侵入式脑机接口技术在“脑控”和“控脑”两大应用方向上的发展，及刚柔可调的新型接口技术进展

马斯克的Neuralink带火了脑机接口技术，而其实这一项技术已经发展了50年之久。建立人机完全合一的脑机智能是针对此类应用的远景，而着眼当前，在神经、运动康复方面，包括脑疾病的治疗、运动的重建、运动的恢复和康复；以及感知觉，包括人工耳窝、视网膜的康复应用等。对于这一类特殊人群，脑机接口技术能够真正帮助到他们构建和外界正常联系，并且减少其患病风险。

脑机接口分为侵入式和非侵入式。要构建脑与机之间的可靠通路，实现信息交互，那么侵入式技术变得尤为关键。1980年左右，NIH首次在猴脑植入电极，实现了猴子光标的LED灯的控制。而从1980年到1995年之间，植入式脑机接口基本上处于原地踏步阶段，进展甚微。直到1990年中期，纽约州立大学Chapin教授首次发现，通过微丝电极植入大脑，神经原信息记录可长达数月之久，自此脑机接口研究开始兴起。

在国内脑机接口研究方面，浙江大学和南湖脑机交叉研究院走在前列。在由芯原股份主办的第二届南渡江智慧医疗与康复产业高峰论坛上，南湖脑机交叉研究院常务副院长王跃明受邀进行了以“侵入式脑机接口研究”主题的开幕演讲。

闭环脑控和控脑两大应用方向

据悉，浙江大学开展的是闭环脑机接口研究，从底层电极芯片集成、到中间层的闭环控制理论模型、再到顶层应用全面覆盖。对于闭环脑机接口的控制，可以分为脑控和控脑两个方向。脑控可以让有障碍无法表达和感知外界的特殊人士实现对于外界的感知和输出。而控脑则是可以通过外界的干扰来刺激脑神经达到针对某些疾病的治疗目的。

首先在脑控方面，浙大开展了多种不同的应用方向。一是可以让人通过意念在线控制机械手实现譬如“石头剪刀布”之类的游戏。这需要在初级运动皮层与感觉皮层上用ECOG电极阵列采集脑信号，然后通过后端的计算部分来解码脑信号实现手势解析，最终将控制信号传递到机械手完成控制。

第二类脑控为临床侵入式脑控机械手。浙江大学在国内首次实现了侵入式皮层神经信号控制机械手3D运动。这一基于72岁高龄病人动态、弱化脑信号的3D控制脑机接口应用在国际上尚属首次，同时也填补国内在该项研究的空白，让我国在该领域步入国际前沿行列。对于斯坦福大学的研究，浙江大学的成功率最大提升13.85%，到达时间最多缩短13.46%。

第三类脑控为书写脑机接口，通过对与汉字的神经特异性表征的提取，来让患者完成汉字书写。浙大突破了在汉字书写轨迹上的解码新技术，在离线状态下100个常用汉字的分类正确率达到了91.3%；而在语言模型辅助下，在线正确率可提高至96.2%。

接下来看下在“控脑”方面的研究进展。浙大在国际上率先实现了计算机机器视觉和大鼠的结合，构建了视觉增强的大鼠机器人。据悉，大鼠机器人具备识别人脸、转向标志等功能，大鼠可依据计算机图像识别结果、自动做出预设的运动行为，成功实现单向控脑的大鼠机器人全自动导航。

第二个脑控研究方向是通过调控实现重大脑部疾病的脑机疗法。这是针对深度脑刺激的升级疗法，实现自适应的调控疗法，能够对脑状态实时监控，根据具体疾病状况，按需刺激，实现因人制宜、因病制宜的效果。

第三个脑控方向是针对癫痛闭环电刺激，构建了模型、算法与原型。浙大的癫痫闭环电刺激调控装置已经迭代了三代，第三代采用了全植入式的方式，能够完成对癫痫检测、预测和刺激干预，并且已经于2022年，入选国家药监局医疗器械技术审评中心“创新医疗罢械特别审查程序”。

“刚柔可调”脑机接口新型材料与阵列技术

要实现上述的一系列控脑和脑控的应用，一个基础在于对于脑信号的准确可靠采集，而这就离不开针对脑机接口电极的研究。

王跃明表示，刚柔各有优势，如何实现刚柔可调的接入，是脑机接口技术的发展关键。浙大的研究目标是通过自研电极+芯片的集成实现具象视频。这里面涉及到医用密封封装、高密度馈通、无线通信、无线充电技术低功耗设计以及神经信号处理等多个方面技术的融合；需要通过不同层次的软硬件设计，实现磁共振兼容全植神经信号采集微系统。

在这一刚柔可调的脑机接口方向上，浙大已经有了四大进展。一是通过NBA单体技术提供化学镀金属能力，用于制造导电通路，实现了电极刚度在体温附近的切换，弹性相差约两个数量级。该技术利用动态化学键构筑可适用人体环境的可变形基体，短期弯折可以快速恢复，而长期弯折则可以缓慢恢复。

第二个研究进展是刚柔可调的新型三维柔性阵列电极，优化了微电极阵列的微纳加工、异质集成、三维封装等工艺，研制了立体的三维浮动微电极阵列 (8x8x2=128通道) ，并初步完成了动物测试。

第三个研究进展是高通量、高集成度神经记录芯片结构及电路实现。浙大自主研发出一款128通道、高集成、低功耗神经记录芯片，相比马斯克Neuralink芯片，记录功耗相当，输入噪声水平降低50%以上。

第四个研究进展是电极芯片一体化集成微系统技术。在一个全密封微系统中实现信号采集、处理、电池+无线充电、无线信号发送等功能。

王跃明表示，刚性微电极阵列是硬的，有伤害；柔性电子伤害比较小，但是植入比较困难。同时植入要实现多通道可能没有问题，但要长期稳定记录同样非常重要，长期稳定也很重要，因为反复插拔也会对大脑造成伤害。如果把刚性植入的便利和柔性结合在一起，才是比较理想的方案。而针对重症抑郁症患者，植入式脑机接口技术有望帮助他们恢复认知能力，这部分人群也更乐于接受这样的治疗方式。