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2021-10-20 07:13
植入式脑机接口,创口可以小如针孔?

本文来自微信公众号:造就(ID:xingshu100),演讲:陶虎(中科院上海微系统与信息技术研究所副所长、研究员、博导,TCCI中国研究员),编辑:梁蓝,头图来自:IC photo


2021年世界人工智能大会(WAIC),来自中国科学院上海微系统与信息技术研究所的“免开颅微创植入式高通量柔性脑机接口”项目获得了大会的最高奖项—SAIL奖(卓越人工智能引领者)


那么这项获奖技术到底是什么黑科技,有哪些应用前景呢?我们请来了该项目的带头人陶虎研究员替我们答疑解惑。




脑机接口的核心:充分发挥人脑的优势


大家知道,其实我们人类之所以这么多年可以站在所谓地球生物链的顶端,并不是因为我们在其他方面比较强。实际上,不管是力量、速度,还是视力、耐力、听力等方面,有很多动物都比我们要强。那么,人类在地球上能够占据这样的地位,最主要的还是我们拥有一颗强大的大脑。


关于脑机接口,它的一个核心思路就是怎样充分发挥人脑的优势,绕过人体的自身器官让大脑直接与外界世界或者外界装备进行交互。



这是一张经典的脑机接口技术框架图(来自加州理工学院Richard Andersen):从大脑的信号读取到之后的编解码,再到与外界的交互,然后把与外界交互的情况反过来通过神经界面刺激回大脑,这样形成一个闭环的回路。


大家可以看到这里面有一个很关键的地方就是如何采集大脑的信号,以及刺激回大脑,这里就需要我们的脑电极或者神经界面。我们课题组与华山医院的毛颖院长,还有其他的一些合作伙伴,主要攻克的就是神经界面这部分。


植入式脑机接口VS非植入式脑机接口


目前脑机接口可以分为两个大类,植入式脑机接口和非植入式脑机接口。


我们大脑的神经元放电,信号通过脑膜、脑脊液、颅骨、头皮,真正到头皮上的电信号其实已经衰减、散射得一塌糊涂了。所以从信号本身来说的话,植入式的脑机接口由于直接和大脑里面的神经元接触,它的准确率和主要性能是要高于非植入式脑机接口的。


但这也带来一个非常大的挑战,毕竟植入式脑机接口是有创的,怎样在这两者间取得一个平衡是很多做植入式脑机接口考虑的一个事情。


植入式脑机接口的发展现状及挑战


那么现在植入式脑机接口大概发展到什么程度了呢?这是今年两个比较火的例子:



一个是2月份马斯克Neuralink公司的演示,利用无线柔性脑机接口训练猴子打电子游戏;另一个是今年5月份斯坦福大学用犹他电极让瘫痪病人意念合成文字。


那么这是目前脑机接口能做到的事情,大家可以看到有两条路,从科研的角度或者研发的角度,走柔性、高带宽这条路;从临床上来讲,用的还是FDA(美国食品药物管理局)批准的犹他电极,但在研究的范式上,编解码这部分有新的突破。


那么植入式的脑机接口还有什么问题或者说还有哪些挑战呢?


不好用:记录带宽提升缓慢


我们人类成人大脑里面的神经元大概有800多亿个,每一个神经元跟周围成千上万的神经元彼此间交互,形成一个巨大而复杂的网。但截止到目前,我们能够同时记录到大脑神经元的数量大概是在千的量级。1000个通道的神经元记录设备跟我们大脑里800多亿个神经元,这中间差距巨大。



如若从技术发展的速度来看,大家知道在集成电路方面,有一个很重要的定律叫摩尔定律,也就是单位面积上晶体管的数量每18个月可以翻一番。


如果以此类比来看脑机接口,以它的通道数来看发展速度的话,基本上每70个月才能翻一番。从60年代的三通道到现在的一千通道,基本上每五年半翻一番,这是远远落后集成电路这些行业的。


其中一个原因就是在过去的几十年里,大家做神经界面,做脑机接口的脑电极基本上是按照医疗器械的方式来的。


而现在我们想用的是集成电路的方式,借用集成电路庞大的加工能力和集成能力,把如此多的神经电极记录点集成到一个小小的芯片里,而且芯片还能微创植入到大脑里面,进行大脑的采集和刺激。


