圍繞未來健康、未來智能、未來能源、未來空間、未來材料五個重點方向，上海正加速布局五大未來產業。以前沿突破、臨床應用為導向，腦機接口的研發突破及產業化，是未來健康產業集群中的一個重要方向。

　　隨著生物與信息交叉技術的快速發展，繼“物聯網”之后，一個更加先進的“腦聯網”已向我們走來。在大腦與外部設備之間搭建橋梁，腦機接口將是“腦聯網”的最關鍵設備之一。在這一競爭激烈的新賽道上，上海科學家獨辟蹊徑，巧用蠶絲光纖研制出了一種柔性電極。這種剛柔相濟的“中國式創新”突破了腦機接口臨床應用的一個關鍵瓶頸，或將帶來顛覆性革命。

　　■本報記者 許琦敏

　　只需要在顱骨上開一個直徑不到0.5毫米的小洞，就能夠將一枚具有100多個記錄通道的探針植入大腦。這種厚度僅有1微米的探針身段柔軟，碰到血管會自動滑過避開，安全到達指定位置。日前，這種名為“基于蠶絲蛋白的自適應柔性光電子神經探針”的新一代植入式腦機接口在中科院上海微系統與信息技術研究所傳感技術國家重點實驗室誕生了。

　　終于，植入腦機接口不再是“往豆腐里插筷子”，而只是引入一根軟到難以損傷腦組織的輕柔絲線。這種柔性腦機接口對于腦聯網的發展應用，可謂是一個重磅級成果。它的發明人——中科院上海微系統所副所長、腦虎科技首席科學家陶虎說，這將為腦疾病治療、腦科學研究推開一扇方便之門。

　　修復神經損傷 腦機接口將是強有力工具

　　腦的進化路線決定了生物的進化層次。以人為代表的哺乳動物的大腦選擇了復雜的進化路線，于是發展出越來越高級的功能。而蒼蠅蚊子之類的昆蟲選擇的是相對淺層的進化路線，比如具備快速避障的能力，其目的就是如何快速“躲過一劫”以求生。

　　然而，一個系統越復雜、越精密，也就越脆弱。就拿人腦來說，上千億個神經元組成龐大網絡，浸泡在腦脊液中，其中的信息和物質交互極其復雜，因此出現損傷、疾病、退化之后，其修復也就變得十分困難。

　　“從這個角度來說，人不可避免會得精神病或神經病。”陶虎認為，大腦“出錯”的一個本質表現就是神經元釋放的電信號發生了紊亂，而腦機接口正是一個為大腦“糾偏”的有效工具。它可以在大腦和外部設備之間創建直接連接通路，是神經修復最有效的工具。

　　一項調查顯示，2020年全球神經修復需求市場規模已達14.6億美元，預計2027年將達38.5億美元，年復合增長率為13%。目前，我國植入腦機接口醫療領域適應癥人數約為3070萬人次，年復合增長率約5%。

　　目前的臨床試驗已經證實，腦機接口可以通過提取與解碼大腦神經活動，實現人腦與神經假體之間的連接，代替大腦發出神經控制命令來控制人工假體完成預期動作，也可模擬并傳輸相應信號至目標位置，給出神經刺激達到神經修復的目的。因此，腦機接口被認為是修復癱瘓、中風、帕金森、漸凍癥等患者神經功能受損的最有效手段之一。

　　此外，腦機接口還是全面解析、認識大腦的關鍵核心技術，是國際腦科學前沿研究的重要工具。目前，全球腦疾病患者超過5億人。從高發于青少年的自閉癥、中青年階段的抑郁、老年期的癡呆，到全年齡段都可能發生的癱瘓、癲癇、失明、失語、漸凍癥等神經系統病癥，醫學界都還在不斷探索其精確診斷和治療的手段。

　　“打一個形象的比喻，腦疾病的發生就好像掛在樹上的燈泡一個個熄滅。相對于腦CT、穿刺活檢等手段只能獲知最終結果，腦機接口有可能實時看到燈泡是如何熄滅的。”陶虎認為，腦機接口的突破性進展，將會為人類認識大腦、治愈腦疾病帶來劃時代變革。

