作為腦機(jī)接口關(guān)鍵器件,植入電極決定著腦電信號(hào)采集的數(shù)量和質(zhì)量,是保障腦機(jī)接口綜合性能的前提。

近日,由信通院發(fā)布的《腦機(jī)接口總體愿景與關(guān)鍵技術(shù)研究報(bào)告》中指出,植入到大腦中的微電極可以提高空間分辨率和時(shí)間分辨率的方式,精確記錄電極附近單個(gè)神經(jīng)元的動(dòng)作電位,從而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大腦活動(dòng)。

隨著微納加工技術(shù)和電極材料不斷發(fā)展,微電極趨向于柔性、小型化、高通量和集成化發(fā)展,形成了以微絲電極、硅基電極和柔性電極為主的多元化發(fā)展局面。報(bào)告明確表示高性能柔性電極因其具有高生物相容性,有利于緩解免疫反應(yīng),提高信號(hào)質(zhì)量,對(duì)實(shí)現(xiàn)大腦活動(dòng)長(zhǎng)期穩(wěn)定的慢性記錄具有重要意義。

高通量、低創(chuàng)傷、長(zhǎng)期在體是侵入式腦機(jī)接口電極需要突破的三大技術(shù)

對(duì)比傳統(tǒng)的剛性電極,柔性電極在腦機(jī)接口電極中技術(shù)創(chuàng)新,更是業(yè)內(nèi)對(duì)未來電極形態(tài)的研判關(guān)鍵點(diǎn),腦虎科技作為目前國(guó)內(nèi)腦科學(xué)代表企業(yè),是一家聚焦高密度柔性腦電極的研發(fā)商,針對(duì)腦科學(xué)研究和腦疾病診斷的重大需求,開發(fā)相關(guān)腦機(jī)接口關(guān)鍵器件、電路、算法及集成微系統(tǒng)。

在今年9月的世界人工智能大會(huì)現(xiàn)場(chǎng),腦虎科技陸續(xù)發(fā)布了最新的技術(shù)成果,并公開表示,目前公司的研發(fā)主要攻克三個(gè)領(lǐng)域,一是大規(guī)模集成電路制造技術(shù);二是通過蠶絲蛋白生物材料,調(diào)控力學(xué)性能,讓其自溶解,避開在腦上開大孔;三是往超薄材料發(fā)展,從毫米級(jí)向微米級(jí)發(fā)展,比傳統(tǒng)的醫(yī)療器械薄一千倍,讓電極在體內(nèi)的占比和造成的創(chuàng)傷盡可能小。

由于傳統(tǒng)剛性電極在植入過程中容易造成腦損傷,不易黏附細(xì)胞等人體結(jié)構(gòu),又因電極材料本身的化學(xué)惰性容易發(fā)生慢性免疫反應(yīng),導(dǎo)致的瘢痕組織和膠質(zhì)增生包裹在電極表面,從而影響導(dǎo)電性能。實(shí)驗(yàn)證明,傳統(tǒng)電極材料在大腦微環(huán)境下,容易發(fā)生腐蝕,不僅會(huì)影響電極壽命,甚至?xí)尫庞卸窘饘匐x子。

電極本身的作用是與電解質(zhì)溶液進(jìn)行電子交換,是電池的重要組成部分。隨著全球電子產(chǎn)業(yè)技術(shù)不斷進(jìn)步,柔性屏移動(dòng)終端、可穿戴智能設(shè)備、可植入電子醫(yī)療器械、軟體機(jī)器人等柔性電子產(chǎn)品種類不斷增多,應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬,帶動(dòng)市場(chǎng)對(duì)柔性電極的需求不斷上升。與普通電極相比,柔性電極需要具備高貼合性、可卷繞性、體積小、比容量高、循環(huán)壽命長(zhǎng)等特性,技術(shù)壁壘高。因此,納米材料、碳基材料、天然高分子等柔性物質(zhì)因其多方面的優(yōu)勢(shì)成為電極的最佳候選材料。

腦虎科技柔性電極:最大限度地利用大腦,同時(shí)最低限度地?fù)p傷大腦

通過使用柔性電極技術(shù),不僅能讓神外手術(shù)的操作更加精準(zhǔn)精確,還能作為腦機(jī)接口的核心技術(shù)。腦虎科技CEO彭雷曾公開表示,“能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定、高通量記錄大腦神經(jīng)細(xì)胞電活動(dòng)的微電極陣列,是腦科學(xué)基礎(chǔ)研究和包括腦機(jī)接口在內(nèi)的臨床診療技術(shù)的重要工具。其中高通量、低創(chuàng)傷、長(zhǎng)期在體是腦虎BCI產(chǎn)品主打的三個(gè)亮點(diǎn)。”

目前腦虎科技的核心挑戰(zhàn)是怎樣最大限度地利用大腦,同時(shí)最低限度地?fù)p傷大腦。“越深入大腦,調(diào)節(jié)的信號(hào)越好,但是要做得更好,則需要做開顱手術(shù),損傷大,這是做開發(fā)和應(yīng)用時(shí)需要思考的問題。”腦虎科技首席科學(xué)家陶虎博士說。

當(dāng)談及柔性電極植入技術(shù)的細(xì)節(jié),陶虎表示,“目前團(tuán)隊(duì)是以光刻技術(shù)做腦機(jī)接口,這樣在很小的空間里可以集成很多的通道,在多腦區(qū)探索大腦。腦虎科技在做大腦的植入時(shí),在柔性電極外包一層蠶絲蛋白,把柔性電極的硬度控制在比較硬的血管和腦組織之間,碰到較硬組織滑過去,如果沒有碰到就滑入較軟的血管。Neuralink的開口超過2厘米,腦虎目前的開口小于0.5毫米,稍大于抽血針頭(0.4毫米),而且是盲插,可以做到遇到血管時(shí)不會(huì)插破,而是滑過。”

腦科學(xué)與人工智能的交叉融合發(fā)展為機(jī)器智能與人類智慧的融合提供了無限可能,腦機(jī)接口技術(shù)在醫(yī)療場(chǎng)景中的應(yīng)用始終需要科學(xué)家與企業(yè)家們的不斷創(chuàng)新。專注于腦機(jī)接口技術(shù)的美國(guó)神經(jīng)連接公司Neuralink,也在不久前舉辦了新技術(shù)展示發(fā)布會(huì),并稱計(jì)劃在6個(gè)月內(nèi)對(duì)公司研發(fā)的腦機(jī)芯片啟動(dòng)人體臨床試驗(yàn),若能獲得成功,也將是腦機(jī)接口行業(yè)的重大突破。

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