脑机接口是一个复杂的系统


我刚刚有提到大脑很重要,但很不幸大脑是我们最复杂又最脆弱的一个器官。如果我们要做脑机接口的话,会涉及到电极、芯片、植入装置、算法,整个一起我们要做集成、封装,然后我们要做生物安全性、电极安全性、长期载体稳定性等等。


在应用上,脑机接口一方面是前沿的脑科学研究,大家应该都知道9月16日,中国的“脑计划”正式公布启动;另一方面针对临床的重大脑疾病,我们有众多的神经疾病患者正等着一个这样具有颠覆性可能的技术进行应用。


其中的核心难点,一个是怎样可以最大限度地利用大脑,即怎么提高神经信号带宽,不管是采集还是刺激;另外一个是如何做到最低限度地损伤大脑。


免开颅、极微创、高安全柔性脑机接口


而我们现阶段在做的事情,就是用近似无创的植入方式来达到有创的高性能。一方面,我们把原来传统的犹他硬质钢针电极换成了柔性电极,使得它的在体稳定时间大大增强。


由于硬质电极和大脑有微弱的相对运动,植入的犹他电极实际上无时无刻不在切割大脑,从而引起大脑局部炎症,形成神经疤痕,而有了胶质细胞的包裹,电极慢慢就会不导电了,这就是它工作寿命受损的一个瓶颈。


所以现在犹他电极在临床上的应用,基本上都是高位截瘫这样的病人,这样可以确保病人的头部跟被植入的电极之间没有太多的相对运动。


而对于柔性电极来说,其厚度是原来钢针电极的1/100,大概是微米级,相当于我们插了一根棉花在大脑里,大脑动,棉花跟着大脑在动,它相对没有位移,所以不造成切割,这就是为什么柔性电极可以长期在体工作的一个原因。




另外一方面,我们用集成电路的方式来做脑机接口。我们可以在小小单个器件里集成2000多个通道,而且每一个电极都是非常柔的,可以进行微创甚至接近无创的一个植入。


什么叫接近无创呢,在我们这边来判断的话,如果造成的创口在亚毫米级,大概在0.5mm以下的话,在很多场合下我们都认为是人体可自愈的。


那么0.5mm是什么概念呢,我们平时去医院体检抽血的针头大概就是这样一个水平,而我们做的电极大概是0.1mm,就跟蚊子叮你的吸管一样大,换句话说,我们的电极插入大脑对大脑造成的损害和蚊子叮你一口的损害在物理尺寸上是相当的。



得益于我们跟医院,还有各科研院所长期的合作,我们在各种动物上包括小鼠、大鼠、兔、狗、猴上都有成熟的脑机接口相关器件和装备,我们也会定期进行相关的培训。大家如果有兴趣的话,我们可以形成一些合作,看看怎样用我们的器件、装备更好地为科研和临床服务。



这张照片是有一次开会,我和毛颖院长讨论问题时别人拍下来的,我觉得这张图片很好,因为我是工程的背景,而毛院长这边是临床的需求。


我们非常坚定,我们所有的技术出发点都是为了用在人身上,为了治病救人;我们做的这些动物的展示或者这些验证也都是希望未来可以在人身上得到成功的展示。


脑机接口的未来应用


我们现在的目标是应用于病理方面,包括高位截瘫、渐冻症,包括失语、失聪、失明这些疾病,还有青少年的自闭症、青年的抑郁、老年的痴呆等等这些精神疾病。


脑机接口被认为是未来这些疾病的一个很好的解决手段,但我们的目标不仅仅是病人,更长远的,我们还希望我们可以做大众消费级别的脑机接口。



我们现在正在进入人、机、物三元互融时代,我们的大脑不仅仅是一个器官,从另一个角度来说,它其实是一台超算。


我们有800多亿个神经元,每个神经元有那么多连接,但我们大脑的平均功耗却只有20W,只有我们现在一个灯泡那么大。


因此我们可以通过脑机接口技术充分发挥我们自带的这台超算的功能,实现从物联网到脑联网,实现万物脑联、万物脑控。但在这之前,我们首先要做的是治病救人,是在重大脑疾病诊治方面得到一些应用。


谢谢大家。


本文来自微信公众号:造就(ID:xingshu100)演讲:陶虎,编辑:梁蓝

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