　　無損連通大腦 實現夢想還要過幾道關

　　理想的腦機接口應該是怎樣的？目前，腦機接口分為植入式和非植入式兩大類。非植入式腦機接口由于無法直達大腦皮層內部，所獲得的信號數量和質量都相當有限。而植入式腦機接口則要對腦組織的損傷越小越好、在體工作時間越長越好、工作效率越高越好。可以說，“終生無損連通大腦”是腦機接口的終極夢想。

　　近十年來，腦機接口底層技術迎來了快速發展，國內醫療植入體和傳感技術逐步成熟，AI芯片算力不斷提升，算法發展迅速。與此同時，更多具備相當機械強度、生物相容性和安全性的生物材料被應用于醫療領域。這讓腦機接口行業迎來了“拐點”，成為全球矚目的一大產業風口。

　　盡管在各國相關政策的支持及科研人員的不懈努力下，植入式腦機接口技術已經取得了重大進展，但是距離其廣泛應用，仍存在著較大挑戰。

　　陶虎表示，植入式腦機接口面臨的首要問題是安全性。“要對大腦深部的腦電信號進行讀取與編碼，首先要避免傳統‘血淋淋’的開顱植入，因為這極易對腦血管、腦組織造成損傷。”此外，植入器件的取出也會增加二次手術風險。

　　第二個問題是腦機接口的有效帶寬不足。正常人類大腦通過超過800億個神經元，控制人體的基本生理、外部感知、肢體運動、情緒記憶等多種復雜功能活動。然而，基于目前的腦機接口技術，最多只能同時記錄大約1000個神經元的活動及信號發放。

　　“目前神經記錄帶寬提升緩慢，大約每70個月翻一番，遠低于集成電路等領域的提升速度。”陶虎說，對海量神經信號的讀取、歸類、編解碼的難度，是以指數級提升的，需要硬件設備及算法軟件等多方面的協同創新，在提升信號采集質量的基礎上，保證系統工作的穩定性與可靠性。

　　而且，不同人之間、同一疾病特征下的不同病人、同一病人在不同情境下的神經信號活動都會產生較大差異與不確定性，很難使用一套固定的神經信號算法覆蓋大多數人群，這也在一定程度上限制了腦機接口技術的推廣應用。

　　蠶絲剛柔相濟 微創入腦長期在體工作

　　帶寬不足、植入創傷大、長期記錄穩定性差，是腦機接口領域目前亟需解決的三大技術難題。面向臨床重大腦疾病診治、復雜神經系統和高級腦功能的探索、認知等實用化應用需求，陶虎團隊開發出了可長期穩定在體的高帶寬侵入式柔性神經電極和相應的微創植入技術。

　　11月8日，團隊在《微系統與納米工程》上發表論文，介紹了在微創植入技術上的最新成果。這種探針由天然蠶絲蛋白制成的光纖與多個柔性電極陣列組成，在一個直徑不到0.5毫米的探頭上，集成有128個記錄通道，可實現大腦神經信號的精準調控與解析。而且，其厚度僅1微米，在小鼠和兔等動物中已實現了10個月的在體穩定記錄。此前，馬斯克公司開發的Neuralink電極厚度為5微米，公開報道的在體時長僅兩個月。

　　談及新探針的設計思路，陶虎說：“其實，我的想法很簡單，就是要提升帶寬。”他說，過去研制腦機接口主要將它作為一種傳統醫療器械，但他則想采用集成電路的研發方式。

　　集成電路的最大優勢就是高度集成，將器件做得小而強。由于長期關注蠶絲蛋白，這次陶虎團隊很自然地將蠶絲應用到了新探針上。“蠶絲蛋白制成的器件，具有良好的生物相容性。”陶虎介紹，傳統腦機接口的材料植入人體后，非常容易引起生物體的排斥，最常見的就是將植入體包裹起來形成疤痕組織，最終導致器件失效。不過，如果材料太過柔軟，就很難插入腦組織。因此，Neuralink柔性腦機接口必須輔以植入微針方能完成，而且需進行開顱手術。由于創傷較大，植入電極后需要恢復一周左右方能檢測到單神經元放電信號。

