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复旦青年科学家创新脑机接口器件,打开神经性疾病诊疗新空间

时间:2022-9-21

·2022年“上海科技青年35人引领计划”入选者、复旦大学光电研究院青年研究员宋恩名说,侵入式脑机接口是未来趋势,植入式器件可以直接得到最原始、最清晰的脑电信号。当然,脑机接口更大的挑战在于安全性、稳定性和可拉伸性。

复旦大学34岁研究员宋恩名创新脑机接口植入式器件,打开神经功能疾病诊疗新空间。澎湃新闻视频记者:赵子易、吴星宇(01:51)

2021年12月,澳大利亚62岁的肌萎缩侧索硬化症(ALS,即渐冻症)患者菲利普·奥基夫用“意念”在社交媒体上发布了一条简短的消息:“你好,世界(Hello World)”。

 

植入奥基夫大脑的是脑机接口公司Synchron的设备,它以无线方式读取脑电波,转换为文字。治疗疾病、心灵感应、意念操控,脑机接口的想象空间正变得越来越大。

入选2022年“上海科技青年35人引领计划”的复旦大学光电研究院青年研究员宋恩名今年34岁,从事的正是脑机接口工作。他的研究面向脑机接口应用的柔性电子系统,是最直接和脑组织相接触的领域。

近日在接受澎湃新闻(www.thepaper.cn)专访时,宋恩名讲述了脑机接口的过去与未来、对治疗信号失调的脑疾病病症的价值、植入式柔性电子的创新研究,以及国内脑机接口的发展土壤。

他表示,侵入式脑机接口是未来趋势,植入式器件可以直接得到最原始、最清晰的脑电信号。当然,脑机接口更大的挑战在于安全性、稳定性和可拉伸性。大脑是人体的核心器官,漏电流等对人体尤其是大脑内部的伤害较大;除此之外,稳定且长期的信号采集和可随器官同步运动的拉伸不滑移能力也是对于脑机接口器件的追求。植入式器件只有保证安全性、稳定性和可拉伸性,脑机接口技术未来才会飞速发展。宋恩名表示,脑机接口现阶段主要应用是治疗信号失调的脑疾病病症,比如癫痫病、帕金森症;在不久的将来,未来脑机接口或许可以实现大脑意识传感,比如操纵无人驾驶等。

脑机接口的两种模式

脑机接口是大脑和外部设备之间的信息通路,是大脑和外部设备间搭建的桥梁。它绕开外周神经,在大脑与外部设备间建立直接连接以进行信息交换。

上世纪70年代,美国加州大学洛杉矶分校的雅克·维达尔(Jacques Vidal)教授首次在科学文献中提出“脑机接口”这一专业术语,并提出了一个关键问题:能否将可观测的脑电信号用作人机通信中的信息载体,或是控制假肢、宇宙飞船之类的外部设备。1977年,他通过提取视觉诱发电位,完成了以脑电控制屏幕上光标样物体,这是脑机接口最早的实验室实现形式。进入21世纪,脑机接口研究规模日益扩大。尤其是2019年以来,马斯克的脑机接口公司Neuralink屡次掀起舆论热潮,脑机接口被大众熟知。

脑机接口主要有侵入式和非侵入式,侵入式采用神经外科手术方法将采集电极植入大脑皮层、硬脑膜外或硬脑膜下。非侵入式脑机接口是通过附着在头皮上的穿戴设备测量大脑电活动,它朝着小型便携、可穿戴等方向发展。

宋恩名认为,侵入式脑机接口是未来趋势。“人脑的颅骨实际上是一个非常好的屏蔽箱,它把很多有用的信号屏蔽掉,如果我们只是用可穿戴的头盔,信号的质量也就是信噪比会比较低,要外接放大器,进一步改良信号,这会限制脑机接口的应用。”

这也是大力发展脑机接口植入式器件的原因,植入式器件可以直接得到最原始、最清晰的脑电信号,“我们希望通过微创或开颅手术,把我们的器件植入进去。”

复旦大学光电研究院青年研究员宋恩名

 

