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·2022年“上?？萍记嗄?5人引領(lǐng)計(jì)劃”入選者、復(fù)旦大學(xué)光電研究院青年研究員宋恩名說(shuō)，侵入式腦機(jī)接口是未來(lái)趨勢(shì)，植入式器件可以直接得到最原始、最清晰的腦電信號(hào)。當(dāng)然，腦機(jī)接口更大的挑戰(zhàn)在于安全性、穩(wěn)定性和可拉伸性。

復(fù)旦大學(xué)34歲研究員宋恩名創(chuàng)新腦機(jī)接口植入式器件，打開(kāi)神經(jīng)功能疾病診療新空間。澎湃新聞視頻記者：趙子易、吳星宇(01:51)

2021年12月，澳大利亞62歲的肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS，即漸凍癥）患者菲利普·奧基夫用“意念”在社交媒體上發(fā)布了一條簡(jiǎn)短的消息：“你好，世界（Hello World）”。
植入奧基夫大腦的是腦機(jī)接口公司Synchron的設(shè)備，它以無(wú)線方式讀取腦電波，轉(zhuǎn)換為文字。治療疾病、心靈感應(yīng)、意念操控，腦機(jī)接口的想象空間正變得越來(lái)越大。
入選2022年“上海科技青年35人引領(lǐng)計(jì)劃”的復(fù)旦大學(xué)光電研究院青年研究員宋恩名今年34歲，從事的正是腦機(jī)接口工作。他的研究面向腦機(jī)接口應(yīng)用的柔性電子系統(tǒng)，是最直接和腦組織相接觸的領(lǐng)域。
近日在接受澎湃新聞（www.thepaper.cn）專(zhuān)訪時(shí)，宋恩名講述了腦機(jī)接口的過(guò)去與未來(lái)、對(duì)治療信號(hào)失調(diào)的腦疾病病癥的價(jià)值、植入式柔性電子的創(chuàng)新研究，以及國(guó)內(nèi)腦機(jī)接口的發(fā)展土壤。
他表示，侵入式腦機(jī)接口是未來(lái)趨勢(shì)，植入式器件可以直接得到最原始、最清晰的腦電信號(hào)。當(dāng)然，腦機(jī)接口更大的挑戰(zhàn)在于安全性、穩(wěn)定性和可拉伸性。大腦是人體的核心器官，漏電流等對(duì)人體尤其是大腦內(nèi)部的傷害較大；除此之外，穩(wěn)定且長(zhǎng)期的信號(hào)采集和可隨器官同步運(yùn)動(dòng)的拉伸不滑移能力也是對(duì)于腦機(jī)接口器件的追求。植入式器件只有保證安全性、穩(wěn)定性和可拉伸性，腦機(jī)接口技術(shù)未來(lái)才會(huì)飛速發(fā)展。宋恩名表示，腦機(jī)接口現(xiàn)階段主要應(yīng)用是治療信號(hào)失調(diào)的腦疾病病癥，比如癲癇病、帕金森癥；在不久的將來(lái)，未來(lái)腦機(jī)接口或許可以實(shí)現(xiàn)大腦意識(shí)傳感，比如操縱無(wú)人駕駛等。
腦機(jī)接口的兩種模式
腦機(jī)接口是大腦和外部設(shè)備之間的信息通路，是大腦和外部設(shè)備間搭建的橋梁。它繞開(kāi)外周神經(jīng)，在大腦與外部設(shè)備間建立直接連接以進(jìn)行信息交換。
上世紀(jì)70年代，美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的雅克·維達(dá)爾（Jacques Vidal）教授首次在科學(xué)文獻(xiàn)中提出“腦機(jī)接口”這一專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)，并提出了一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：能否將可觀測(cè)的腦電信號(hào)用作人機(jī)通信中的信息載體，或是控制假肢、宇宙飛船之類(lèi)的外部設(shè)備。