　　“無論傳統硬質電極，還是借助微針植入的柔性電極，都要極其小心地避開腦部血管，一旦電極或微針的尖端哪怕是擦過血管，也容易使血管受損，引發腦內出血。”陶虎說，為解決這個難題，他們仔細研究了蠶絲蛋白的硬度變化。

　　團隊發現，蠶絲蛋白有點像卷子面，脫水狀態比較硬，插入腦組織后，在腦脊液的浸泡下就會變軟，從而自動適應植入腦組織中的各種場景。“最有趣的是，在植入過程中，它的硬度會介于血管與腦組織之間。”陶虎說，當電極遇到血管時，由于比血管軟，就會自動繞過血管前行至目的地，即使碰到血管也不會對其造成損傷，這就避免了腦內出血。

　　實驗表明，蠶絲光纖電極遇水完全軟化大約需要15分鐘，這為植入留下了足夠的時間窗口，同時避免了因探針長期僵硬而增加的腦組織損傷。“完全軟化的蠶絲光纖，彎曲剛度會下降約11倍，已無力碰擦、切割，就像嵌在腦組織中。”論文第一作者周志濤副研究員介紹，這種蠶絲光纖的光傳輸損耗非常小，很適合用來對神經元進行光刺激。

　　“目前，我們借鑒集成電路技術，將多根超細神經電極組裝起來，沿縱向不同區域大量排布，實現高密度三維信號的采集，從而實現高帶寬、跨腦區的高效記錄。”周志濤告訴記者，團隊已在食蟹猴、恒河猴模型上，實現了左右腦各720通道的神經電極同時記錄。

　　繞過五官四肢 人類大腦或將發揮更大潛能

　　在同等體積和功耗下，人類大腦之強大絕對超越目前所有的超級計算機。陶虎經常會想這樣一個問題：相對于大腦的水準，人類的五官和四肢是否“低配”了？如果這些“配件”出現損壞，可否通過腦機接口，讓大腦直接指揮人工“配件”，從而恢復功能，甚至實現更強大的功能？

　　比如，人類視力達到2.0就算很好了，但仍看不到紅外光、紫外線、微光。如果繞過眼睛，把這些成像信息通過腦機接口直接輸入大腦皮層，或許就能擴展人類的視覺能力。又如，人類聽不到超聲波、次聲波，但不依靠耳朵，通過連通外部設備，或許大腦就能“聽到”這些頻率的“聲音”。

　　“其實，腦機結合的終極目標可能就是讓硅基器件與碳基生命融合，從而實現生命進化的新高度。”在陶虎看來，腦機接口技術得到突破后，“腦聯網”時代將會很快到來——單個人腦就是人群網絡中的一個節點，可通過無線腦電傳輸，實現個體腦電信號的“云上傳”和“局域交互”。這將使信息傳播從三維提升到四維（增加情感維度），人腦的“情緒復刻”將變為現實。

　　陶虎設想，這種“情緒復刻”或將為治療抑郁癥、自閉癥等精神類疾病帶來新的希望。比如，可以給予一組實驗對象某種刺激（驚恐、興奮、悲傷、快樂等），記錄其相應的“大腦圖像”，并進行神經響應定位，再利用光、電、壓、藥等各種物理化學手段來刺激另一組實驗對象的相應腦區，使其獲得相同情緒體驗。

　　科幻小說《三體》中的三體人可使用腦電波交流，這使得通訊速度變得極快，但同時個體之間也就沒有隱私和秘密。陶虎認為，腦機接口并非無懈可擊的中介與信號傳輸方式，對于它的滲入與反向控制所具有的潛在危險性，也在客觀上增加了人的決策的復雜性和不確定性。“對于腦機接口技術在人體上的使用及可能造成的安全性風險涉及重大倫理問題，必須加強倫理探索，防患于未然。”

