圍繞未來健康、未來智能、未來能源、未來空間、未來材料五個重點(diǎn)方向，上海正加速布局五大未來產(chǎn)業(yè)。以前沿突破、臨床應(yīng)用為導(dǎo)向，腦機(jī)接口的研發(fā)突破及產(chǎn)業(yè)化，是未來健康產(chǎn)業(yè)集群中的一個重要方向。

　　隨著生物與信息交叉技術(shù)的快速發(fā)展，繼“物聯(lián)網(wǎng)”之后，一個更加先進(jìn)的“腦聯(lián)網(wǎng)”已向我們走來。在大腦與外部設(shè)備之間搭建橋梁，腦機(jī)接口將是“腦聯(lián)網(wǎng)”的最關(guān)鍵設(shè)備之一。在這一競爭激烈的新賽道上，上�？茖W(xué)家獨(dú)辟蹊徑，巧用蠶絲光纖研制出了一種柔性電極。這種剛?cè)嵯酀?jì)的“中國式創(chuàng)新”突破了腦機(jī)接口臨床應(yīng)用的一個關(guān)鍵瓶頸，或?qū)�帶來顛覆性革命�?/p>

　　■本報記者 許琦敏

　　只需要在顱骨上開一個直徑不到0.5毫米的小洞，就能夠?qū)⒁幻毒哂?00多個記錄通道的探針植入大腦。這種厚度僅有1微米的探針身段柔軟，碰到血管會自動滑過避開，安全到達(dá)指定位置。日前，這種名為“基于蠶絲蛋白的自適應(yīng)柔性光電子神經(jīng)探針”的新一代植入式腦機(jī)接口在中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所傳感技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室誕生了。

　　終于，植入腦機(jī)接口不再是“往豆腐里插筷子”，而只是引入一根軟到難以損傷腦組織的輕柔絲線。這種柔性腦機(jī)接口對于腦聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展應(yīng)用，可謂是一個重磅級成果。它的發(fā)明人——中科院上海微系統(tǒng)所副所長、腦虎科技首席科學(xué)家陶虎說，這將為腦疾病治療、腦科學(xué)研究推開一扇方便之門。

　　修復(fù)神經(jīng)損傷 腦機(jī)接口將是強(qiáng)有力工具

　　腦的進(jìn)化路線決定了生物的進(jìn)化層次。以人為代表的哺乳動物的大腦選擇了復(fù)雜的進(jìn)化路線，于是發(fā)展出越來越高級的功能。而蒼蠅蚊子之類的昆蟲選擇的是相對淺層的進(jìn)化路線，比如具備快速避障的能力，其目的就是如何快速“躲過一劫”以求生。

　　然而，一個系統(tǒng)越復(fù)雜、越精密，也就越脆弱。就拿人腦來說，上千億個神經(jīng)元組成龐大網(wǎng)絡(luò)，浸泡在腦脊液中，其中的信息和物質(zhì)交互極其復(fù)雜，因此出現(xiàn)損傷、疾病、退化之后，其修復(fù)也就變得十分困難。

　　“從這個角度來說，人不可避免會得精神病或神經(jīng)病�！碧栈⒄J(rèn)為，大腦“出錯”的一個本質(zhì)表現(xiàn)就是神經(jīng)元釋放的電信號發(fā)生了紊亂，而腦機(jī)接口正是一個為大腦“糾偏”的有效工具。它可以在大腦和外部設(shè)備之間創(chuàng)建直接連接通路，是神經(jīng)修復(fù)最有效的工具。

　　一項調(diào)查顯示，2020年全球神經(jīng)修復(fù)需求市場規(guī)模已達(dá)14.6億美元，預(yù)計2027年將達(dá)38.5億美元，年復(fù)合增長率為13%。目前，我國植入腦機(jī)接口醫(yī)療領(lǐng)域適應(yīng)癥人數(shù)約為3070萬人次，年復(fù)合增長率約5%。