1977年，他通過(guò)提取視覺(jué)誘發(fā)電位，完成了以腦電控制屏幕上光標(biāo)樣物體，這是腦機(jī)接口最早的實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)形式。進(jìn)入21世紀(jì)，腦機(jī)接口研究規(guī)模日益擴(kuò)大。尤其是2019年以來(lái)，馬斯克的腦機(jī)接口公司Neuralink屢次掀起輿論熱潮，腦機(jī)接口被大眾熟知。
腦機(jī)接口主要有侵入式和非侵入式，侵入式采用神經(jīng)外科手術(shù)方法將采集電極植入大腦皮層、硬腦膜外或硬腦膜下。非侵入式腦機(jī)接口是通過(guò)附著在頭皮上的穿戴設(shè)備測(cè)量大腦電活動(dòng)，它朝著小型便攜、可穿戴等方向發(fā)展。
宋恩名認(rèn)為，侵入式腦機(jī)接口是未來(lái)趨勢(shì)。“人腦的顱骨實(shí)際上是一個(gè)非常好的屏蔽箱，它把很多有用的信號(hào)屏蔽掉，如果我們只是用可穿戴的頭盔，信號(hào)的質(zhì)量也就是信噪比會(huì)比較低，要外接放大器，進(jìn)一步改良信號(hào)，這會(huì)限制腦機(jī)接口的應(yīng)用?！?br/>這也是大力發(fā)展腦機(jī)接口植入式器件的原因，植入式器件可以直接得到最原始、最清晰的腦電信號(hào)，“我們希望通過(guò)微創(chuàng)或開(kāi)顱手術(shù)，把我們的器件植入進(jìn)去?！?img src="http://img.ccschy.com/d/file/p/2022/09/21/20/wluqcbg1g1l.jpg"/>

復(fù)旦大學(xué)光電研究院青年研究員宋恩名

當(dāng)然，腦機(jī)接口更大的挑戰(zhàn)在于器件的安全性、穩(wěn)定性和可拉伸性。宋恩名表示，皮膚可穿戴電子器件的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用已非常普遍，但植入式器件和貼膚式器件的安全考量不同，大腦是人體的核心器官，漏電流等對(duì)人體尤其是大腦內(nèi)部的傷害較大。除此之外，制備出不易滑移且可與大腦緊密貼合并隨之同步運(yùn)動(dòng)的柔性器件也是重中之重。植入式器件只有攻克上述挑戰(zhàn)，腦機(jī)接口技術(shù)未來(lái)才會(huì)飛速發(fā)展。
腦機(jī)接口的未來(lái)想象空間
腦機(jī)接口的原理基礎(chǔ)是神經(jīng)科學(xué)。大腦中樞神經(jīng)元膜電位的變化會(huì)產(chǎn)生峰電位或動(dòng)作電位，神經(jīng)細(xì)胞突觸間的化學(xué)物質(zhì)傳遞也會(huì)使突觸后膜產(chǎn)生電信號(hào)變化，腦機(jī)接口技術(shù)正是通過(guò)采集這些不同位置的腦功能區(qū)與不同深度的電信號(hào)，通過(guò)預(yù)處理、特征提取和模式識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)大腦活動(dòng)狀態(tài)或意圖的解碼，并可以把大腦活動(dòng)狀態(tài)、解碼結(jié)果、與外界通信或控制結(jié)果反饋給用戶，進(jìn)而調(diào)節(jié)其大腦活動(dòng)以獲得更好的性能。
