根據(jù)世界衛(wèi)生組織(WTO)相關(guān)統(tǒng)計(jì),全世界大約有10億人患有某種神經(jīng)性或精神性大腦紊亂病癥,腦機(jī)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(fù)因大腦的某些疾病或創(chuàng)傷損失的一些生理功能和心理健康,提高生活質(zhì)量。
腦科學(xué)被認(rèn)為是自然科學(xué)的終極疆場(chǎng),目前中科院上海微系統(tǒng)所團(tuán)隊(duì)致力于開(kāi)發(fā)可免開(kāi)顱的微創(chuàng)植入式柔性腦機(jī)接口技術(shù),目標(biāo)瞄準(zhǔn)漸凍癥、高位截癱、失明、失語(yǔ)等臨床重大疾病診治。腦機(jī)接口是人工智能、集成電路和生命科學(xué)交叉融合的前沿領(lǐng)域,充分契合國(guó)家“四個(gè)面向”的要求,即面向世界科技前沿,面向國(guó)家重大需求,面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)和面向人民生命健康?，F(xiàn)任中科院上海微系統(tǒng)所副所長(zhǎng)的陶虎表示,在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi),腦機(jī)接口的產(chǎn)品落地中主要的科技應(yīng)用都應(yīng)該是基于臨床醫(yī)生和病人等使用者的需求出發(fā),解決他們現(xiàn)在或?qū)?huì)面臨的問(wèn)題,從技術(shù)本身來(lái)看,有三個(gè)突破點(diǎn),包括神經(jīng)帶寬(如電極的通道數(shù)),植入方式的安全性(如手術(shù)創(chuàng)口和在體工作時(shí)間),算法解碼的先進(jìn)性(如實(shí)時(shí)性、可靠性和魯棒性)等。
把柔性電極做小做薄。記錄或調(diào)控大腦神經(jīng)元電生理活動(dòng)的一個(gè)核心器件叫做神經(jīng)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(zhì)量信號(hào)、高時(shí)空分辨率的植入式腦機(jī)接口是當(dāng)下研發(fā)的熱點(diǎn)也是該領(lǐng)域未來(lái)重點(diǎn)的發(fā)展方向,但植入創(chuàng)傷大和難以長(zhǎng)期在體穩(wěn)定工作是開(kāi)發(fā)人員面臨的兩大重要挑戰(zhàn)。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(lái)看的話,大腦大概是幾個(gè) kPa,骨頭是幾到幾十個(gè) GPa,相差接近7個(gè)數(shù)量級(jí)。若將硬質(zhì)電極固定在顱骨,由于電極和大腦相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的大腦局部微損傷可能導(dǎo)致大腦持續(xù)發(fā)炎,大腦形成的神經(jīng)瘢痕會(huì)包裹電極,從而因?yàn)榻^緣影響工作,嚴(yán)重情況下還會(huì)導(dǎo)致其他腦疾病。柔性電極可在很大程度上解決這個(gè)問(wèn)題,利用特殊技術(shù)把柔性電極暫時(shí)硬化,當(dāng)它插入大腦時(shí)是硬的,進(jìn)入后就會(huì)變軟。植入過(guò)程只需在顱骨上鉆一個(gè)不到0.7毫米直徑的小孔,就可直接插入大腦,并可長(zhǎng)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(shí)記錄/刺激神經(jīng)元的數(shù)量、以及信號(hào)質(zhì)量的高低,是腦機(jī)接口下一步的研究方向。神經(jīng)元的物理尺寸從幾微米到幾十微米不等。目前我們團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的柔性神經(jīng)電極,采用與半導(dǎo)體加工工藝兼容的制造方式,在單器件集成了2000多個(gè)電極記錄位點(diǎn),結(jié)合后端芯片技術(shù),最多可同時(shí)采集/刺激2000多個(gè)神經(jīng)元。
無(wú)線通訊技術(shù)也亟需突破性進(jìn)展,這對(duì)腦機(jī)接口的發(fā)展也會(huì)有幫助。鑒于無(wú)線通訊和無(wú)線充電在腦機(jī)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(gè)芯片的功耗成為了核心關(guān)鍵。雖然目前國(guó)內(nèi)大多都在使用進(jìn)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(guó)內(nèi)腦機(jī)接口、人工智能、微納傳感領(lǐng)域的權(quán)威專家,目前其團(tuán)隊(duì)已在鼠、兔、獼猴等實(shí)驗(yàn)動(dòng)物身上,成功實(shí)現(xiàn)了單腦區(qū)、雙腦區(qū)的有線、無(wú)線等多種方式的腦信號(hào)采集,通過(guò)柔性腦機(jī)接口,不僅能 “讀” 到這些小動(dòng)物們?cè)?“想” 什么,將活動(dòng)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,形成閉環(huán)交互。
面對(duì)巨大且急迫的臨床需求,治病救人成了腦機(jī)接口技術(shù)研發(fā)的第一要?jiǎng)?wù)。2021年10月,陶虎聯(lián)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(chuàng)始人彭雷創(chuàng)立腦機(jī)接口公司NeuroXess腦虎科技,成立僅3個(gè)月后,公司獲得盛大、紅杉、涌鏵等投資機(jī)構(gòu)近億元投資,成為該領(lǐng)域最大的早期融資,是目前國(guó)內(nèi)侵入式腦機(jī)接口領(lǐng)域最具代表性的公司。陶虎作為首席科學(xué)家,他認(rèn)為本身技術(shù)發(fā)展的應(yīng)用訴求,需要不斷迭代,必須通過(guò)合法合規(guī)的臨床實(shí)驗(yàn)。作為研究團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō),我們?cè)诓粩鄡?yōu)化和改進(jìn)腦機(jī)接口的同時(shí),必須做到多方協(xié)作,共同把這項(xiàng)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室階段向臨床試驗(yàn)推進(jìn)并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
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