全無(wú)線神經(jīng)信號(hào)記錄系統(tǒng) 本文圖片來(lái)自微信公眾號(hào)“復(fù)旦大學(xué)”
實(shí)驗(yàn)室中，幾只頭戴電極帽的小鼠靈活游走，與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員的電腦上同步顯示出五顏六色的波段——小鼠大腦發(fā)出的極為微弱的腦電信號(hào)，被完整記錄。能夠?qū)崿F(xiàn)這一切的玄機(jī)，藏于電極帽中的一塊大小不足指甲蓋的芯片中。
在第八屆中國(guó)（上海）國(guó)際技術(shù)進(jìn)出口交易會(huì)上，經(jīng)由專業(yè)觀眾投票產(chǎn)生的“十大人氣項(xiàng)目評(píng)選”結(jié)果出爐。復(fù)旦大學(xué)的“全無(wú)線侵入式64通道腦機(jī)接口芯片模組”項(xiàng)目脫穎而出，摘得“鎮(zhèn)館之寶”稱號(hào)。
在該項(xiàng)目研發(fā)成功前，國(guó)際上在該領(lǐng)域尚未有成熟先例。該項(xiàng)目在單芯片上集成64個(gè)信號(hào)采集通道，實(shí)現(xiàn)了4米范圍內(nèi)64通道全帶寬神經(jīng)信號(hào)的24小時(shí)不間斷記錄。與國(guó)外同類商用產(chǎn)品相比，功耗降低了10倍，重量不足3克，成本僅為同類產(chǎn)品的一半。
自主研發(fā)腦機(jī)接口芯片，實(shí)現(xiàn)多個(gè)突破
認(rèn)知大腦被稱為生命科學(xué)最后的疆域。采集并分析大腦活動(dòng)的電信號(hào)，是研究大腦的一種重要手段，而腦機(jī)接口芯片，是相關(guān)科研儀器的核心部件。
該芯片研發(fā)團(tuán)隊(duì)核心成員呂良劍介紹，研究啟動(dòng)的2016年，國(guó)內(nèi)腦科學(xué)和類腦研究水平已經(jīng)很高，但擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)科研儀器卻很稀缺，大部分實(shí)驗(yàn)儀器依賴進(jìn)口，這促使他們想要自主研發(fā)一款國(guó)產(chǎn)腦活動(dòng)記錄儀器。
項(xiàng)目技術(shù)路線圖
在上海市科委基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目支持下，復(fù)旦大學(xué)類腦芯片與片上智能系統(tǒng)研究院和華東師大腦功能基因組教學(xué)部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合作，根據(jù)神經(jīng)科學(xué)家確定的各類指標(biāo)需求，開始研發(fā)“芯片式無(wú)線腦活動(dòng)記錄系統(tǒng)”。其中，芯片是最為核心的部件。
“無(wú)線”是復(fù)旦這塊芯片的最大優(yōu)勢(shì)。直到現(xiàn)在，用于腦科學(xué)實(shí)驗(yàn)的腦機(jī)接口系統(tǒng)大都需要在實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物上安裝記錄裝置，而裝置又需通過電纜與外部記錄系統(tǒng)相連。這種連接方式一方面限制了生物體的活動(dòng)范圍，另一方面，線的糾纏與旋轉(zhuǎn)容易產(chǎn)生作用力，導(dǎo)致生物體腦部損傷。無(wú)線腦機(jī)接口芯片成功擺脫了線的束縛，允許生物體自由活動(dòng)，更接近自然狀態(tài)。無(wú)線充電能夠以類似公交卡讀卡器的方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行充電。