宋恩名表示，腦機(jī)接口對(duì)治療信號(hào)失調(diào)的腦疾病病癥有參考應(yīng)用價(jià)值，比如癲癇病、帕金森癥。腦電信號(hào)的采集對(duì)應(yīng)的是診斷，癲癇發(fā)病急促，未來(lái)通過(guò)腦機(jī)接口提取腦電信號(hào)，可以全天候或長(zhǎng)時(shí)間診斷癲癇患者。“我們捕捉到一個(gè)信號(hào)，就可以提出一個(gè)提示，再進(jìn)行外部治療?！?br/>除了診斷，還有反饋。比如抑郁癥患者存在腦電活動(dòng)的異常區(qū)域，“如果我們外部直接給它一個(gè)興奮性的電流，或者反向輸出給大腦一個(gè)信號(hào)，改變神經(jīng)活動(dòng)，就可以幫助患者治療抑郁癥?！?br/>例如浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院研發(fā)了閉環(huán)神經(jīng)刺激器，應(yīng)對(duì)癲癇病癥。植入這種腦機(jī)接口裝置可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者大腦活動(dòng)情況，并自動(dòng)識(shí)別癲癇等疾病的特征性腦電譜，在疾病發(fā)作前或剛一發(fā)生即產(chǎn)生“報(bào)警”，同時(shí)自動(dòng)激活脈沖發(fā)生器給予精準(zhǔn)電刺激，對(duì)癲癇等疾病的異常腦電產(chǎn)生抑制效果。
除此之外，國(guó)外已有研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)“意念書(shū)寫(xiě)”腦機(jī)接口，可實(shí)現(xiàn)讓受試者將腦中想象的“筆跡”轉(zhuǎn)為屏幕文本，準(zhǔn)確率超99%，受試者可達(dá)到每分鐘輸入90個(gè)字符的速度。
腦機(jī)接口未來(lái)還有哪些想象空間？宋恩名大膽預(yù)測(cè)，未來(lái)腦機(jī)接口或許可以實(shí)現(xiàn)人與人之間的心靈感應(yīng)，人腦意識(shí)甚至可以操縱無(wú)人駕駛等。
植入式柔性電子的原創(chuàng)性研究
宋恩名所從事的領(lǐng)域涉及腦電信號(hào)采集，研究面向腦機(jī)接口應(yīng)用的柔性電子系統(tǒng)，是最直接和腦組織相接觸的領(lǐng)域，其主要工作是圍繞半導(dǎo)體納米薄膜器件的全腦尺寸腦電電極陣列展開(kāi)。
近年來(lái)，植入式新器件的研究突破促使神經(jīng)科學(xué)工程快速發(fā)展。宋恩名表示，植入式柔性電子系統(tǒng)的創(chuàng)新對(duì)于現(xiàn)有的腦機(jī)接口技術(shù)革新至關(guān)重要。
傳統(tǒng)腦機(jī)接口技術(shù)通常依賴(lài)較厚的剛性植入式腦電電極，比如上世紀(jì)90年代美國(guó)猶他大學(xué)研發(fā)的植入式腦探針，基底上排列著100根信號(hào)探針，該系統(tǒng)力學(xué)性能上與柔軟腦組織相互不能匹配，更為重要的是它不具備腦電信號(hào)放大功能。
基于這些技術(shù)局限，宋恩名團(tuán)隊(duì)在面向腦機(jī)接口應(yīng)用的植入式柔性電子研究做出了一系列原創(chuàng)性工作。首先，針對(duì)目前的腦機(jī)接口技術(shù)剛性結(jié)構(gòu)與信號(hào)采集面積、分辨率不足的局限，宋恩名團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新了基于半導(dǎo)體薄膜的電極陣列的柔性轉(zhuǎn)移技術(shù)，建立了基于數(shù)以萬(wàn)計(jì)遍布全腦維度的皮層腦電前放電極陣列。