　　目前的臨床試驗已經(jīng)證實，腦機(jī)接口可以通過提取與解碼大腦神經(jīng)活動，實現(xiàn)人腦與神經(jīng)假體之間的連接，代替大腦發(fā)出神經(jīng)控制命令來控制人工假體完成預(yù)期動作，也可模擬并傳輸相應(yīng)信號至目標(biāo)位置，給出神經(jīng)刺激達(dá)到神經(jīng)修復(fù)的目的。因此，腦機(jī)接口被認(rèn)為是修復(fù)癱瘓、中風(fēng)、帕金森、漸凍癥等患者神經(jīng)功能受損的最有效手段之一。

　　此外，腦機(jī)接口還是全面解析、認(rèn)識大腦的關(guān)鍵核心技術(shù)，是國際腦科學(xué)前沿研究的重要工具。目前，全球腦疾病患者超過5億人。從高發(fā)于青少年的自閉癥、中青年階段的抑郁、老年期的癡呆，到全年齡段都可能發(fā)生的癱瘓、癲癇、失明、失語、漸凍癥等神經(jīng)系統(tǒng)病癥，醫(yī)學(xué)界都還在不斷探索其精確診斷和治療的手段。

　　“打一個形象的比喻，腦疾病的發(fā)生就好像掛在樹上的燈泡一個個熄滅。相對于腦CT、穿刺活檢等手段只能獲知最終結(jié)果，腦機(jī)接口有可能實時看到燈泡是如何熄滅的�！碧栈⒄J(rèn)為，腦機(jī)接口的突破性進(jìn)展，將會為人類認(rèn)識大腦、治愈腦疾病帶來劃時代變革。

　　無損連通大腦 實現(xiàn)夢想還要過幾道關(guān)

　　理想的腦機(jī)接口應(yīng)該是怎樣的？目前，腦機(jī)接口分為植入式和非植入式兩大類。非植入式腦機(jī)接口由于無法直達(dá)大腦皮層內(nèi)部，所獲得的信號數(shù)量和質(zhì)量都相當(dāng)有限。而植入式腦機(jī)接口則要對腦組織的損傷越小越好、在體工作時間越長越好、工作效率越高越好�？梢哉f，“終生無損連通大腦”是腦機(jī)接口的終極夢想。

　　近十年來，腦機(jī)接口底層技術(shù)迎來了快速發(fā)展，國內(nèi)醫(yī)療植入體和傳感技術(shù)逐步成熟，AI芯片算力不斷提升，算法發(fā)展迅速。與此同時，更多具備相當(dāng)機(jī)械強(qiáng)度、生物相容性和安全性的生物材料被應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。這讓腦機(jī)接口行業(yè)迎來了“拐點(diǎn)”，成為全球矚目的一大產(chǎn)業(yè)風(fēng)口。

　　盡管在各國相關(guān)政策的支持及科研人員的不懈努力下，植入式腦機(jī)接口技術(shù)已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，但是距離其廣泛應(yīng)用，仍存在著較大挑戰(zhàn)。

　　陶虎表示，植入式腦機(jī)接口面臨的首要問題是安全性�！耙獙Υ竽X深部的腦電信號進(jìn)行讀取與編碼，首先要避免傳統(tǒng)‘血淋淋’的開顱植入，因為這極易對腦血管、腦組織造成損傷�！贝送猓�植入器件的取出也會增加二次手術(shù)風(fēng)險。

　　第二個問題是腦機(jī)接口的有效帶寬不足。正常人類大腦通過超過800億個神經(jīng)元，控制人體的基本生理、外部感知、肢體運(yùn)動、情緒記憶等多種復(fù)雜功能活動。然而，基于目前的腦機(jī)接口技術(shù)，最多只能同時記錄大約1000個神經(jīng)元的活動及信號發(fā)放。

　　“目前神經(jīng)記錄帶寬提升緩慢，大約每70個月翻一番，遠(yuǎn)低于集成電路等領(lǐng)域的提升速度�！碧栈⒄f，對海量神經(jīng)信號的讀取、歸類、編解碼的難度，是以指數(shù)級提升的，需要硬件設(shè)備及算法軟件等多方面的協(xié)同創(chuàng)新，在提升信號采集質(zhì)量的基礎(chǔ)上，保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性與可靠性。

