全無線神經(jīng)信號記錄系統(tǒng) 本文圖片來自微信公眾號“復(fù)旦大學(xué)”
實驗室中，幾只頭戴電極帽的小鼠靈活游走，與此同時，實驗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，被完整記錄。能夠?qū)崿F(xiàn)這一切的玄機，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（上海）國際技術(shù)進出口交易會上，經(jīng)由專業(yè)觀眾投票產(chǎn)生的“十大人氣項目評選”結(jié)果出爐。復(fù)旦大學(xué)的“全無線侵入式64通道腦機接口芯片模組”項目脫穎而出，摘得“鎮(zhèn)館之寶”稱號。
在該項目研發(fā)成功前，國際上在該領(lǐng)域尚未有成熟先例。該項目在單芯片上集成64個信號采集通道，實現(xiàn)了4米范圍內(nèi)64通道全帶寬神經(jīng)信號的24小時不間斷記錄。與國外同類商用產(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)腦機接口芯片，實現(xiàn)多個突破
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的電信號，是研究大腦的一種重要手段，而腦機接口芯片，是相關(guān)科研儀器的核心部件。
該芯片研發(fā)團隊核心成員呂良劍介紹，研究啟動的2016年，國內(nèi)腦科學(xué)和類腦研究水平已經(jīng)很高，但擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)科研儀器卻很稀缺，大部分實驗儀器依賴進口，這促使他們想要自主研發(fā)一款國產(chǎn)腦活動記錄儀器。
項目技術(shù)路線圖
在上海市科委基礎(chǔ)研究重大項目支持下，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)部重點實驗室合作，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)“芯片式無線腦活動記錄系統(tǒng)”。其中，芯片是最為核心的部件。
“無線”是復(fù)旦這塊芯片的最大優(yōu)勢。直到現(xiàn)在，用于腦科學(xué)實驗的腦機接口系統(tǒng)大都需要在實驗室動物上安裝記錄裝置，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。無線腦機接口芯片成功擺脫了線的束縛，允許生物體自由活動，更接近自然狀態(tài)。無線充電能夠以類似公交卡讀卡器的方式對設(shè)備進行充電。
“低功耗+長續(xù)航”是該芯片的另一大特點，其能實現(xiàn)24小時連續(xù)工作。而有的芯片使用一枚40毫安時的紐扣電池僅能連續(xù)工作一兩個小時，中途頻繁更換電池會打斷監(jiān)測過程，干擾生物體自然狀態(tài)。
此外，“輕量化”是又一大突破。實驗裝置太重會對小鼠活動產(chǎn)生較大負(fù)重，影響其活動。為此，團隊把大部分功能都集成在芯片上，降低了對外部器件的要求，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”的本土團隊，項目中難度最大的芯片設(shè)計人員共七人，而包括封裝、生物信號采集、生物醫(yī)學(xué)等在內(nèi)，團隊也僅二十余人。
應(yīng)用場景：或可預(yù)測癲癇發(fā)作，讓盲人“重獲”光明
近年來，腦機接口芯片是集成電路領(lǐng)域的國際研究熱點。事實上，腦機接口領(lǐng)域研究的相關(guān)應(yīng)用，已在慢慢走進人們的生活，特別是醫(yī)療領(lǐng)域。
以這款芯片為核心部件的無線腦機接口系統(tǒng)正在接受上海腦科學(xué)家的測試，未來有望成為我國腦科學(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，復(fù)旦自研的這款芯片，應(yīng)用場景將集中在三個領(lǐng)域：認(rèn)知障礙疾病的治療、運動康復(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)院合作開展靈長類動物實驗，將電極植入猴子腦內(nèi)，無線采集多通道的腦電信號供腦科學(xué)家研究，旨在了解癲癇病的發(fā)作機理，并對其實現(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。
視覺感知和運動感知研究方向，目前是腦機信號研究中的熱點。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)信號通過芯片傳送給電腦，從而操縱機械臂進行活動等。
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)見的一個應(yīng)用是腦機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傳遞到手機等智能設(shè)備上，完成“確認(rèn)”、“返回”、“撥打電話”等簡單的命令，這意味著，今后可能只需在腦中想象某個功能，無需動手操作即可實現(xiàn)。
而所謂科幻電影中的機器“讀心術(shù)”，即依賴腦電波的解碼就能將腦電波與文字語言對應(yīng)起來，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。”青年研究員鄒喬莎表示。