　　植入式電極發展歷程

　　近二十年來，植入式腦機接口領域出現了兩次革命性技術創新，并涌現了一系列新范式和新應用，以下列舉幾種不同發展階段的代表性植入式電極。

　　Utah硬質電極

　　2004年，Cyberkinetics公司生產的Utah植入式電極獲美國食品藥品監督管理局（FDA）批準，成為世界上首個可用于臨床的植入式電極，引領了腦機接口第一次技術創新。

　　2005年，高位截癱患者馬特·納格爾成為第一位利用植入式腦機接口來控制機械臂的病人。利用植入運動皮層的電極，他完成了機械臂控制、移動電腦光標等任務。

　　2020年1月，浙江大學醫學院附屬第二醫院基于Utah電極，完成了中國首例植入式腦機接口臨床轉化研究，使高位截癱老人控制機械臂，實現了抓取和進食。

　　然而，Utah電極仍存在諸多不足。比如，由于是硬質電極，使用者運動時易剪切腦組織引發炎癥；記錄通道數不夠，外部設備控制精度不高；最深只能植入到淺皮層，且只能記錄單一平面內信號，適應癥有限。

　　Stentrode血管電極

　　2017年，美 國Synchron公司開發出Stentrode神經血管電極系統，其外觀類似一個血管支架，能夠通過微創手術從頸靜脈植入大腦，擴展到血管壁上。

　　這種電極可同時記錄16通道腦電信息，并于2021年7月通過FDA審批，目前正在開展臨床試驗。在植入該電極后，兩名漸凍癥患者經過恢復和訓練，通過意念實現了發短信、發送電子郵件、購物和操作網上銀行業務等日常活動。

　　血管電極也存在一些不足。比如，通過靜脈血管植入，大腦中的很多位置電極均無法到達。這種電極只能記錄場電位，而且由于血管壁的阻隔，其信號容易衰減。此外，它的記錄通道數較少，打字速度慢。

　　Neuralink柔性電極

　　埃隆·馬斯克創立Neuralink公司，專攻腦機接口技術。2019年7月，Neuralink基于柔性聚酰亞胺材料，使用半導體集成工藝，實現了單器件集成1024通道的高通量柔性電極，并針對柔性電極植入開發了手術機器人。

　　隨后Neuralink在前一代腦機接口系統上集成了無線傳輸功能，并將改進后的無線腦機接口微系統植入豬的顱內，實現了自由運動小豬腦部活動情況的實時監控。

　　2021年2月，Neuralink進一步將這種腦機接口植入獼猴腦內。經過訓練后，獼猴可通過“意念”直接精確控制光標在屏幕上的移動來打電子游戲。

　　Neuralink技術路線被認為是植入式腦機接口未來五到十年的發展方向。其產品發布后，掀起了植入式柔性腦機接口在大眾生活、學術研究、市場投資等方面的熱潮。

　　蠶絲光纖柔性電極

　　目前，國內腦機接口領域比較有代表性的柔性腦機接口企業是上海的NeuroXess（腦虎科技）。2022年9月，該公司發布了自主研發的蠶絲光纖柔性腦機接口。

　　由于蠶絲蛋白天然抗菌、可降解、力學強度高，相應地，以蠶絲蛋白為主體的柔性電極在生物相容性、機械強度上要比化工或化學合成材料制成的電極有優勢。

　　在植入方式上，該接口使用了由蠶絲蛋白光纖和多個柔性微電極陣列組成的混合探針（絲光電極），可以準確地插入大腦。通過蠶絲光纖的水合作用，探針能夠在植入后主動適應環境，并降低自身的機械剛度，以高保真度植入大腦，同時保持與周圍組織的機械順應性。

　　此外，具有128個記錄通道的探針可以在低光學損耗的情況下進行顱內光刺激，并檢測出高產量、良好隔離的單個單位，其性能遠超過其他類型的探針。