腦機(jī)接口領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了可拉伸有機(jī)電子器件領(lǐng)域的重大突破

“以腦-機(jī)交互（BCI）為核心的神經(jīng)工程技術(shù)，讓人類真正可以做到“心想事成”。

據(jù)首都醫(yī)科大學(xué)官網(wǎng)報(bào)道，首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院神經(jīng)外科賈旺教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合斯坦福大學(xué)化學(xué)工程系鮑哲南院士、天津大學(xué)化學(xué)系胡文平教授的團(tuán)隊(duì)，創(chuàng)新性地采用導(dǎo)電聚合物的分子設(shè)計(jì)新策略研發(fā)出本征可拉伸電極材料，在加工到2微米尺度下仍能保持可拉伸性和高導(dǎo)電性的特征，實(shí)現(xiàn)了可拉伸有機(jī)電子器件領(lǐng)域的重大突破。

01.

這一研究成果3月25日在線發(fā)表于Science期刊（影響因子47.728），實(shí)現(xiàn)了中國神經(jīng)外科領(lǐng)域以第一或通訊（含共同）作者在Science頂刊上發(fā)表論文零的突破。

要知道，腦機(jī)接口的研究進(jìn)展中，腦信息傳感方式一直是一個難題。可以說，業(yè)界針對腦機(jī)接口的研究中，數(shù)據(jù)源的獲取載體----侵入式/非侵入式腦機(jī)接口材料研發(fā)為關(guān)鍵一步，涉及到的數(shù)據(jù)采集精度、頻率、完整性等直接影響下一步的分析應(yīng)用。其中采用侵入式傳感信息采集技術(shù)，獲得的數(shù)據(jù)精度最高，可長期且穩(wěn)定的記錄高空間分辨率的皮質(zhì)內(nèi)神經(jīng)信號，最有利于研究的開展。然而實(shí)際研究中，用于侵入式采集信息的無線電極材料要求十分高，要求兼具高機(jī)械強(qiáng)度與高導(dǎo)電率，導(dǎo)致傳感材料的選取既重要又艱難。

該成果在侵入式采集信息領(lǐng)域，提出的柔性可拉伸高密度微陣列電極可緊密貼合在腦干等不規(guī)則區(qū)域。根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該材料可實(shí)時且高精度地可視化腦內(nèi)術(shù)腔神經(jīng)傳導(dǎo)束或腦干等重要部位的神經(jīng)核團(tuán)。

圖1：本征可伸展拓?fù)涑肿?a href="http://ttokpm.com/v/tag/1722/" target="_blank">網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖2：拓?fù)涑肿泳W(wǎng)絡(luò)允許大面積、高密度可拉伸電極陣列的直接光圖案化

這種材料，可以使侵入式傳感設(shè)備與人體組織的契合更加精密。想想，該材料可以支持在腦干、手腕、手指、手背中做相關(guān)植入，且柔性、可拉伸、高導(dǎo)電和高密度的特性，使腦干或神經(jīng)外科術(shù)腔等多種不規(guī)則場景更加適用，纖薄的電極也不容易損傷，未來，高精度的信號采集可以使神經(jīng)系統(tǒng)的算法控制更加精準(zhǔn)，這將是腦機(jī)接口技術(shù)的重要進(jìn)步！

是的，你沒看錯：伴隨著傳感材料的突破，加之以人工智能算法，未來幾年內(nèi)，腦機(jī)接口將會帶來一場醫(yī)學(xué)革命，將人工智能與機(jī)器智能的融合推向更頂峰，在康復(fù)、特種等領(lǐng)域前景廣闊，對現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展意義重大。

02.

