探索腦機接口 造福生物醫學

2022年8月，在2022年“上海科技青年35人引領計劃”頒獎典禮中，一位來自復旦大學的青年科研人員進入了公眾的視野。作為一名青年科研工作者，他從博士后階段真正進入腦機接口領域，而后輾轉國內外求學，在生物醫學工程領域的植入式柔性電子系統研究中潛心探索，特別是在基于萬級通道的硅薄膜放大微電極陣列的腦電傳感技術中取得了一系列亮眼的科研成果。他就是復旦大學光電研究院青年研究員宋恩名。

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

筑夢——海內外的科研奠基之路

俗話說：“父母是最好的老師。”從小生長在書香之家的宋恩名，父母分別是復旦大學和上海海洋大學的教授。沐浴在良好的家庭氛圍與教育環境中，宋恩名的學習成績始終名列前茅，初中畢業時就以優異的成績從復旦二附中考入復旦附中。從小對物理科學有著濃厚興趣的他，高考時毅然決然報考了自己心心念念的復旦大學材料物理專業，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行半導體材料的分析研究，特別是在單晶硅的研究工作中積累了豐富的經驗，相關研究基礎為他日后學術方向的拓展起到了至關重要的作用。

2014年年底，美國四院院士、“柔性電子之父”約翰·羅杰斯（John"A."Rogers）教授來到復旦大學進行學術演講，宋恩名慕名前往現場聆聽。演講結束后，有許多復旦大學的科研學子留在現場久久不肯離開，希望得到和約翰·羅杰斯進行學術交流的機會。和眾多科研學子一樣，宋恩名也被他的學術思想深深觸動，"并對他所致力的研究領域產生了濃厚的興趣。在導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厄班納-香檳分校，以聯合培養博士身份進行學習。兩年后，他又跟隨導師轉到美國西北大學開啟了同腦機接口應用相關的博士后工作生涯，其研究主要聚焦于神經工程領域的植入式柔性電子系統。

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鐘就會起床，準備去實驗室，晚上11點多才能回到家中。他幾年如一日地保持著這樣的工作節奏，只有在家里親人來時才出過一次自己工作的小鎮。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模腦電成像技術，在面向腦機接口應用的柔性電子系統研究上取得了一系列進展，尤其是在動物皮層腦電傳感領域積累了豐富的經驗。這一切都為其今后深入到腦機接口領域前沿奠定了堅實的基礎。

回國——推動腦機接口與生物醫學結合

腦機接口技術被稱作是人腦與外界溝通交流的“信息高速公路”，是公認的新一代人機交互和人機混合智能的關鍵核心技術，是各國技術博弈的重點領域。為了加強中國在相關領域的國際競爭力，2021年9月，宋恩名滿載著沉甸甸的科研碩果從海外回國。受到復旦大學褚君浩院士的召喚，他回到了自己的母校復旦大學的光電研究院開展研究工作。“在腦機接口領域，國內的學科環境和學科發展水平并不比國外遜色，我希望能扎根在祖國的土地上，做出更多自主創新的科研成果。”他說。

基于在美國留學5年間在面向腦機接口應用的柔性電子系統研究上取得的研究進展，以及近些年來腦機接口在各領域應用中所取得的成果，回國后，宋恩名就把工作的重點放在了腦機接口與生物醫學工程的結合中，展開了一系列探索。

2020年8月，硅谷“技術狂人”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。這一事件讓腦機接口成功“出圈”，其后續在相關領域的拓展應用也被寄予厚望，特別是其與疾病治療的結合，成為近年來領域內的研究熱點，甚至有的已進入臨床階段。

雖然領域內的各項研究進展得如火如荼，但至今仍有一些因素困擾著腦機接口在生物醫學領域的應用。目前，最主流的植入電極為20世紀90年代發明的猶他陣列電極，但其質地脆硬，長期植入人體，容易引起組織排異反應，信號質量會隨時間逐漸下降，在人體內的壽命有限。

此外，傳統電極還存在封裝挑戰。“腦機接口是微電子設備，需要進行封裝才能植入。如果封裝做得不好，電極通電后，腦脊髓液就會導電，傷害大腦器官。”宋恩名說。

在這一背景下，宋恩名和團隊成員們開展了一系列科研攻關工作。針對植入式腦機接口的硅基質地脆硬的特性，宋恩名及團隊創新了半導體器件柔性轉移技術，研發出柔性電極陣列。同時，和傳統電極相比，這種柔性電極不受尺寸的限制，可根據大腦應用需要定制。“最大采集面積可以包裹全腦皮層。”宋恩名說。

目前，這項技術研發出的柔性電極陣列已完成猴、鼠的腦電信號監測成像，驗證了動物實驗的安全有效性。未來，他希望這項技術也可面向癲癇等相關腦疾病的診斷與治療。

此外，在器件封裝方面，宋恩名和團隊還研發出了性能穩定的超薄封裝材料。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行皮層腦電圖成像，并且可夠穩定工作數年之久。“目前我們所做的小鼠活體實驗，相關植入器件在小鼠的大腦中可以存活的封裝時間大概在一年以上。”他說。

堅守——步履不停的創新之路

近些年來，國家“十四五”規劃部署5項研究重點領域，其中腦機融合納入重點技術研究范疇；2021年，我國正式啟動了科技創新2030重大項目“腦科學與類腦研究”，當前中國腦計劃研究已進入實際落地階段。面對祖國在腦機接口領域的發展大環境，宋恩名始終認為未來有著廣闊的發展機遇。

科學研究始終在路上，回國1年多來，在光電研究院院長褚君浩院士、博士生導師梅永豐教授，以及復旦大學科研平臺的支持與幫助下，宋恩名的科研工作始終在有條不紊地展開，現如今已經組建了10人左右的科研團隊。“學校對于公共實驗平臺、儀器水平的建設，以及學生的整體素質的培養都很重視，讓我對今后開展科研工作充滿了信心。”宋恩名說。

萬石谷，粒粒積累；千丈布，根根織成。結合在復旦大學，以及美國伊利諾伊大學厄班納-香檳分校、美國西北大學的研究經驗，宋恩名一直希望能夠在腦機接口領域做出自己的科研成果。在他看來，半導體集成電路和腦電信號傳感相掛鉤，是未來的研究趨勢。從材料研究到器件研究再到系統研究，只要將這條研究道路上的各個環節鏈條式地往前推進，就能最終將其推向應用。而他的研究征途，正好形成了這樣一條系統的路徑。宋恩名堅信：“只要扎根在這條道路上，每一步都走好、走得扎實，我相信我們之后會走得更快。”

始于興趣，終于熱愛。一路走來，宋恩名始終認為：“興趣是自己最好的老師。”在他看來，自己很幸運能投身在摯愛的科研工作中，在腦機接口領域書寫自己的人生奮斗價值。未來三到五年，他還將抓住我國在腦機接口領域的發展機遇，爭取在腦機接口領域取得更多新的發明與突破。“我相信如果我們做得好的話，一定能幫助我國在腦機接口技術的相關領域占得一席之地。”宋恩名堅定地說。

（責編：張聞）