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

馬斯克的Neuralink帶火了腦機(jī)接口技術(shù)，而其實(shí)這一項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了50年之久。建立人機(jī)完全合一的腦機(jī)智能是針對(duì)此類應(yīng)用的遠(yuǎn)景，而著眼當(dāng)前，在神經(jīng)、運(yùn)動(dòng)康復(fù)方面，包括腦疾病的治療、運(yùn)動(dòng)的重建、運(yùn)動(dòng)的恢復(fù)和康復(fù)；以及感知覺，包括人工耳窩、視網(wǎng)膜的康復(fù)應(yīng)用等。對(duì)于這一類特殊人群，腦機(jī)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(fēng)險(xiǎn)。

腦機(jī)接口分為侵入式和非侵入式。要構(gòu)建腦與機(jī)之間的可靠通路，實(shí)現(xiàn)信息交互，那么侵入式技術(shù)變得尤為關(guān)鍵。1980年左右，NIH首次在猴腦植入電極，實(shí)現(xiàn)了猴子光標(biāo)的LED燈的控制。而從1980年到1995年之間，植入式腦機(jī)接口基本上處于原地踏步階段，進(jìn)展甚微。直到1990年中期，紐約州立大學(xué)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(dá)數(shù)月之久，自此腦機(jī)接口研究開始興起。

在國內(nèi)腦機(jī)接口研究方面，浙江大學(xué)和南湖腦機(jī)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(fù)產(chǎn)業(yè)高峰論壇上，南湖腦機(jī)交叉研究院常務(wù)副院長王躍明受邀進(jìn)行了以“侵入式腦機(jī)接口研究”主題的開幕演講。

閉環(huán)腦控和控腦兩大應(yīng)用方向

據(jù)悉，浙江大學(xué)開展的是閉環(huán)腦機(jī)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(yīng)用全面覆蓋。對(duì)于閉環(huán)腦機(jī)接口的控制，可以分為腦控和控腦兩個(gè)方向。腦控可以讓有障礙無法表達(dá)和感知外界的特殊人士實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dá)到針對(duì)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(yīng)用方向。一是可以讓人通過意念在線控制機(jī)械手實(shí)現(xiàn)譬如“石頭剪刀布”之類的游戲。這需要在初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層與感覺皮層上用ECOG電極陣列采集腦信號(hào)，然后通過后端的計(jì)算部分來解碼腦信號(hào)實(shí)現(xiàn)手勢解析，最終將控制信號(hào)傳遞到機(jī)械手完成控制。

第二類腦控為臨床侵入式腦控機(jī)械手。浙江大學(xué)在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了侵入式皮層神經(jīng)信號(hào)控制機(jī)械手3D運(yùn)動(dòng)。這一基于72歲高齡病人動(dòng)態(tài)、弱化腦信號(hào)的3D控制腦機(jī)接口應(yīng)用在國際上尚屬首次，同時(shí)也填補(bǔ)國內(nèi)在該項(xiàng)研究的空白，讓我國在該領(lǐng)域步入國際前沿行列。對(duì)于斯坦福大學(xué)的研究，浙江大學(xué)的成功率最大提升13.85%，到達(dá)時(shí)間最多縮短13.46%。

第三類腦控為書寫腦機(jī)接口，通過對(duì)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(gè)常用漢字的分類正確率達(dá)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(jìn)展。浙大在國際上率先實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)機(jī)器視覺和大鼠的結(jié)合，構(gòu)建了視覺增強(qiáng)的大鼠機(jī)器人。據(jù)悉，大鼠機(jī)器人具備識(shí)別人臉、轉(zhuǎn)向標(biāo)志等功能，大鼠可依據(jù)計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別結(jié)果、自動(dòng)做出預(yù)設(shè)的運(yùn)動(dòng)行為，成功實(shí)現(xiàn)單向控腦的大鼠機(jī)器人全自動(dòng)導(dǎo)航。

第二個(gè)腦控研究方向是通過調(diào)控實(shí)現(xiàn)重大腦部疾病的腦機(jī)療法。這是針對(duì)深度腦刺激的升級(jí)療法，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的調(diào)控療法，能夠?qū)δX狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)具體疾病狀況，按需刺激，實(shí)現(xiàn)因人制宜、因病制宜的效果。

第三個(gè)腦控方向是針對(duì)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(duì)癲癇檢測、預(yù)測和刺激干預(yù)，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(píng)中心“創(chuàng)新醫(yī)療罷械特別審查程序”。

“剛?cè)峥烧{(diào)”腦機(jī)接口新型材料與陣列技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)上述的一系列控腦和腦控的應(yīng)用，一個(gè)基礎(chǔ)在于對(duì)于腦信號(hào)的準(zhǔn)確可靠采集，而這就離不開針對(duì)腦機(jī)接口電極的研究。

王躍明表示，剛?cè)岣饔袃?yōu)勢，如何實(shí)現(xiàn)剛?cè)峥烧{(diào)的接入，是腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展關(guān)鍵。浙大的研究目標(biāo)是通過自研電極+芯片的集成實(shí)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(shè)計(jì)以及神經(jīng)信號(hào)處理等多個(gè)方面技術(shù)的融合；需要通過不同層次的軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)磁共振兼容全植神經(jīng)信號(hào)采集微系統(tǒng)。

在這一剛?cè)峥烧{(diào)的腦機(jī)接口方向上，浙大已經(jīng)有了四大進(jìn)展。一是通過NBA單體技術(shù)提供化學(xué)鍍金屬能力，用于制造導(dǎo)電通路，實(shí)現(xiàn)了電極剛度在體溫附近的切換，彈性相差約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。該技術(shù)利用動(dòng)態(tài)化學(xué)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(fù)，而長期彎折則可以緩慢恢復(fù)。

第二個(gè)研究進(jìn)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(dòng)微電極陣列 (8x8x2=128通道) ，并初步完成了動(dòng)物測試。

第三個(gè)研究進(jìn)展是高通量、高集成度神經(jīng)記錄芯片結(jié)構(gòu)及電路實(shí)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(dāng)，輸入噪聲水平降低50%以上。

第四個(gè)研究進(jìn)展是電極芯片一體化集成微系統(tǒng)技術(shù)。在一個(gè)全密封微系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、處理、電池+無線充電、無線信號(hào)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(shí)植入要實(shí)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?yàn)榉磸?fù)插拔也會(huì)對(duì)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(duì)重癥抑郁癥患者，植入式腦機(jī)接口技術(shù)有望幫助他們恢復(fù)認(rèn)知能力，這部分人群也更樂于接受這樣的治療方式。