腦機(jī)接口，一個十分前沿的醫(yī)工融合研究領(lǐng)域，是通過分析人( 或動物) 的腦電信號而建立起來的交互系統(tǒng)。它突破傳統(tǒng)的神經(jīng)反射弧結(jié)構(gòu)限制，通過使大腦神經(jīng)信號直接與計(jì)算機(jī)進(jìn)行有線或無線通信，達(dá)到與外部電子應(yīng)用設(shè)備直接進(jìn)行控制和交流。可以說，通過融合神經(jīng)科學(xué)與工程技術(shù)，腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器互聯(lián)互通，將真正助力人類達(dá)到終極夢想“心想事成”。

腦機(jī)接口系統(tǒng)的構(gòu)成和其他通信控制系統(tǒng)并無本質(zhì)區(qū)別，都由信號采集部分，信息處理部分和輸出應(yīng)用設(shè)備三大部分組成。

腦控系統(tǒng)示意圖

第一步，信號采集：高靈敏度、高信噪比、高密度的信號傳感是實(shí)現(xiàn)高通量腦-機(jī)信息交換的前提，也是準(zhǔn)確解碼腦電信號的基礎(chǔ)。采集方法屬于侵入式和非侵入式兩種。可以講，傳感信號采集設(shè)備的位置決定了檢測到的信號的不同尺度。侵入式可長期且穩(wěn)定的采集記錄高空間分辨率的皮質(zhì)內(nèi)神經(jīng)信號。非侵入式具有安全無創(chuàng)，低成本優(yōu)勢，可監(jiān)測大規(guī)模神經(jīng)活動。

==>1 非侵入式傳感信號采集

目前主流的BCI系統(tǒng)都選擇腦電信號（EEG）作為原始輸入，這是由于EEG相較于其他伴隨腦神經(jīng)元活動產(chǎn)生，并且經(jīng)過采集識別可轉(zhuǎn)化為控制信號的信號而言，具有信息量大時間分辨率高，設(shè)備便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)。研究中通常使用無損方式進(jìn)行腦電信號的采集，采集時被試者要帶一個電極帽，也就是非侵入式的傳感信息采集法。

當(dāng)然這種導(dǎo)聯(lián)電極帽攜帶不方便，移動性差，因此可穿戴的無線電極橫空出世。目前可穿戴EGG傳感器獲得了FDA的批準(zhǔn)，用于癲癇發(fā)作的診斷治療和管理，一些輔助器具的制作也可以幫助截癱患者進(jìn)行對外骨骼、輪椅等進(jìn)行控制?？梢哉f，已經(jīng)相對成熟，造福人類！

科學(xué)家的目標(biāo)是：在未來非侵入式傳感器可以更加地便攜、精準(zhǔn)，能更快捷更完整地采集信號，方便在各類應(yīng)用場景的使用，讓診斷更為精確。

==>2 侵入式傳感信號采集

顧名思義，侵入式即需要將頭顱打開，嵌入相關(guān)傳感設(shè)備，對材料和手術(shù)的要求更加高。侵入式傳感電極中的Utah電極，由美國猶他大學(xué)開發(fā)，可以通過立體硅加工工藝制作，實(shí)現(xiàn)百通道大腦電信號同步記錄。另外Neuralink公司開發(fā)，通過高分子工藝制作柔性電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)1024通道大腦電信號同步記錄。本文開篇提及的創(chuàng)新科研成果，就是該場景下的一種新型的材料！

在侵入式傳感信號領(lǐng)域，馬斯克的Neuralink公司早在2020年8月推出高通量植入式電極芯片LINKV0.9，并成功將其植入豬腦，可通過檢測到的豬大腦的信號準(zhǔn)確預(yù)測其關(guān)節(jié)活動。2021年4月，該公司成功讓猴子通過意念玩游戲。

不光在動物身上取得突破，在人類身上的侵入式腦機(jī)接口研究也有重大進(jìn)展和應(yīng)用。布朗大學(xué)的研究者利用開發(fā)出的BrainGate神經(jīng)接口使四肢癱瘓的患者第一次在沒有護(hù)理人員的情況下喝到咖啡，法國的一名癱瘓男子通過康復(fù)游戲訓(xùn)練控制虛擬角色，實(shí)現(xiàn)了穿上外骨骼裝備行走。這樣的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)屢見不鮮。

