陶虎:治病救人是脑机接口技术研发的第一要务

根据世界卫生组织(WTO)相关统计,全世界大约有10亿人患有某种神经性或精神性大脑紊乱病症,脑机接口研究的主要目的是为这10亿人提供选择,使其改善和恢复因大脑的某些疾病或创伤损失的一些生理功能和心理健康,提高生活质量。

脑科学被认为是自然科学的终极疆场,目前中科院上海微系统所团队致力于开发可免开颅的微创植入式柔性脑机接口技术,目标瞄准渐冻症、高位截瘫、失明、失语等临床重大疾病诊治。脑机接口是人工智能、集成电路和生命科学交叉融合的前沿领域,充分契合国家“四个面向”的要求,即面向世界科技前沿,面向国家重大需求,面向经济主战场和面向人民生命健康。现任中科院上海微系统所副所长的陶虎表示,在较长的一段时间内,脑机接口的产品落地中主要的科技应用都应该是基于临床医生和病人等使用者的需求出发,解决他们现在或将会面临的问题,从技术本身来看,有三个突破点,包括神经带宽(如电极的通道数),植入方式的安全性(如手术创口和在体工作时间),算法解码的先进性(如实时性、可靠性和鲁棒性)等。

把柔性电极做小做薄。记录或调控大脑神经元电生理活动的一个核心器件叫做神经电极,也叫脑电极,分为侵入式和非侵入式两种。目前可以获取高质量信号、高时空分辨率的植入式脑机接口是当下研发的热点也是该领域未来重点的发展方向,但植入创伤大和难以长期在体稳定工作是开发人员面临的两大重要挑战。大脑是非常柔软的,从杨氏模量(是描述材料抵抗形变能力的物理量)来看的话,大脑大概是几个 kPa,骨头是几到几十个 GPa,相差接近 7 个数量级。若将硬质电极固定在颅骨,由于电极和大脑相对运动造成的大脑局部微损伤可能导致大脑持续发炎,大脑形成的神经瘢痕会包裹电极,从而因为绝缘影响工作,严重情况下还会导致其他脑疾病。柔性电极可在很大程度上解决这个问题,利用特殊技术把柔性电极暂时硬化,当它插入大脑时是硬的,进入后就会变软。植入过程只需在颅骨上钻一个不到 0.7 毫米直径的小孔,就可直接插入大脑,并可长期在体工作,真正做到最大限度的利用大脑,并最小限度的损伤大脑。

提升电极的带宽与精度,也就是可同时记录/刺激神经元的数量、以及信号质量的高低,是脑机接口下一步的研究方向。神经元的物理尺寸从几微米到几十微米不等。目前我们团队开发的柔性神经电极,采用与半导体加工工艺兼容的制造方式,在单器件集成了 2000多个电极记录位点,结合后端芯片技术,最多可同时采集/刺激2000多个神经元。

无线通讯技术也亟需突破性进展,这对脑机接口的发展也会有帮助。鉴于无线通讯和无线充电在脑机接口上的迫切需求,在不影响器件核心性能的前提下,降低整个芯片的功耗成为了核心关键。虽然目前国内大多都在使用进口的芯片,但是这些芯片尚未完全满足临床需求,芯片自研迫在眉睫。

陶虎作为国内脑机接口、人工智能、微纳传感领域的权威专家,目前其团队已在鼠、兔、猕猴等实验动物身上,成功实现了单脑区、双脑区的有线、无线等多种方式的脑信号采集,通过柔性脑机接口,不仅能 “读” 到这些小动物们在 “想” 什么,将活动指令 “写” 入它们的脑中还能获得它们执行相应指令后的反馈信息,形成闭环交互。

面对巨大且急迫的临床需求,治病救人成了脑机接口技术研发的第一要务。2021年10月,陶虎联合中科大校友、原阿里巴巴本地生活的资深副总裁、客如云创始人彭雷创立脑机接口公司NeuroXess脑虎科技,成立仅3个月后,公司获得盛大、红杉、涌铧等投资机构近亿元投资,成为该领域最大的早期融资,是目前国内侵入式脑机接口领域最具代表性的公司。陶虎作为首席科学家,他认为本身技术发展的应用诉求,需要不断迭代,必须通过合法合规的临床实验。作为研究团队来说,我们在不断优化和改进脑机接口的同时,必须做到多方协作,共同把这项技术从实验室阶段向临床试验推进并实现产业化。

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