当然,脑机接口更大的挑战在于器件的安全性、稳定性和可拉伸性。宋恩名表示,皮肤可穿戴电子器件的产业化应用已非常普遍,但植入式器件和贴肤式器件的安全考量不同,大脑是人体的核心器官,漏电流等对人体尤其是大脑内部的伤害较大。除此之外,制备出不易滑移且可与大脑紧密贴合并随之同步运动的柔性器件也是重中之重。植入式器件只有攻克上述挑战,脑机接口技术未来才会飞速发展。

脑机接口的未来想象空间

脑机接口的原理基础是神经科学。大脑中枢神经元膜电位的变化会产生峰电位或动作电位,神经细胞突触间的化学物质传递也会使突触后膜产生电信号变化,脑机接口技术正是通过采集这些不同位置的脑功能区与不同深度的电信号,通过预处理、特征提取和模式识别,实现对大脑活动状态或意图的解码,并可以把大脑活动状态、解码结果、与外界通信或控制结果反馈给用户,进而调节其大脑活动以获得更好的性能。

宋恩名表示,脑机接口对治疗信号失调的脑疾病病症有参考应用价值,比如癫痫病、帕金森症。脑电信号的采集对应的是诊断,癫痫发病急促,未来通过脑机接口提取脑电信号,可以全天候或长时间诊断癫痫患者。“我们捕捉到一个信号,就可以提出一个提示,再进行外部治疗。”

除了诊断,还有反馈。比如抑郁症患者存在脑电活动的异常区域,“如果我们外部直接给它一个兴奋性的电流,或者反向输出给大脑一个信号,改变神经活动,就可以帮助患者治疗抑郁症。”

例如浙江大学医学院附属第二医院研发了闭环神经刺激器,应对癫痫病症。植入这种脑机接口装置可实时监测患者大脑活动情况,并自动识别癫痫等疾病的特征性脑电谱,在疾病发作前或刚一发生即产生“报警”,同时自动激活脉冲发生器给予精准电刺激,对癫痫等疾病的异常脑电产生抑制效果。

除此之外,国外已有研究团队通过“意念书写”脑机接口,可实现让受试者将脑中想象的“笔迹”转为屏幕文本,准确率超99%,受试者可达到每分钟输入90个字符的速度。

脑机接口未来还有哪些想象空间?宋恩名大胆预测,未来脑机接口或许可以实现人与人之间的心灵感应,人脑意识甚至可以操纵无人驾驶等。

植入式柔性电子的原创性研究

宋恩名所从事的领域涉及脑电信号采集,研究面向脑机接口应用的柔性电子系统,是最直接和脑组织相接触的领域,其主要工作是围绕半导体纳米薄膜器件的全脑尺寸脑电电极阵列展开。

近年来,植入式新器件的研究突破促使神经科学工程快速发展。宋恩名表示,植入式柔性电子系统的创新对于现有的脑机接口技术革新至关重要。

传统脑机接口技术通常依赖较厚的刚性植入式脑电电极,比如上世纪90年代美国犹他大学研发的植入式脑探针,基底上排列着100根信号探针,该系统力学性能上与柔软脑组织相互不能匹配,更为重要的是它不具备脑电信号放大功能。

基于这些技术局限,宋恩名团队在面向脑机接口应用的植入式柔性电子研究做出了一系列原创性工作。首先,针对目前的脑机接口技术刚性结构与信号采集面积、分辨率不足的局限,宋恩名团队创新了基于半导体薄膜的电极阵列的柔性转移技术,建立了基于数以万计遍布全脑维度的皮层脑电前放电极阵列。

针对植入式柔性电子因封装问题而在脑内工作不稳定的封装难点,他们开发了以热氧化二氧化硅的纳米材料层为封装层的技术,获得了封装性能稳定、可长达数年实现皮层脑电采集的植入器件。针对传统金属电极在功能性与稳定性方面长期存在的问题,团队提出了具有生物兼容性的重掺硅薄膜阵列电极的脑电信号采集系统,实现了信号稳定采集,可信号调控,进行脑部电信号刺激。

“Neuralink使用无源的金属电极,换句话说,它直接用导体接触脑组织,这也是目前国内外大部分课题研究组在从事的。”而宋恩名的研究成果用到了大量半导体技术,他表示,这一系列成果已证实,他们制备的系统可实时监测动物脑电信号乃至数年,相关成果对诊断治疗神经功能疾病有重要参考意义。

