根據世界衛生組織(WTO)相關統計,全世界大約有10億人患有某種神經性或精神性大腦紊亂病癥,腦機接口研究的主要目的是為這10億人提供選擇,使其改善和恢復因大腦的某些疾病或創傷損失的一些生理功能和心理健康,提高生活質量。
腦科學被認為是自然科學的終極疆場,目前中科院上海微系統所團隊致力于開發可免開顱的微創植入式柔性腦機接口技術,目標瞄準漸凍癥、高位截癱、失明、失語等臨床重大疾病診治。腦機接口是人工智能、集成電路和生命科學交叉融合的前沿領域,充分契合國家“四個面向”的要求,即面向世界科技前沿,面向國家重大需求,面向經濟主戰場和面向人民生命健康�，F任中科院上海微系統所副所長的陶虎表示,在較長的一段時間內,腦機接口的產品落地中主要的科技應用都應該是基于臨床醫生和病人等使用者的需求出發,解決他們現在或將會面臨的問題,從技術本身來看,有三個突破點,包括神經帶寬(如電極的通道數),植入方式的安全性(如手術創口和在體工作時間),算法解碼的先進性(如實時性、可靠性和魯棒性)等。
把柔性電極做小做保記錄或調控大腦神經元電生理活動的一個核心器件叫做神經電極,也叫腦電極,分為侵入式和非侵入式兩種。目前可以獲取高質量信號、高時空分辨率的植入式腦機接口是當下研發的熱點也是該領域未來重點的發展方向,但植入創傷大和難以長期在體穩定工作是開發人員面臨的兩大重要挑戰。大腦是非常柔軟的,從楊氏模量(是描述材料抵抗形變能力的物理量)來看的話,大腦大概是幾個 kPa,骨頭是幾到幾十個 GPa,相差接近 7 個數量級。若將硬質電極固定在顱骨,由于電極和大腦相對運動造成的大腦局部微損傷可能導致大腦持續發炎,大腦形成的神經瘢痕會包裹電極,從而因為絕緣影響工作,嚴重情況下還會導致其他腦疾玻柔性電極可在很大程度上解決這個問題,利用特殊技術把柔性電極暫時硬化,當它插入大腦時是硬的,進入后就會變軟。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,并可長期在體工作,真正做到最大限度的利用大腦,并最小限度的損傷大腦。
提升電極的帶寬與精度,也就是可同時記錄/刺激神經元的數量、以及信號質量的高低,是腦機接口下一步的研究方向。神經元的物理尺寸從幾微米到幾十微米不等。目前我們團隊開發的柔性神經電極,采用與半導體加工工藝兼容的制造方式,在單器件集成了 2000多個電極記錄位點,結合后端芯片技術,最多可同時采集/刺激2000多個神經元。
無線通訊技術也亟需突破性進展,這對腦機接口的發展也會有幫助。鑒于無線通訊和無線充電在腦機接口上的迫切需求,在不影響器件核心性能的前提下,降低整個芯片的功耗成為了核心關鍵。雖然目前國內大多都在使用進口的芯片,但是這些芯片尚未完全滿足臨床需求,芯片自研迫在眉睫。
陶虎作為國內腦機接口、人工智能、微納傳感領域的權威專家,目前其團隊已在鼠、兔、獼猴等實驗動物身上,成功實現了單腦區、雙腦區的有線、無線等多種方式的腦信號采集,通過柔性腦機接口,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行相應指令后的反饋信息,形成閉環交互。
面對巨大且急迫的臨床需求,治病救人成了腦機接口技術研發的第一要務。2021年10月,陶虎聯合中科大校友、原阿里巴巴本地生活的資深副總裁、客如云創始人彭雷創立腦機接口公司NeuroXess腦虎科技,成立僅3個月后,公司獲得盛大、紅杉、涌鏵等投資機構近億元投資,成為該領域最大的早期融資,是目前國內侵入式腦機接口領域最具代表性的公司。陶虎作為首席科學家,他認為本身技術發展的應用訴求,需要不斷迭代,必須通過合法合規的臨床實驗。作為研究團隊來說,我們在不斷優化和改進腦機接口的同時,必須做到多方協作,共同把這項技術從實驗室階段向臨床試驗推進并實現產業化。