　　而且，不同人之間、同一疾病特征下的不同病人、同一病人在不同情境下的神經(jīng)信號活動都會產(chǎn)生較大差異與不確定性，很難使用一套固定的神經(jīng)信號算法覆蓋大多數(shù)人群，這也在一定程度上限制了腦機(jī)接口技術(shù)的推廣應(yīng)用。

　　蠶絲剛?cè)嵯酀?jì) 微創(chuàng)入腦長期在體工作

　　帶寬不足、植入創(chuàng)傷大、長期記錄穩(wěn)定性差，是腦機(jī)接口領(lǐng)域目前亟需解決的三大技術(shù)難題。面向臨床重大腦疾病診治、復(fù)雜神經(jīng)系統(tǒng)和高級腦功能的探索、認(rèn)知等實用化應(yīng)用需求，陶虎團(tuán)隊開發(fā)出了可長期穩(wěn)定在體的高帶寬侵入式柔性神經(jīng)電極和相應(yīng)的微創(chuàng)植入技術(shù)。

　　11月8日，團(tuán)隊在《微系統(tǒng)與納米工程》上發(fā)表論文，介紹了在微創(chuàng)植入技術(shù)上的最新成果。這種探針由天然蠶絲蛋白制成的光纖與多個柔性電極陣列組成，在一個直徑不到0.5毫米的探頭上，集成有128個記錄通道，可實現(xiàn)大腦神經(jīng)信號的精準(zhǔn)調(diào)控與解析。而且，其厚度僅1微米，在小鼠和兔等動物中已實現(xiàn)了10個月的在體穩(wěn)定記錄。此前，馬斯克公司開發(fā)的Neuralink電極厚度為5微米，公開報道的在體時長僅兩個月。

　　談及新探針的設(shè)計思路，陶虎說：“其實，我的想法很簡單，就是要提升帶寬�！彼�說，過去研制腦機(jī)接口主要將它作為一種傳統(tǒng)醫(yī)療器械，但他則想采用集成電路的研發(fā)方式。

　　集成電路的最大優(yōu)勢就是高度集成，將器件做得小而強(qiáng)。由于長期關(guān)注蠶絲蛋白，這次陶虎團(tuán)隊很自然地將蠶絲應(yīng)用到了新探針上。“蠶絲蛋白制成的器件，具有良好的生物相容性�！碧栈⒔榻B，傳統(tǒng)腦機(jī)接口的材料植入人體后，非常容易引起生物體的排斥，最常見的就是將植入體包裹起來形成疤痕組織，最終導(dǎo)致器件失效。不過，如果材料太過柔軟，就很難插入腦組織。因此，Neuralink柔性腦機(jī)接口必須輔以植入微針方能完成，而且需進(jìn)行開顱手術(shù)。由于創(chuàng)傷較大，植入電極后需要恢復(fù)一周左右方能檢測到單神經(jīng)元放電信號。

　　“無論傳統(tǒng)硬質(zhì)電極，還是借助微針植入的柔性電極，都要極其小心地避開腦部血管，一旦電極或微針的尖端哪怕是擦過血管，也容易使血管受損，引發(fā)腦內(nèi)出血。”陶虎說，為解決這個難題，他們仔細(xì)研究了蠶絲蛋白的硬度變化。

　　團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，蠶絲蛋白有點(diǎn)像卷子面，脫水狀態(tài)比較硬，插入腦組織后，在腦脊液的浸泡下就會變軟，從而自動適應(yīng)植入腦組織中的各種場景�！白钣腥さ氖�，在植入過程中，它的硬度會介于血管與腦組織之間�！碧栈⒄f，當(dāng)電極遇到血管時，由于比血管軟，就會自動繞過血管前行至目的地，即使碰到血管也不會對其造成損傷，這就避免了腦內(nèi)出血。

　　實驗表明，蠶絲光纖電極遇水完全軟化大約需要15分鐘，這為植入留下了足夠的時間窗口，同時避免了因探針長期僵硬而增加的腦組織損傷�！巴耆�軟化的蠶絲光纖，彎曲剛度會下降約11倍，已無力碰擦、切割，就像嵌在腦組織中�！闭撐牡谝蛔髡咧苤緷�副研究員介紹，這種蠶絲光纖的光傳輸損耗非常小，很適合用來對神經(jīng)元進(jìn)行光刺激。

