根據(jù)世界衛(wèi)生組織(WTO)相關統(tǒng)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(chuàng)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(tǒng)所團隊致力于開發(fā)可免開顱的微創(chuàng)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(zhàn)場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(yī)生和病人等使用者的需求出發(fā),解決他們現(xiàn)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(shù)),植入方式的安全性(如手術創(chuàng)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。
把柔性電極做小做薄。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(fā)的熱點也是該領域未來重點的發(fā)展方向,但植入創(chuàng)傷大和難以長期在體穩(wěn)定工作是開發(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(shù)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(xù)發(fā)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病。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(shù)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(fā)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(fā)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(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,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(zhí)行相應指令后的反饋信息,形成閉環(huán)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(fā)的第一要務。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(fā)展的應用訴求,需要不斷迭代,必須通過合法合規(guī)的臨床實驗。作為研究團隊來說,我們在不斷優(yōu)化和改進腦機接口的同時,必須做到多方協(xié)作,共同把這項技術從實驗室階段向臨床試驗推進并實現(xiàn)產業(yè)化。
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