腦機(jī)接口電極植入有了“縫紉機(jī)”機(jī)器人

承載著治療多種神經(jīng)系統(tǒng)和腦部疾病希望的腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展日新月異。最近，在腦機(jī)接口電極植入領(lǐng)域，又傳來(lái)一個(gè)好消息。

筆者從中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所（以下簡(jiǎn)稱“自動(dòng)化所”）獲悉，該所腦圖譜與類腦智能實(shí)驗(yàn)室（以下簡(jiǎn)稱“腦與類腦實(shí)驗(yàn)室”）腦機(jī)接口與融合智能團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的柔性微電極植入機(jī)器人產(chǎn)品——CyberSense，已于日前通過(guò)深圳市“腦解析與腦模擬”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施預(yù)驗(yàn)收。

腦與類腦實(shí)驗(yàn)室主任、腦機(jī)接口與融合智能團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人余山對(duì)筆者表示，這款電極植入機(jī)器人產(chǎn)品可協(xié)助科學(xué)家將比頭發(fā)絲更細(xì)、更軟的柔性微電極植入實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的大腦皮層，為腦機(jī)接口與腦科學(xué)研究提供關(guān)鍵支撐。

“縫紉機(jī)”式植入

據(jù)介紹，CyberSense是“縫紉機(jī)”式柔性電極自動(dòng)植入機(jī)器人，具有多項(xiàng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，能靈活兼容不同規(guī)格的柔性微電極，可應(yīng)用于嚙齒類、非人靈長(zhǎng)類等動(dòng)物的大腦皮層植入。

何謂“縫紉機(jī)”式植入？由于植入過(guò)程是利用一根硬質(zhì)針不斷上下穿梭操作柔軟的微絲，類似于縫紉機(jī)的工作過(guò)程，所以國(guó)內(nèi)外學(xué)者稱其為“縫紉機(jī)”式植入。

CyberSense微電極植入機(jī)器人系統(tǒng)由智能感知系統(tǒng)、精密機(jī)械臂、信號(hào)處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。在感知系統(tǒng)的引導(dǎo)下，它能以微米級(jí)的三維操作精度，將多根直徑（厚度）≤10微米、寬度≤100微米的微絲狀電極植入大腦皮層內(nèi)，并靈活避讓腦血管。

植入后的柔性微電極可將大腦的神經(jīng)電信號(hào)傳導(dǎo)到微型芯片。微型芯片會(huì)對(duì)收集到的神經(jīng)信號(hào)進(jìn)行處理和通信，從中解析出大腦正在執(zhí)行的信息，并控制外部設(shè)備，也可以通過(guò)微電流刺激電極觸點(diǎn)附近的神經(jīng)細(xì)胞，對(duì)腦活動(dòng)進(jìn)行調(diào)控。

據(jù)該團(tuán)隊(duì)介紹，目前CyberSense已成功支持了中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所和深圳市微靈腦機(jī)智能融合科技有限公司等研制的多種規(guī)格的柔性微電極植入，服務(wù)于腦機(jī)接口和神經(jīng)電生理相關(guān)研究。

為何如此重要

隨著腦機(jī)接口特別是植入式腦機(jī)技術(shù)的發(fā)展，行業(yè)內(nèi)對(duì)電極植入設(shè)備的重視與日俱增。

電極植入機(jī)器人產(chǎn)品的研制難點(diǎn)是什么？它為何如此重要？

余山對(duì)筆者解釋說(shuō)，植入式腦機(jī)接口是一個(gè)高度交叉的領(lǐng)域，涉及電極、芯片、植入、通信、腦外科、人工智能、神經(jīng)解碼等多種關(guān)鍵技術(shù)，需要多學(xué)科協(xié)作創(chuàng)新和集成攻關(guān)。而隨著新材料和微納加工技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在的植入式電極越來(lái)越微小和柔軟，在大大降低植入創(chuàng)傷和排異反應(yīng)的同時(shí)，也帶來(lái)了植入難度越來(lái)越大、遠(yuǎn)超人手和肉眼能力極限的問(wèn)題。因此，高度自動(dòng)化的植入機(jī)器人已成為腦機(jī)接口領(lǐng)域的核心設(shè)備。