侵入式和非侵入式兩種技術(shù)路徑在一定時期內(nèi)仍將并存和相互結(jié)合。目前來看，兩種技術(shù)路徑均適用不同場景，各有所長，也存在不同的難題，短期內(nèi)無法彼此取代對方，在某種情形下甚至二者需要結(jié)合發(fā)揮更大效果。

第二步，信息處理：把獲取的信號進(jìn)行特征提取以及解碼分析，以達(dá)到下一步應(yīng)用目的。

可以理解，通過第一步采集到的腦信號中通常包含有多種噪聲，例如與要求的用戶心理活動無關(guān)的神經(jīng)信號、工頻干擾、眼電和肌電偽跡等，這在一定程度上降低了信號的質(zhì)量，為此需要對腦信號進(jìn)行預(yù)處理以剔除噪聲，提高信噪比！

不同的腦信號有不同的預(yù)處理方法，這些信號處理的方法可極大參考常規(guī)信號除燥、提特征的方法。目前主要有時域?yàn)V波和空域?yàn)V波，在一定程度上可以去除信號的噪聲，從而提高信噪比或改善空間分辨率。對于空間分辨率，也可以采用溯源分析方法來改善。在特征提取的環(huán)節(jié)，圍繞數(shù)字化的信號，業(yè)界通過FFT、小波變換提取相關(guān)特征量（如幅值、自回歸模型的系數(shù)等），再通過SVM等分類器對特征向量進(jìn)行分類。

想象右手運(yùn)動腦電信號小波四層分解

第三步，輸出應(yīng)用：該過程把上一步采集分析的信號轉(zhuǎn)化為控制指令，連接到應(yīng)用終端，達(dá)到控制終端、打字表意等一定的應(yīng)用效果。

根據(jù)具體的通信或控制應(yīng)用要求，控制接口把上述解碼的用戶意圖所表征的邏輯控制信號轉(zhuǎn)換為語義控制信號，并由語義控制信號轉(zhuǎn)化為物理控制信號。與腦機(jī)接口通信或可控制的外部設(shè)備可以是多種多樣的，視具體的應(yīng)用而不同，可以是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（操作其字符輸入/光標(biāo)移動等），也可以是機(jī)器系統(tǒng)（如康復(fù)機(jī)器人、神經(jīng)假肢和輪椅等）。

中科院常州先進(jìn)制造技術(shù)研究所 (左) 和深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 (右) 研發(fā)的外骨骼系統(tǒng)

早在2017年，BrainGate公司就利用腦機(jī)接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)了字符輸入、控制自己的軀干和手吃飯。最新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是去年，斯坦福大學(xué)、霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所（HHMI）、布朗大學(xué)等機(jī)構(gòu)的科研人員聯(lián)合研究，首次從腦電信號中解碼手寫字母的動作，使癱瘓人士一年中的寫字動作可以實(shí)時轉(zhuǎn)換成屏幕上的文字。斯坦福大學(xué)的研究者將人工智能與“腦機(jī)接口”的設(shè)備相結(jié)合，成功開發(fā)出一套全新的皮質(zhì)內(nèi)腦機(jī)接口系統(tǒng)。該項(xiàng)研究結(jié)果顯示意念寫字速度破紀(jì)錄，寫字速度能達(dá)到每分鐘90個字符，原始準(zhǔn)確率為94.1%！

目前，中國殘疾人總數(shù)約為8502萬人（2010年末數(shù)據(jù)），其中肢體殘疾2472萬人，約占比 29%，是6種殘疾類別人數(shù)最多的群體，因此關(guān)于肢體殘疾的治療康復(fù)就顯得尤其重要。導(dǎo)致肢體運(yùn)動障礙的疾病很多，腦出血、腦外傷、腦卒中等疾病都可導(dǎo)致患側(cè)腦區(qū)對應(yīng)的肢體控制出現(xiàn)障礙?？梢?，一旦相關(guān)應(yīng)用得到了產(chǎn)業(yè)化，這個市場空間是巨大的！

