàng)新之路

近些年來，國家“十四五”規(guī)劃部署5項(xiàng)研究重點(diǎn)領(lǐng)域，其中腦機(jī)融合納入重點(diǎn)技術(shù)研究范疇；2021年，我國正式啟動(dòng)了科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目“腦科學(xué)與類腦研究”，當(dāng)前中國腦計(jì)劃研究已進(jìn)入實(shí)際落地階段。面對(duì)祖國在腦機(jī)接口領(lǐng)域的發(fā)展大環(huán)境，宋恩名始終認(rèn)為未來有著廣闊的發(fā)展機(jī)遇。

科學(xué)研究始終在路上，回國1年多來，在光電研究院院長褚君浩院士、博士生導(dǎo)師梅永豐教授，以及復(fù)旦大學(xué)科研平臺(tái)的支持與幫助下，宋恩名的科研工作始終在有條不紊地展開，現(xiàn)如今已經(jīng)組建了10人左右的科研團(tuán)隊(duì)?！皩W(xué)校對(duì)于公共實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、儀器水平的建設(shè)，以及學(xué)生的整體素質(zhì)的培養(yǎng)都很重視，讓我對(duì)今后開展科研工作充滿了信心?！彼味髅f。

萬石谷，粒粒積累；千丈布，根根織成。結(jié)合在復(fù)旦大學(xué)，以及美國伊利諾伊大學(xué)厄班納-香檳分校、美國西北大學(xué)的研究經(jīng)驗(yàn)，宋恩名一直希望能夠在腦機(jī)接口領(lǐng)域做出自己的科研成果。在他看來，半導(dǎo)體集成電路和腦電信號(hào)傳感相掛鉤，是未來的研究趨勢(shì)。從材料研究到器件研究再到系統(tǒng)研究，只要將這條研究道路上的各個(gè)環(huán)節(jié)鏈條式地往前推進(jìn)，就能最終將其推向應(yīng)用。而他的研究征途，正好形成了這樣一條系統(tǒng)的路徑。宋恩名堅(jiān)信：“只要扎根在這條道路上，每一步都走好、走得扎實(shí)，我相信我們之后會(huì)走得更快?！?/p>

始于興趣，終于熱愛。一路走來，宋恩名始終認(rèn)為：“興趣是自己最好的老師?！痹谒磥恚约汉苄疫\(yùn)能投身在摯愛的科研工作中，在腦機(jī)接口領(lǐng)域書寫自己的人生奮斗價(jià)值。未來三到五年，他還將抓住我國在腦機(jī)接口領(lǐng)域的發(fā)展機(jī)遇，爭(zhēng)取在腦機(jī)接口領(lǐng)域取得更多新的發(fā)明與突破?！拔蚁嘈湃绻覀冏龅煤玫脑?，一定能幫助我國在腦機(jī)接口技術(shù)的相關(guān)領(lǐng)域占得一席之地?！彼味髅麍?jiān)定地說。

（責(zé)編：張聞）