侵入式腦機接口技術(shù)在“腦控”和“控腦”兩大應用方向上的發(fā)展，及剛?cè)峥烧{(diào)的新型接口技術(shù)進展

馬斯克的Neuralink帶火了腦機接口技術(shù)，而其實這一項技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了50年之久。建立人機完全合一的腦機智能是針對此類應用的遠景，而著眼當前，在神經(jīng)、運動康復方面，包括腦疾病的治療、運動的重建、運動的恢復和康復；以及感知覺，包括人工耳窩、視網(wǎng)膜的康復應用等。對于這一類特殊人群，腦機接口技術(shù)能夠真正幫助到他們構(gòu)建和外界正常聯(lián)系，并且減少其患病風險。

腦機接口分為侵入式和非侵入式。要構(gòu)建腦與機之間的可靠通路，實現(xiàn)信息交互，那么侵入式技術(shù)變得尤為關鍵。1980年左右，NIH首次在猴腦植入電極，實現(xiàn)了猴子光標的LED燈的控制。而從1980年到1995年之間，植入式腦機接口基本上處于原地踏步階段，進展甚微。直到1990年中期，紐約州立大學Chapin教授首次發(fā)現(xiàn)，通過微絲電極植入大腦，神經(jīng)原信息記錄可長達數(shù)月之久，自此腦機接口研究開始興起。

在國內(nèi)腦機接口研究方面，浙江大學和南湖腦機交叉研究院走在前列。在由芯原股份主辦的第二屆南渡江智慧醫(yī)療與康復產(chǎn)業(yè)高峰論壇上，南湖腦機交叉研究院常務副院長王躍明受邀進行了以“侵入式腦機接口研究”主題的開幕演講。

閉環(huán)腦控和控腦兩大應用方向

據(jù)悉，浙江大學開展的是閉環(huán)腦機接口研究，從底層電極芯片集成、到中間層的閉環(huán)控制理論模型、再到頂層應用全面覆蓋。對于閉環(huán)腦機接口的控制，可以分為腦控和控腦兩個方向。腦控可以讓有障礙無法表達和感知外界的特殊人士實現(xiàn)對于外界的感知和輸出。而控腦則是可以通過外界的干擾來刺激腦神經(jīng)達到針對某些疾病的治療目的。

首先在腦控方面，浙大開展了多種不同的應用方向。一是可以讓人通過意念在線控制機械手實現(xiàn)譬如“石頭剪刀布”之類的游戲。這需要在初級運動皮層與感覺皮層上用ECOG電極陣列采集腦信號，然后通過后端的計算部分來解碼腦信號實現(xiàn)手勢解析，最終將控制信號傳遞到機械手完成控制。

第二類腦控為臨床侵入式腦控機械手。浙江大學在國內(nèi)首次實現(xiàn)了侵入式皮層神經(jīng)信號控制機械手3D運動。這一基于72歲高齡病人動態(tài)、弱化腦信號的3D控制腦機接口應用在國際上尚屬首次，同時也填補國內(nèi)在該項研究的空白，讓我國在該領域步入國際前沿行列。對于斯坦福大學的研究，浙江大學的成功率最大提升13.85%，到達時間最多縮短13.46%。

第三類腦控為書寫腦機接口，通過對與漢字的神經(jīng)特異性表征的提取，來讓患者完成漢字書寫。浙大突破了在漢字書寫軌跡上的解碼新技術(shù)，在離線狀態(tài)下100個常用漢字的分類正確率達到了91.3%；而在語言模型輔助下，在線正確率可提高至96.2%。

接下來看下在“控腦”方面的研究進展。浙大在國際上率先實現(xiàn)了計算機機器視覺和大鼠的結(jié)合，構(gòu)建了視覺增強的大鼠機器人。據(jù)悉，大鼠機器人具備識別人臉、轉(zhuǎn)向標志等功能，大鼠可依據(jù)計算機圖像識別結(jié)果、自動做出預設的運動行為，成功實現(xiàn)單向控腦的大鼠機器人全自動導航。

第二個腦控研究方向是通過調(diào)控實現(xiàn)重大腦部疾病的腦機療法。這是針對深度腦刺激的升級療法，實現(xiàn)自適應的調(diào)控療法，能夠?qū)δX狀態(tài)實時監(jiān)控，根據(jù)具體疾病狀況，按需刺激，實現(xiàn)因人制宜、因病制宜的效果。

第三個腦控方向是針對癲痛閉環(huán)電刺激，構(gòu)建了模型、算法與原型。浙大的癲癇閉環(huán)電刺激調(diào)控裝置已經(jīng)迭代了三代，第三代采用了全植入式的方式，能夠完成對癲癇檢測、預測和刺激干預，并且已經(jīng)于2022年，入選國家藥監(jiān)局醫(yī)療器械技術(shù)審評中心“創(chuàng)新醫(yī)療罷械特別審查程序”。

“剛?cè)峥烧{(diào)”腦機接口新型材料與陣列技術(shù)

要實現(xiàn)上述的一系列控腦和腦控的應用，一個基礎在于對于腦信號的準確可靠采集，而這就離不開針對腦機接口電極的研究。

王躍明表示，剛?cè)岣饔袃?yōu)勢，如何實現(xiàn)剛?cè)峥烧{(diào)的接入，是腦機接口技術(shù)的發(fā)展關鍵。浙大的研究目標是通過自研電極+芯片的集成實現(xiàn)具象視頻。這里面涉及到醫(yī)用密封封裝、高密度饋通、無線通信、無線充電技術(shù)低功耗設計以及神經(jīng)信號處理等多個方面技術(shù)的融合；需要通過不同層次的軟硬件設計，實現(xiàn)磁共振兼容全植神經(jīng)信號采集微系統(tǒng)。

在這一剛?cè)峥烧{(diào)的腦機接口方向上，浙大已經(jīng)有了四大進展。一是通過NBA單體技術(shù)提供化學鍍金屬能力，用于制造導電通路，實現(xiàn)了電極剛度在體溫附近的切換，彈性相差約兩個數(shù)量級。該技術(shù)利用動態(tài)化學鍵構(gòu)筑可適用人體環(huán)境的可變形基體，短期彎折可以快速恢復，而長期彎折則可以緩慢恢復。

第二個研究進展是剛?cè)峥烧{(diào)的新型三維柔性陣列電極，優(yōu)化了微電極陣列的微納加工、異質(zhì)集成、三維封裝等工藝，研制了立體的三維浮動微電極陣列 (8x8x2=128通道) ，并初步完成了動物測試。

第三個研究進展是高通量、高集成度神經(jīng)記錄芯片結(jié)構(gòu)及電路實現(xiàn)。浙大自主研發(fā)出一款128通道、高集成、低功耗神經(jīng)記錄芯片，相比馬斯克Neuralink芯片，記錄功耗相當，輸入噪聲水平降低50%以上。

第四個研究進展是電極芯片一體化集成微系統(tǒng)技術(shù)。在一個全密封微系統(tǒng)中實現(xiàn)信號采集、處理、電池+無線充電、無線信號發(fā)送等功能。

王躍明表示，剛性微電極陣列是硬的，有傷害；柔性電子傷害比較小，但是植入比較困難。同時植入要實現(xiàn)多通道可能沒有問題，但要長期穩(wěn)定記錄同樣非常重要，長期穩(wěn)定也很重要，因為反復插拔也會對大腦造成傷害。如果把剛性植入的便利和柔性結(jié)合在一起，才是比較理想的方案。而針對重癥抑郁癥患者，植入式腦機接口技術(shù)有望幫助他們恢復認知能力，這部分人群也更樂于接受這樣的治療方式。