导体的功能主要是直接记录脑电信号活动,但半导体的集成电路具备放大器功能,可提纯和放大信号,拉大信噪比,这也是半导体在脑机接口领域具备的最显著优势。此外,Neuralink设备连接猪脑的1024个电极仍然是一对一连接,“因为导体的连接方式就是一个电极对应一条引线,1024个电极就需要1024条引线。如果使用CMOS(互补金属氧化物半导体)集成技术,可以采用阵列模式,多路复用的传感模式可以大量节省引线。”

宋恩名介绍,1000个电极采用CMOS技术只需要92条引线就可以做到点对点的操作。植入式器件存在一定的感染或排异反应,而共用引线的优势是,当引线数量减少,植入设备的安全性增强。当然也存在缺点,如果一条引线失效,会导致一排或一列电极同时失效。导体与半导体材料在脑机接口中的应用各有利弊,如果两者共同进步,取其精华是未来趋势所在。

看好国内脑机接口的发展土壤

宋恩名真正进入脑机接口领域是博士后阶段。本科和博士阶段从事半导体材料研究,这为他研发半导体集成的脑机接口技术打下基础。

他出生在别人口中的“书香门第”之家,父母分别是复旦大学和上海海洋大学的教授。孩童时期家教严格,但也在潜移默化中影响了他的学习习惯和思考辩证模式,最终走上了科研之路。

从小学习成绩名列前茅,从复旦二附中的初中考入上海本地名校“复旦附中”。高考结束后,他报考了复旦大学材料物理专业,本科、博士都在复旦大学度过。材料组成器件,器件构成集成系统,集成系统最终面向应用,这条逻辑链也往前推动着宋恩名的求学之路。

博士期间,宋恩名被美国“四院”院士John A. Rogers教授看中,获得了联合培养博士生机会,2015年出国留学,在美国伊利诺伊大学厄班纳-香槟分校(UIUC)攻读博士。两年后,跟着导师转到美国西北大学工作开启了脑机接口应用的博士后研究。

每天早上6时出门,晚上11时回家,这样的日子几乎持续在美国留学的五年。对于他的两个孩子而言,宋恩名是个“消失的爸爸”。“现在想起来觉得很苦,但是说出来大家可能不信,我自己在那段时间里却并不觉得,是一种 ‘忘我’的状态,甚至我承认,乐在其中。”

实验室仪器难约,他只约上了感恩节早上5时30分。起了个大早赶去UIUC实验室,早上5时路过John A. Rogers的办公室,他的导师早已坐在里面,桌上的咖啡已经凉了。那一幕震撼了宋恩名,也影响了他做研究和生活的习惯。

在美国留学的五年里,宋恩名在面向脑机接口应用的柔性电子系统研究上取得进展,尤其是在动物皮层脑电传感领域博士后出站后,宋恩名和家人回国,他加入母校复旦大学光电研究院,组建实验室,与国内外知名学者和课题组建立合作关系。

“我很看好国内脑机接口的发展土壤,尤其是国内对年轻人的培植力度非常大,像上海科技青年35人引领计划,都是国家对青年科学家、青年人才的扶持。”宋恩名说。

在他看来,脑机接口这一前沿领域,国内外差距不大,“国内的类脑计算,尤其是大数据库在国际上已经取得非常前沿的位置,包括我从事的脑机接口硬件制造,我也相信国内的环境会给我很大的支持,事实证明也是如此。”除了植入式器件,脑机接口研究还需要芯片集成、编码解读、类脑计算大数据库的建立、大量神经外科医生的辅助。宋恩名表示,脑机接口研究就像一个大熔炉,医工交叉是大趋势。国家也在鼓励交叉学科,国内医工交叉项目越来越多,而创新正是需要不同领域的思想火花碰撞,这也是他选择回到母校的原因之一。未来国际学术的整体发展趋势是交叉学科共同进步。“脑机接口的发展需要大家的合力,我希望看到众人拾柴火焰高的最终景象,我们也在和一些医院合作,神经外科的专家可以把我们做的东西应用起来。”