腦科學(xué)被認(rèn)為是自然科學(xué)的終極疆場,目前中科院上海微系統(tǒng)所團(tuán)隊(duì)致力于開發(fā)可免開顱的微創(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(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場和面向人民生命健康。現(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(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)媾R的問題,從技術(shù)本身來看,有三個突破點(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)口和在體工作時間),算法解碼的先進(jìn)性(如實(shí)時性、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)元電生理活動的一個核心器件叫做神經(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、高時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)域未來重點(diǎn)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(zhì)電極固定在顱骨,由于電極和大腦相對運(yùn)動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)瘢痕會包裹電極,從而因?yàn)榻^緣影響工作,嚴(yán)重情況下還會導(dǎo)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(shù)把柔性電極暫時硬化,當(dāng)它插入大腦時是硬的,進(jìn)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(jīng)元的數(shù)量、以及信號質(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多個電極記錄位點(diǎn),結(jié)合后端芯片技術(shù),最多可同時采集/刺激2000多個神經(jīng)元。
無線通訊技術(shù)也亟需突破性進(jìn)展,這對腦機(jī)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(jī)接口上的迫切需求,在不影響器件核心性能的前提下,降低整個芯片的功耗成為了核心關(guān)鍵。雖然目前國內(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)動物身上,成功實(shí)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(jī)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(yīng)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(jī)接口技術(shù)研發(fā)的第一要務(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,必須通過合法合規(guī)的臨床實(shí)驗(yàn)。作為研究團(tuán)隊(duì)來說,我們在不斷優(yōu)化和改進(jìn)腦機(jī)接口的同時,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。