　　“目前，我們借鑒集成電路技術(shù)，將多根超細(xì)神經(jīng)電極組裝起來，沿縱向不同區(qū)域大量排布，實現(xiàn)高密度三維信號的采集，從而實現(xiàn)高帶寬、跨腦區(qū)的高效記錄�！敝苤緷�告訴記者，團(tuán)隊已在食蟹猴、恒河猴模型上，實現(xiàn)了左右腦各720通道的神經(jīng)電極同時記錄。

　　繞過五官四肢 人類大腦或?qū)�發(fā)揮更大潛能

　　在同等體積和功耗下，人類大腦之強(qiáng)大絕對超越目前所有的超級計算機(jī)。陶虎經(jīng)常會想這樣一個問題：相對于大腦的水準(zhǔn)，人類的五官和四肢是否“低配”了？如果這些“配件”出現(xiàn)損壞，可否通過腦機(jī)接口，讓大腦直接指揮人工“配件”，從而恢復(fù)功能，甚至實現(xiàn)更強(qiáng)大的功能？

　　比如，人類視力達(dá)到2.0就算很好了，但仍看不到紅外光、紫外線、微光。如果繞過眼睛，把這些成像信息通過腦機(jī)接口直接輸入大腦皮層，或許就能擴(kuò)展人類的視覺能力。又如，人類聽不到超聲波、次聲波，但不依靠耳朵，通過連通外部設(shè)備，或許大腦就能“聽到”這些頻率的“聲音”。

　　“其實，腦機(jī)結(jié)合的終極目標(biāo)可能就是讓硅基器件與碳基生命融合，從而實現(xiàn)生命進(jìn)化的新高度�！痹谔栈⒖磥恚�腦機(jī)接口技術(shù)得到突破后，“腦聯(lián)網(wǎng)”時代將會很快到來——單個人腦就是人群網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點(diǎn)，可通過無線腦電傳輸，實現(xiàn)個體腦電信號的“云上傳”和“局域交互”。這將使信息傳播從三維提升到四維（增加情感維度），人腦的“情緒復(fù)刻”將變?yōu)楝F(xiàn)實。

　　陶虎設(shè)想，這種“情緒復(fù)刻”或?qū)�為治療抑郁癥、自閉癥等精神類疾病帶來新的希望。比如，可以給予一組實驗對象某種刺激（驚恐、興奮、悲傷、快樂等），記錄其相應(yīng)的“大腦圖像”，并進(jìn)行神經(jīng)響應(yīng)定位，再利用光、電、壓、藥等各種物理化學(xué)手段來刺激另一組實驗對象的相應(yīng)腦區(qū)，使其獲得相同情緒體驗。

　　科幻小說《三體》中的三體人可使用腦電波交流，這使得通訊速度變得極快，但同時個體之間也就沒有隱私和秘密。陶虎認(rèn)為，腦機(jī)接口并非無懈可擊的中介與信號傳輸方式，對于它的滲入與反向控制所具有的潛在危險性，也在客觀上增加了人的決策的復(fù)雜性和不確定性�！皩τ谀X機(jī)接口技術(shù)在人體上的使用及可能造成的安全性風(fēng)險涉及重大倫理問題，必須加強(qiáng)倫理探索，防患于未然�！�

　　植入式電極發(fā)展歷程

　　近二十年來，植入式腦機(jī)接口領(lǐng)域出現(xiàn)了兩次革命性技術(shù)創(chuàng)新，并涌現(xiàn)了一系列新范式和新應(yīng)用，以下列舉幾種不同發(fā)展階段的代表性植入式電極。

　　Utah硬質(zhì)電極

　　2004年，Cyberkinetics公司生產(chǎn)的Utah植入式電極獲美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準(zhǔn)，成為世界上首個可用于臨床的植入式電極，引領(lǐng)了腦機(jī)接口第一次技術(shù)創(chuàng)新。

　　2005年，高位截癱患者馬特·納格爾成為第一位利用植入式腦機(jī)接口來控制機(jī)械臂的病人。利用植入運(yùn)動皮層的電極，他完成了機(jī)械臂控制、移動電腦光標(biāo)等任務(wù)。