今后，隨著人類的老齡化加重，失去活性的細(xì)胞、組織和肌肉群將不斷退化，利用腦機(jī)接口可以控制輔具，達(dá)到強(qiáng)化眼睛看的能力、替代手的抓握能力、控制行走等多種功能！

也就是說，在未來的幾十年時間里，即便人類碰上天災(zāi)人禍，也可以極大地提高生活質(zhì)量！

此外，在特種領(lǐng)域，曾有法國研究人員利用腦電信號評估航空學(xué)院12名專業(yè)空中交通管制人員在模擬空中交通管理情境時的大腦負(fù)荷狀態(tài)，結(jié)果表明，神經(jīng)生理學(xué)的結(jié)果和操作者的主觀負(fù)荷評估之間存在非常顯著的相關(guān)性！現(xiàn)在單兵作戰(zhàn)領(lǐng)域也開展了極多的廣泛研究！

你還別真以為這是天方夜譚，目前這一切，都已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室里，緊鑼密鼓地研發(fā)著，也在醫(yī)療等相關(guān)領(lǐng)域商用著，離普遍應(yīng)用的時間不會太遙遠(yuǎn).

03.

由于腦科學(xué)具有重要的科研價值和戰(zhàn)略意義，近年來多國相繼提出基于腦科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和信息科學(xué)相結(jié)合的人類腦計(jì)劃。美國、歐盟、日本、韓國等國家紛紛加大戰(zhàn)略布局！我國也高度重視腦機(jī)智能關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化！

中國腦計(jì)劃框架圖

阿里巴巴達(dá)摩院發(fā)布《2021十大科技趨勢》，認(rèn)為腦機(jī)接口極具研究價值，可幫助人類超越生物學(xué)極限。腦機(jī)接口初創(chuàng)公司NeuraLink在2019年和 2020年分別對外公開了腦機(jī)接口重要研究成果，引發(fā)了全球廣泛關(guān)注，熱搜指數(shù)短時間內(nèi)激增。我國對腦機(jī)接口的關(guān)注度也日益提升，在百度搜索引擎中，以腦機(jī)接口做關(guān)鍵詞的日均搜索熱度從2011年的個位數(shù)增長到 2021年的日均400次。

腦機(jī)接口是一個跨學(xué)科交叉研究領(lǐng)域，其中，與生命科學(xué)相關(guān)的學(xué)科領(lǐng)域包括基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)和心理學(xué)等；與醫(yī)學(xué)科學(xué)相關(guān)的學(xué)科領(lǐng)域包括神經(jīng)系統(tǒng)、影像醫(yī)學(xué)（包括腦成像）、生物醫(yī)學(xué)工程、神經(jīng)工程和康復(fù)醫(yī)學(xué)等；與信息科學(xué)相關(guān)的學(xué)科領(lǐng)域包括計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、自動化與機(jī)器人技術(shù)、人工智能（AI）技術(shù)和半導(dǎo)體集成電路技術(shù)等；與材料科學(xué)相關(guān)的學(xué)科領(lǐng)域等。據(jù)中國信通院初步統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前相關(guān)的專利布局已包括電極材料、硬件采集信號設(shè)施、算法、外控輔具設(shè)備等多種領(lǐng)域！

腦機(jī)接口技術(shù)相關(guān)專利布局

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、數(shù)學(xué)、康復(fù)醫(yī)學(xué)等相關(guān)學(xué)科的不斷探索與交叉融合，加上廣大的市場需求，腦機(jī)接口技術(shù)正從基礎(chǔ)科研走向市場。在醫(yī)療、教育和消費(fèi)品等市場，都將帶來遠(yuǎn)超十億美元的空間！

馬斯克認(rèn)為：未來一定會誕生一種超級人類，即“ 人機(jī)合一”。寫到這里，不知道為什么，我想起了科幻片《源代碼》《黑客帝國》的一些場景，在不遠(yuǎn)的將來，我們或?qū)⒂瓉磉@些科幻現(xiàn)實(shí)應(yīng)用！

審核編輯 ：李倩