針對(duì)植入式柔性電子因封裝問(wèn)題而在腦內(nèi)工作不穩(wěn)定的封裝難點(diǎn)，他們開(kāi)發(fā)了以熱氧化二氧化硅的納米材料層為封裝層的技術(shù)，獲得了封裝性能穩(wěn)定、可長(zhǎng)達(dá)數(shù)年實(shí)現(xiàn)皮層腦電采集的植入器件。針對(duì)傳統(tǒng)金屬電極在功能性與穩(wěn)定性方面長(zhǎng)期存在的問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)提出了具有生物兼容性的重?fù)焦璞∧り嚵须姌O的腦電信號(hào)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)穩(wěn)定采集，可信號(hào)調(diào)控，進(jìn)行腦部電信號(hào)刺激。
“Neuralink使用無(wú)源的金屬電極，換句話說(shuō)，它直接用導(dǎo)體接觸腦組織，這也是目前國(guó)內(nèi)外大部分課題研究組在從事的。”而宋恩名的研究成果用到了大量半導(dǎo)體技術(shù)，他表示，這一系列成果已證實(shí)，他們制備的系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)物腦電信號(hào)乃至數(shù)年，相關(guān)成果對(duì)診斷治療神經(jīng)功能疾病有重要參考意義。
導(dǎo)體的功能主要是直接記錄腦電信號(hào)活動(dòng)，但半導(dǎo)體的集成電路具備放大器功能，可提純和放大信號(hào)，拉大信噪比，這也是半導(dǎo)體在腦機(jī)接口領(lǐng)域具備的最顯著優(yōu)勢(shì)。此外，Neuralink設(shè)備連接豬腦的1024個(gè)電極仍然是一對(duì)一連接，“因?yàn)閷?dǎo)體的連接方式就是一個(gè)電極對(duì)應(yīng)一條引線，1024個(gè)電極就需要1024條引線。如果使用CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）集成技術(shù)，可以采用陣列模式，多路復(fù)用的傳感模式可以大量節(jié)省引線?！?br/>宋恩名介紹，1000個(gè)電極采用CMOS技術(shù)只需要92條引線就可以做到點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的操作。植入式器件存在一定的感染或排異反應(yīng)，而共用引線的優(yōu)勢(shì)是，當(dāng)引線數(shù)量減少，植入設(shè)備的安全性增強(qiáng)。當(dāng)然也存在缺點(diǎn)，如果一條引線失效，會(huì)導(dǎo)致一排或一列電極同時(shí)失效。導(dǎo)體與半導(dǎo)體材料在腦機(jī)接口中的應(yīng)用各有利弊，如果兩者共同進(jìn)步，取其精華是未來(lái)趨勢(shì)所在。
看好國(guó)內(nèi)腦機(jī)接口的發(fā)展土壤
宋恩名真正進(jìn)入腦機(jī)接口領(lǐng)域是博士后階段。本科和博士階段從事半導(dǎo)體材料研究，這為他研發(fā)半導(dǎo)體集成的腦機(jī)接口技術(shù)打下基礎(chǔ)。
他出生在別人口中的“書(shū)香門(mén)第”之家，父母分別是復(fù)旦大學(xué)和上海海洋大學(xué)的教授。孩童時(shí)期家教嚴(yán)格，但也在潛移默化中影響了他的學(xué)習(xí)習(xí)慣和思考辯證模式，最終走上了科研之路。
從小學(xué)習(xí)成績(jī)名列前茅，從復(fù)旦二附中的初中考入上海本地名?！皬?fù)旦附中”。高考結(jié)束后，他報(bào)考了復(fù)旦大學(xué)材料物理專(zhuān)業(yè)，本科、博士都在復(fù)旦大學(xué)度過(guò)。材料組成器件，器件構(gòu)成集成系統(tǒng)，集成系統(tǒng)最終面向應(yīng)用，這條邏輯鏈也往前推動(dòng)著宋恩名的求學(xué)之路。
