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大脑的意图能否被解析?是否可以直接读取甚至“下载”大脑中的知识?
科学家们研究大脑复杂的连接结构,通过建立人脑与外部设备的交互,直接以大脑为媒介,与外界建立沟通。
析芒医疗CEO黄东曾在北京大学从事多年的实验研究,他介绍二十年前脑机接口的概念还没有普及,他研究的领域叫做神经电极技术。“我们希望通过外科这种手段去做植入性的电极,直接干预神经,解决包括失明、失语、瘫痪等临床无法解决的疾病”。
具体来看,如何解读乃至调控大脑的活动?神经界面是记录或控制大脑神经元电生理活动的最核心器件,也被称为脑电极。采集脑信号是第一步,根据电极的植入部位,分为非侵入式、半侵入式、侵入式三种。从采集系统看,又分为全植入和半植入。
非侵入式脑机接口是将神经电极贴在头皮表面,脑外连接着“电线”。而侵入式则是通过开颅手术,直接把电极植入大脑内部,通过原位采集的方法获得的脑电信号最精确,信息量最大。
微灵医疗CEO李骁健谈及侵入式脑机接口系统的工作原理,
脑机接口系统包含三部分,神经信号的采集器,解码器和效应器。
首先神经信号的采集器采集到人脑运动皮层的神经信号,将其转变为计算机可以加工的数字信号;
解码器经过算法实时解码,推算出人的运动意图;
最后效应器将人的运动意图转码成屏幕上光标的移动、机械臂的抓握、轮椅的前进,或者语音的生成、文字的书写。
这听起来并不难。
但要知道,人的大脑是非常柔软的组织,质地犹如豆腐一般,电极植入大脑皮层组织后,犹如一排排钢针插入豆腐。而人体运动会导致电极移位,且还可能会产生剧烈的免疫反应,导致脑电信号采集质量迅速衰减。电极一旦取出,脑组织有二次损伤,同一脑区域就不能再作为靶点了。
作为脑机接口系统中最关键的一环,
电极是最重要的硬件。任何植入电极若想更长久的与其人脑共存,就需要降低植入电极的硬度。
智冉医疗CEO宋麒告诉亿欧,传统基于硬质材料的侵入式脑机接口之所以还没有真正大规模地应用到临床,问题有两个:
第一是材质。
过去临床使用的刚性电极硬度太硬,在植入过程中容易对大脑产生损伤,且易引起大脑组织免疫炎症反应,导致神经信号迅速衰减。
第二是通道,即大脑内信号的记录点位数量。
理论上,记录到信号的有效点位越多,对大脑意图的解析会越准确。传统基于硬质材料的脑机接口仅约一百个通道,能够转换的信息相对有限。
“随着
材料科学的进步和制造工具的进步,
柔性脑机接口迎来了革命性的进展。”宋麒提到,尤其是柔性电极的出现,采用微小的网状或线状结构,具备较高的韧性,但材质和大脑组织的柔软度接近(注:神经元细胞没法评估柔软度)。
目前,国内布局侵入式脑机接口企业,纷纷在柔性电极上发力,并取得进展。
微灵医疗采用的是高密度柔性网状薄膜电极阵列,李骁健解释,“做薄膜,比较薄也比较软,贴合在脑皮层的表面,不会像其他材质那样可能会产生位移或对大脑造成损伤。”
智冉医疗研发的高通量柔性电极优势在于具有优异的生物相容性,能够更好的保护大脑的神经元细胞,在临床植入后能长期保持稳定的神经元信号采集能力。
阶梯医疗的核心技术也是柔性电极,电极柔性达到了Neuralink的百倍以上,电极与大脑组织的碰触已与细胞间交互无异。阶梯医疗CEO李雪告诉亿欧,由于侵入式脑机接口技术本身需要将传感器植入大脑,其产业化及临床推广难点在于如何最大程度降低植入对患者带来的创伤。
今年3月受试者的手术上,阶梯医疗的脑控植入体直径26mm、厚度不到6mm,是全球最小尺寸的脑控植入体,极大降低了手术创伤和风险。
析芒医疗结合了自主研发的特种材料、配套工艺与制造流程,在电极韧度、机械强度、定制性和生产效率等方面全面发力。
电极的发展让脑机接口技术从实验室走向临床成为可能。不过,脑机接口的技术远不止解决电极这么简单,李骁健告诉亿欧,
像脑机接口这样的新兴产业,上下游产业都还不完善,各个环节都缺乏成熟的供应商。
正因如此,脑机接口赛道里的公司挑起“一揽子”活,
从芯片,到解码信号的算法系统,甚至研发植入电极的手术机器人,国内的脑机接口创业公司们纷纷将自己打造成“全能战士”。