中国科学技术大学9809校友陶虎率领中科院团队开发植入式柔性脑机接口系统，可免开颅微创植入，下一步瞄准三大脑部疾病核心重症。
人脑是一个结构和功能都十分复杂的器官，由 860 亿个相互关联的神经元组成，是一个巨大的 “黑箱”。也因为此，脑部重大疾病和神经系统疾病对人类造成的困扰一直是一个世纪难题。
越来越多的研究机构开始致力于揭秘黑箱，今年 9 月，我国科技部发布科技创新 2030 —“脑科学与类脑研究” 重大项目 2021 年度项目申报指南，拨款 31 亿元，启动了 “脑计划” 的首轮项目申报，主要包括五大方向：脑认知、脑疾病、类脑与脑机智能、脑智发育和技术平台。“脑机接口是底层的核心技术，基本上关乎了我国脑计划的几乎所有环节。” 陶虎教授（中国科大989校友）在一次演讲中提到。他是中国科学院上海微系统与信息技术研究所副所长、博士生导师，传感技术联合国家重点实验室副主任。陶虎团队开发的 “免开颅微创植入式高通量柔性脑机接口系统”，在今年荣获世界人工智能大会最高奖项。同时也引起了业界广泛的关注和讨论。他长期从事新型微纳传感技术领域研究，在脑机接口、新型人工智能感知芯片以及植入式医疗器械等生命电子信息交叉领域进行前沿科技探索，取得多项创新性成果。在 Science，Nature 等期刊发表了 SCI 论文 80 余篇，发表文章总引用超过 15000 次。陶虎本科毕业于中国科学技术大学，专业为精密仪器，2010 年获美国波士顿大学机械工程博士学位，其后在美国塔夫茨大学做博士后研究，从事可控降解植入式生物芯片和绿色微纳加工技术研究。他具有丰富的科学研究与产业转化经验。记录或控制大脑神经元电生理活动的一个核心器件叫做神经界面，也叫脑电极，分为侵入式和非侵入式两种。按照植入位置，又可以分为三类：头皮脑电极（EEG）、皮层脑电极（ECoG）、深部脑电极（SEEG）。脑电极植入方式和植入深度的不同，所获得的信号强弱不同，电极对人体的伤害程度也有所不同。非植入式脑机虽然具备无创的优势，但是因为颅骨的衰减，采集到的信号质量不高，对分析信号的能力有极高的要求，也因此，可以获取高质量信号、高时空分辨率的植入式脑机是当下研发的热点。然而，植入式电极无法在脑内长期稳定工作，这是一个最本质的挑战。当硬质类脑电极被插入到大脑后，就会形成胶质瘢痕，脑电极就会被包裹，而被包裹的脑电极是绝缘的，那将无法检测到放电，即电学功能上失效。总的来看，植入创伤问题、以及如何保证长期稳定的工作是开发人员面临的重要挑战。要解决这些挑战，需要综合考虑脑机接口的机械特性、生物化学特性等多方面因素。斯坦福大学的研究人员早在 2017 年就实现了通过植入脑机帮助肌无力患者用 “意念” 打字，在国内，研究人员也实现了高位截瘫患者通过脑机意念控制机械臂。类似的进展大部分都是通过硬质电极实现的。陶虎做了一个形象的比喻，硬质电极植入大脑中，就像是把筷子插进豆腐里。大脑浮在颅骨中的脑脊液里，当我们呼吸或转头时，大脑就会四处移动，那脑机在大脑中就相当于筷子在对豆腐进行切割。“大脑相对来说是比较柔软的，从杨氏模量（是描述固体材料抵抗形变能力的物理量。）来看的话，大脑大概是几个 kPa，骨头是几十个 GPa，相差 7 个数量级。”“硬质电极将对大脑造成等级不同的伤害。所以，我们现在正在致力于柔性电极的研究。”除此以外，陶虎还补充道，硬质电极固定在颅骨，可能导致大脑持续发炎，一方面会导致疾病，另一方面大脑形成的神经瘢痕会包裹电极，从而因为绝缘影响工作。柔性电极可在很大程度上解决这个问题。“其实柔性电极在国外也已经很多年了，我们现在做的就是电极的升级改造，在稳定性、安全性和生物兼容性等各方面进行改进。”陶虎团队开发了一个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，可在体工作时间 8 个月，整个过程就像被蚊子叮咬了一口。“把柔性电极做小做薄，这就是我们现在要做的事情。”“在集成电路里有一条著名定律‘摩尔定律’，也就是晶体管的数量每 18 个月会翻一番。其实在脑机接口领域也有‘摩尔定律’，或者叫‘亚摩尔定律’，就是用于同时捕捉脑神经元的电极位点数量每 70 个月才会翻一番，发展速度还远远落后于集成电路行业。”“那脑机接口是否也会追逐 5 纳米或 3 纳米工艺呢？”生辉问道。陶虎解释说，神经元的物理尺寸从几微米到几十微米不等，那么电极就没必要做到纳米级别，希望能做到微米级别就可以很好地采集信号。相反，电极太小的话阻抗太大，电学性能反而不好，所以先进工艺对电极本身来说并没有质的提升。从另一个角度来说，芯片的放电其实是一个模拟信号，模拟电路一般不要求特别小的线宽。马斯克的 Neuralink 在 2019 年公布的脑机接口芯片，吹响了打破脑机接口 “摩尔定律” 的号角。马斯克最初的目标是让四肢瘫痪的人仅仅通过 “意念” 就能控制电脑或智能手机。而他最终的愿景则是人脑与 AI 的融合，赋予人类以超人智能。当时公布的 Neuralink 芯片是由 3 个阵列组成，每个阵列包含可以捕捉神经元的 1024 通道柔性电极，这就相当于是一个可以进行 3072 通道信号采集处理的传感器。站在人类大脑 860 亿个神经元面前来看，虽然 Neuralink 与马斯克极具科幻性的目标还有相当长的距离，不过目前业内认为，如果能记录和处理 10 万个神经元，那么就可以很好地呈现现在已知的一些脑相关疾病和生理功能。提升带宽与精度，也就是可同时记录神经元的数量、以及信号质量的高低，是脑机接口的下一步方向。陶虎团队开发的新型电极，在单器件集成了 2640 个电极记录位点，可同时采集传输 2600 多个神经元信号。陶虎与生辉分享了他接下来 5-8 年的目标：让不能说话的人可以说话，让不能行动的人可以行动，让看不见的人能够看见。这三个 “不能” 对应的分别是：失语者、高位截瘫或者渐冻症患者、视力受损或者失明患者。这几类也是临床上脑部疾病的三大核心重症。“无线通讯和无线充电在脑机接口的应用上非常迫切。为了实现这些要求，核心是要降低整个芯片的功耗，” 陶虎说，“另外从无线通讯来看，关键是脑电极的传输带宽，随着通道数量的提升，数据量随之暴增，现有的成熟的无线传输的协议比如蓝牙甚至是 5G 技术，都不够支持这么大的海量数据的无线传输，所以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。”目前，陶虎团队已在鼠、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。陶虎在接受媒体采访时透露，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。“虽然我们在用国外的芯片，但是这些芯片还远远达不到我们的要求，另外考虑价格因素，所以我们也在研制自己的芯片。” 陶虎教授补充道。“我们正在为柔性神经电极申请临床试验伦理审核，一经批准就能进行临床试验。” 陶虎表示，“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，也希望可以多方协作，共同把这项技术推进临床和产业化。”