余山進(jìn)一步指出，植入式腦機(jī)接口可以給殘障人士帶來(lái)高性能的意念控制、語(yǔ)音合成、視覺(jué)重建等技術(shù)福利，也可以協(xié)助科學(xué)家利用高通量信號(hào)研究大腦的工作原理。但是，如何采集大量高質(zhì)量的神經(jīng)信號(hào)，并盡可能減少植入帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)，是植入式腦機(jī)接口技術(shù)面臨的核心問(wèn)題。

對(duì)此，深圳市“腦解析與腦模擬”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施用戶代表、中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院正高級(jí)工程師李驍健表示，在安全問(wèn)題上，植入式腦機(jī)接口已經(jīng)由硬質(zhì)電極時(shí)代進(jìn)入柔性電極時(shí)代。相比硬質(zhì)電極，柔性電極對(duì)腦皮層損傷更小、感染風(fēng)險(xiǎn)更低；在采集信號(hào)的質(zhì)與量方面，增加微電極數(shù)量是可行之道。

“只植入一根柔性微電極，僅能采集單點(diǎn)、少量的神經(jīng)信號(hào)，不足以支撐高性能腦機(jī)接口，而植入多根柔性微電極可以覆蓋更多神經(jīng)元，提高神經(jīng)信號(hào)的豐富性，但多電極植入的難度會(huì)大大增加。”李驍健說(shuō)。

難度彰顯技術(shù)深度

目前，柔性電極有多種不同類型，例如有貼在大腦皮層表面的薄膜電極、從靜脈血管介入的支架電極等，不同的柔性電極各有千秋。相比之下，微絲狀柔性電極在神經(jīng)信號(hào)采集中有更大優(yōu)勢(shì)：在植入大腦皮層內(nèi)部后，電極與神經(jīng)元直接接觸，能采集到高精度的神經(jīng)元脈沖。

據(jù)CyberSense項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、腦與類腦實(shí)驗(yàn)室副研究員秦方博介紹，柔性微電極的寬度與頭發(fā)絲直徑相仿，厚度僅為頭發(fā)絲直徑的約1/10，楊氏模量（衡量材料抵抗形變能力的物理量）非常低，這些特點(diǎn)致使電極非常難以觀測(cè)和操作。同時(shí)，植入時(shí)還要對(duì)植入點(diǎn)進(jìn)行規(guī)劃選擇，避免損傷腦血管。

此外，正如前述所說(shuō)，多電極植入的難度也會(huì)大大提高。越有難度，越彰顯技術(shù)深度。通過(guò)發(fā)揮自動(dòng)化所在智能感知和機(jī)器人控制方面的技術(shù)強(qiáng)項(xiàng)，植入機(jī)器人CyberSense具有自動(dòng)化程度高、可植入數(shù)量多、空間定位準(zhǔn)、時(shí)間效率高、使用方便快捷、靈活避讓血管的優(yōu)勢(shì)，有效提高了柔性微電極植入的成功率和植入效果。

他同時(shí)表示，CyberSense的成功研發(fā)是腦與類腦實(shí)驗(yàn)室腦機(jī)接口與融合智能團(tuán)隊(duì)成員通力協(xié)作取得的多學(xué)科交叉成果。另外，在柔性微電極制備及植入方面，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員裴為華團(tuán)隊(duì)提供了豐富的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，為項(xiàng)目的成功實(shí)施提供了重要支持。

研究團(tuán)隊(duì)表示，下一步，腦與類腦實(shí)驗(yàn)室腦機(jī)接口與融合智能團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)開發(fā)柔性電極植入機(jī)器人系列產(chǎn)品，為促進(jìn)國(guó)內(nèi)腦機(jī)接口與腦科學(xué)的發(fā)展再獻(xiàn)一份力。