博士期間，宋恩名被美國(guó)四院院士John A. Rogers教授看中，獲得了聯(lián)合培養(yǎng)博士生機(jī)會(huì)，2015年出國(guó)留學(xué)，在美國(guó)伊利諾伊大學(xué)厄班納-香檳分校（UIUC）攻讀博士。兩年后，跟著導(dǎo)師轉(zhuǎn)到美國(guó)西北大學(xué)工作開(kāi)啟了腦機(jī)接口應(yīng)用的博士后研究。
每天早上6時(shí)出門(mén)，晚上11時(shí)回家，這樣的日子幾乎持續(xù)在美國(guó)留學(xué)的五年。對(duì)于他的兩個(gè)孩子而言，宋恩名是個(gè)“消失的爸爸”?！艾F(xiàn)在想起來(lái)覺(jué)得很苦，但是說(shuō)出來(lái)大家可能不信，我自己在那段時(shí)間里卻并不覺(jué)得，是一種 ‘忘我’的狀態(tài)，甚至我承認(rèn)，樂(lè)在其中。”
實(shí)驗(yàn)室儀器難約，他只約上了感恩節(jié)早上5時(shí)30分。起了個(gè)大早趕去UIUC實(shí)驗(yàn)室，早上5時(shí)路過(guò)John A. Rogers的辦公室，他的導(dǎo)師早已坐在里面，桌上的咖啡已經(jīng)涼了。那一幕震撼了宋恩名，也影響了他做研究和生活的習(xí)慣。
在美國(guó)留學(xué)的五年里，宋恩名在面向腦機(jī)接口應(yīng)用的柔性電子系統(tǒng)研究上取得進(jìn)展，尤其是在動(dòng)物皮層腦電傳感領(lǐng)域博士后出站后，宋恩名和家人回國(guó)，他加入母校復(fù)旦大學(xué)光電研究院，組建實(shí)驗(yàn)室，與國(guó)內(nèi)外知名學(xué)者和課題組建立合作關(guān)系。
“我很看好國(guó)內(nèi)腦機(jī)接口的發(fā)展土壤，尤其是國(guó)內(nèi)對(duì)年輕人的培植力度非常大，像上?？萍记嗄?5人引領(lǐng)計(jì)劃，都是國(guó)家對(duì)青年科學(xué)家、青年人才的扶持。”宋恩名說(shuō)。
在他看來(lái)，腦機(jī)接口這一前沿領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外差距不大，“國(guó)內(nèi)的類(lèi)腦計(jì)算，尤其是大數(shù)據(jù)庫(kù)在國(guó)際上已經(jīng)取得非常前沿的位置，包括我從事的腦機(jī)接口硬件制造，我也相信國(guó)內(nèi)的環(huán)境會(huì)給我很大的支持，事實(shí)證明也是如此?！背酥踩胧狡骷X機(jī)接口研究還需要芯片集成、編碼解讀、類(lèi)腦計(jì)算大數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、大量神經(jīng)外科醫(yī)生的輔助。宋恩名表示，腦機(jī)接口研究就像一個(gè)大熔爐，醫(yī)工交叉是大趨勢(shì)。國(guó)家也在鼓勵(lì)交叉學(xué)科，國(guó)內(nèi)醫(yī)工交叉項(xiàng)目越來(lái)越多，而創(chuàng)新正是需要不同領(lǐng)域的思想火花碰撞，這也是他選擇回到母校的原因之一。未來(lái)國(guó)際學(xué)術(shù)的整體發(fā)展趨勢(shì)是交叉學(xué)科共同進(jìn)步?！澳X機(jī)接口的發(fā)展需要大家的合力，我希望看到眾人拾柴火焰高的最終景象，我們也在和一些醫(yī)院合作，神經(jīng)外科的專(zhuān)家可以把我們做的東西應(yīng)用起來(lái)?！?br/>（編者注：本文系澎湃科技與上?？萍悸?lián)合推出的“正自廣闊：上?？萍记嗄?5人引領(lǐng)計(jì)劃追光報(bào)道”系列之一。敬請(qǐng)垂注更多后續(xù)報(bào)道。）

海報(bào)設(shè)計(jì)：澎湃新聞 祝碧晨