開發植入式柔性腦機接口系統g可免開顱微創植入下一步瞄準三大腦部疾病核心重癥

人腦是一個結構和功能都十分復雜的器官，由860億個相互關聯的神經元組成，是一個巨大的“黑箱”。也因為此，腦部重大疾病和神經系統疾病對人類造成的困擾一直是一個世紀難題。

越來越多的研究機構開始致力于揭秘黑箱，2021年9月，我國科技部發布科技創新2030—“腦科學與類腦研究”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：腦認知、腦疾病、類腦與腦機智能、腦智發育和技術平臺。

“腦機接口是底層的核心技術，基本上關乎了我國腦計劃的幾乎所有環節。”陶虎教授在一次演講中提到。他是中國科學院上海微系統與信息技術研究所副所長、博士生導師，傳感技術聯合國家重點實驗室副主任。

陶虎團隊開發的“免開顱微創植入式高通量柔性腦機接口系統”，在今年榮獲世界人工智能大會最高獎項。同時也引起了業界廣泛的關注和討論。

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

“把柔性電極做小做薄”

記錄或控制大腦神經元電生理活動的一個核心器件叫做神經界面，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，所獲得的信號強弱不同，電極對人體的傷害程度也有所不同。非植入式腦機雖然具備無創的優勢，但是因為顱骨的衰減，采集到的信號質量不高，對分析信號的能力有極高的要求，也因此，可以獲取高質量信號、高時空分辨率的植入式腦機是當下研發的熱點。

然而，植入式電極無法在腦內長期穩定工作，這是一個最本質的挑戰。當硬質類腦電極被插入到大腦后，就會形成膠質瘢痕，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，即電學功能上失效。

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

斯坦福大學的研究人員早在2017年就實現了通過植入腦機幫助肌無力患者用“ 意念”打字，在國內，研究人員也實現了高位截癱患者通過腦機意念控制機械臂。類似的進展大部分都是通過硬質電極實現的。

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

“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個數量級。”“硬質電極將對大腦造成等級不同的傷害。所以，我們現在正在致力于柔性電極的研究。”

除此以外，陶虎還補充道，硬質電極固定在顱骨，可能導致大腦持續發炎，一方面會導致疾病，另一方面大腦形成的神經瘢痕會包裹電極，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很多年了，我們現在做的就是電極的升級改造，在穩定性、安全性和生物兼容性等各方面進行改進。”

陶虎團隊開發了一個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，可在體內工作時間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，這就是我們現在要做的事情。”

打破腦機接口的“摩爾定律”

“在集成電路里有一條著名定律‘摩爾定律，也就是晶體管的數量每18個月會翻一番。其實在腦機接口領域也有‘ 摩爾定律，或者叫‘亞摩爾定律，就是用于同時捕捉腦神經元的電極位點數量每70個月才會翻一番，發展速度還遠遠落后于集成電路行業。”

“那腦機接口是否也會追逐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，電學性能反而不好，所以先進工藝對電極本身來說并沒有質的提升。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年公布的腦機接口芯片， 吹響了打破腦機接口“ 摩爾定律”的號角。馬斯克最初的目標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。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元的1024通道柔性電極，這就相當于是一個可以進行3072通道信號采集處理的傳感器。

站在人類大腦860億個神經元面前來看， 雖然Neuralink與馬斯克極具科幻性的目標還有相當長的距離，不過目前業內認為，如果能記錄和處理10萬個神經元，那么就可以很好地呈現現在已知的一些腦相關疾病和生理功能。

提升帶寬與精度，也就是可同時記錄神經元的數量以及信號質量的高低，是腦機接口的下一步方向。

陶虎團隊開發的新型電極，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：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接口的應用上非常迫切。為了實現這些要求，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，關鍵是腦電極的傳輸帶寬，隨著通道數量的提升，數據量隨之暴增，現有的成熟的無線傳輸的協議比如藍牙甚至是5G技術，都不夠支持這么大的海量數據的無線傳輸，所以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。”

目前，陶虎團隊已在鼠、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。陶虎在接受媒體采訪時透露， 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。

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

“我們正在為柔性神經電極申請臨床試驗倫理審核， 一經批準就能進行臨床試驗。”陶虎表示，“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，也希望可以多方協作，共同把這項技術推進臨床和產業化。”