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圖片來源：unsplash

■黃辛

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)，就這樣被完整記錄下來。能夠?qū)崿F(xiàn)這一切的玄機(jī)，藏于電極帽中一塊大小不足指甲蓋的芯片中。

這是復(fù)旦大學(xué)研發(fā)的“全無(wú)線侵入式64通道腦機(jī)接口芯片模組”項(xiàng)目。值得一提的是，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。

擺脫“線”的束縛

認(rèn)知大腦被稱為生命科學(xué)最后的疆域。近年來，中、美、歐等國(guó)家和地區(qū)紛紛啟動(dòng)腦科學(xué)計(jì)劃。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，研究項(xiàng)目啟動(dòng)于2016年，當(dāng)時(shí)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。

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)”。系統(tǒng)由神經(jīng)電極陣列、無(wú)線腦機(jī)接口芯片、接收機(jī)、計(jì)算軟件等組成，用于采集、儲(chǔ)存和分析實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的腦部神經(jīng)元活動(dòng)信號(hào)。其中，芯片是最為核心的部件。

“無(wú)線”是這款芯片區(qū)別于市面同類產(chǎn)品的最大優(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。團(tuán)隊(duì)首先在無(wú)線數(shù)據(jù)和無(wú)線能量同時(shí)傳輸核心技術(shù)上取得原創(chuàng)突破，研究結(jié)果2018、2019年連續(xù)兩年在被業(yè)界譽(yù)為“芯片奧林匹克”的頂會(huì)國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議上發(fā)表。

低功耗與輕量化

“低功耗+長(zhǎng)續(xù)航”是該芯片的另一大特點(diǎn)。許多無(wú)線技術(shù)芯片功耗較大，使得電池連續(xù)使用時(shí)間很短，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)。而這款芯片能夠?qū)崿F(xiàn)24小時(shí)連續(xù)工作，對(duì)生物體進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、不間斷的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。這是由于團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)優(yōu)化了芯片的電路設(shè)計(jì)，降低了其功耗。研發(fā)團(tuán)隊(duì)也放棄現(xiàn)有的一些功耗較大的無(wú)線傳輸協(xié)議，自己定義新的通信協(xié)議，并通過降低電壓將功耗優(yōu)化至2.3MW，同時(shí)優(yōu)化信號(hào)處理，解決了信號(hào)記錄穩(wěn)定性和抗干擾等問題。

此外，“輕量化”也是其優(yōu)勢(shì)之一。由于實(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。

“讀心術(shù)”有望實(shí)現(xiàn)

近年來，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。例如，基于類腦芯片可實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元識(shí)別與腦功能圖譜描繪，還可進(jìn)行腦血管病智能篩查等醫(yī)療工作。

據(jù)悉，2016年至今，復(fù)旦自研的這款芯片已流片4次。以它為核心部件的無(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，有望在不久的將來投入商用，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，復(fù)旦自研的這款芯片，應(yīng)用場(chǎng)景將集中在3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。

在視覺感知和運(yùn)動(dòng)感知研究應(yīng)用中，芯片可植入盲人視網(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)。

至于所謂科幻電影中的機(jī)器“讀心術(shù)”，即依賴腦電波的解碼將腦電波與文字語(yǔ)言對(duì)應(yīng)起來，需大量的采集和訓(xùn)練?！拔覀兊难芯空谙蜻@一方向努力。”青年研究員鄒喬莎表示，“在復(fù)旦大學(xué)，我們能同時(shí)和腦科學(xué)家、臨床醫(yī)生進(jìn)行合作，有豐富的一線數(shù)據(jù)。這樣優(yōu)越的研究環(huán)境，在國(guó)外頂尖的實(shí)驗(yàn)室也很難擁有。”