“低功耗+長(zhǎng)續(xù)航”是該芯片的另一大特點(diǎn)，其能實(shí)現(xiàn)24小時(shí)連續(xù)工作。而有的芯片使用一枚40毫安時(shí)的紐扣電池僅能連續(xù)工作一兩個(gè)小時(shí)，中途頻繁更換電池會(huì)打斷監(jiān)測(cè)過程，干擾生物體自然狀態(tài)。
此外，“輕量化”是又一大突破。實(shí)驗(yàn)裝置太重會(huì)對(duì)小鼠活動(dòng)產(chǎn)生較大負(fù)重，影響其活動(dòng)。為此，團(tuán)隊(duì)把大部分功能都集成在芯片上，降低了對(duì)外部器件的要求，使整顆芯片面積小于16平方毫米，模組體積小于3立方厘米，總重量不超過3克。這種集成也在一定程度上降低了芯片制造的材料成本。
這一重大原創(chuàng)科研成果背后，是一支“少而精”的本土團(tuán)隊(duì)，項(xiàng)目中難度最大的芯片設(shè)計(jì)人員共七人，而包括封裝、生物信號(hào)采集、生物醫(yī)學(xué)等在內(nèi)，團(tuán)隊(duì)也僅二十余人。
應(yīng)用場(chǎng)景：或可預(yù)測(cè)癲癇發(fā)作，讓盲人“重獲”光明
近年來(lái)，腦機(jī)接口芯片是集成電路領(lǐng)域的國(guó)際研究熱點(diǎn)。事實(shí)上，腦機(jī)接口領(lǐng)域研究的相關(guān)應(yīng)用，已在慢慢走進(jìn)人們的生活，特別是醫(yī)療領(lǐng)域。
以這款芯片為核心部件的無(wú)線腦機(jī)接口系統(tǒng)正在接受上海腦科學(xué)家的測(cè)試，未來(lái)有望成為我國(guó)腦科學(xué)與類腦研究的利器。復(fù)旦類腦芯片與片上智能系統(tǒng)研究院助理研究員徐玲介紹，未來(lái)，復(fù)旦自研的這款芯片，應(yīng)用場(chǎng)景將集中在三個(gè)領(lǐng)域：認(rèn)知障礙疾病的治療、運(yùn)動(dòng)康復(fù)，以及硬件設(shè)備控制。
目前，研究院正與復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院合作開展靈長(zhǎng)類動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，將電極植入猴子腦內(nèi)，無(wú)線采集多通道的腦電信號(hào)供腦科學(xué)家研究，旨在了解癲癇病的發(fā)作機(jī)理，并對(duì)其實(shí)現(xiàn)預(yù)判和相關(guān)治療。此外，抑郁癥、狂躁癥、帕金森病、阿爾茨海默病等精神類疾病，也有望通過相關(guān)研究得到輔助治療。
視覺感知和運(yùn)動(dòng)感知研究方向，目前是腦機(jī)信號(hào)研究中的熱點(diǎn)。將芯片植入盲人視網(wǎng)膜下，使得盲人“重獲光明”；通過想象“揮手”的感覺，癱瘓病人可將腦內(nèi)信號(hào)通過芯片傳送給電腦，從而操縱機(jī)械臂進(jìn)行活動(dòng)等。
而被人們接受度更高的非植入式芯片，則可應(yīng)用在更多人的日常生活中。近年可以預(yù)見的一個(gè)應(yīng)用是腦機(jī)芯片與智能硬件的結(jié)合，例如，通過非植入芯片將腦電信號(hào)傳遞到手機(jī)等智能設(shè)備上，完成“確認(rèn)”、“返回”、“撥打電話”等簡(jiǎn)單的命令，這意味著，今后可能只需在腦中想象某個(gè)功能，無(wú)需動(dòng)手操作即可實(shí)現(xiàn)。
而所謂科幻電影中的機(jī)器“讀心術(shù)”，即依賴腦電波的解碼就能將腦電波與文字語(yǔ)言對(duì)應(yīng)起來(lái)，需大量的采集和訓(xùn)練，“我們的研究路徑正在向這一方向努力?！鼻嗄暄芯繂T鄒喬莎表示。