　　2020年1月，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院基于Utah電極，完成了中國首例植入式腦機(jī)接口臨床轉(zhuǎn)化研究，使高位截癱老人控制機(jī)械臂，實現(xiàn)了抓取和進(jìn)食。

　　然而，Utah電極仍存在諸多不足。比如，由于是硬質(zhì)電極，使用者運(yùn)動時易剪切腦組織引發(fā)炎癥；記錄通道數(shù)不夠，外部設(shè)備控制精度不高；最深只能植入到淺皮層，且只能記錄單一平面內(nèi)信號，適應(yīng)癥有限。

　　Stentrode血管電極

　　2017年，美 國Synchron公司開發(fā)出Stentrode神經(jīng)血管電極系統(tǒng)，其外觀類似一個血管支架，能夠通過微創(chuàng)手術(shù)從頸靜脈植入大腦，擴(kuò)展到血管壁上。

　　這種電極可同時記錄16通道腦電信息，并于2021年7月通過FDA審批，目前正在開展臨床試驗。在植入該電極后，兩名漸凍癥患者經(jīng)過恢復(fù)和訓(xùn)練，通過意念實現(xiàn)了發(fā)短信、發(fā)送電子郵件、購物和操作網(wǎng)上銀行業(yè)務(wù)等日�；顒�。

　　血管電極也存在一些不足。比如，通過靜脈血管植入，大腦中的很多位置電極均無法到達(dá)。這種電極只能記錄場電位，而且由于血管壁的阻隔，其信號容易衰減。此外，它的記錄通道數(shù)較少，打字速度慢。

　　Neuralink柔性電極

　　埃隆·馬斯克創(chuàng)立Neuralink公司，專攻腦機(jī)接口技術(shù)。2019年7月，Neuralink基于柔性聚酰亞胺材料，使用半導(dǎo)體集成工藝，實現(xiàn)了單器件集成1024通道的高通量柔性電極，并針對柔性電極植入開發(fā)了手術(shù)機(jī)器人。

　　隨后Neuralink在前一代腦機(jī)接口系統(tǒng)上集成了無線傳輸功能，并將改進(jìn)后的無線腦機(jī)接口微系統(tǒng)植入豬的顱內(nèi)，實現(xiàn)了自由運(yùn)動小豬腦部活動情況的實時監(jiān)控。

　　2021年2月，Neuralink進(jìn)一步將這種腦機(jī)接口植入獼猴腦內(nèi)。經(jīng)過訓(xùn)練后，獼猴可通過“意念”直接精確控制光標(biāo)在屏幕上的移動來打電子游戲。

　　Neuralink技術(shù)路線被認(rèn)為是植入式腦機(jī)接口未來五到十年的發(fā)展方向。其產(chǎn)品發(fā)布后，掀起了植入式柔性腦機(jī)接口在大眾生活、學(xué)術(shù)研究、市場投資等方面的熱潮。

　　蠶絲光纖柔性電極

　　目前，國內(nèi)腦機(jī)接口領(lǐng)域比較有代表性的柔性腦機(jī)接口企業(yè)是上海的NeuroXess（腦虎科技）。2022年9月，該公司發(fā)布了自主研發(fā)的蠶絲光纖柔性腦機(jī)接口。

　　由于蠶絲蛋白天然抗菌、可降解、力學(xué)強(qiáng)度高，相應(yīng)地，以蠶絲蛋白為主體的柔性電極在生物相容性、機(jī)械強(qiáng)度上要比化工或化學(xué)合成材料制成的電極有優(yōu)勢。

　　在植入方式上，該接口使用了由蠶絲蛋白光纖和多個柔性微電極陣列組成的混合探針（絲光電極），可以準(zhǔn)確地插入大腦。通過蠶絲光纖的水合作用，探針能夠在植入后主動適應(yīng)環(huán)境，并降低自身的機(jī)械剛度，以高保真度植入大腦，同時保持與周圍組織的機(jī)械順應(yīng)性。

　　此外，具有128個記錄通道的探針可以在低光學(xué)損耗的情況下進(jìn)行顱內(nèi)光刺激，并檢測出高產(chǎn)量、良好隔離的單個單位，其性能遠(yuǎn)超過其他類型的探針。