過去十年，侵入式腦機(jī)接口幾乎等同于往大腦里“扎針”。

這一次，研究人員設(shè)計(jì)了一種無線“讀心”的方式：不再穿透腦組織，而是像貼郵票一樣，把芯片貼在大腦表面。

近期，美國哥倫比亞大學(xué)與紐約長老會(huì)醫(yī)院、斯坦福大學(xué)、賓夕法尼亞大學(xué)等團(tuán)隊(duì)合作，開發(fā)了一種新型植入式無線腦機(jī)接口設(shè)備——皮層生物電子接口系統(tǒng)（BISC，Biological Interface System to Cortex）。

該系統(tǒng)包括一個(gè)單芯片植入體、一個(gè)可穿戴式轉(zhuǎn)發(fā)器以及操作系統(tǒng)所需的定制軟件。系統(tǒng)的核心由 CMOS 芯片構(gòu)成，厚度僅 50 微米，比一根頭發(fā)絲還薄，并集成了 65,536 個(gè)微型電極、信號(hào)供電電路、無線收發(fā)器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和模擬電路等。

（來源：曾南宇）

它通過體外設(shè)備供電和傳輸數(shù)據(jù)，無需穿透腦組織、無需連接線纜。就像一張精密的神經(jīng)電網(wǎng)格貼在大腦表面，通過時(shí)分復(fù)用方式持續(xù)記錄 1,024 個(gè)通道，這是目前腦機(jī)接口領(lǐng)域中電極密度最高的設(shè)備之一。

值得關(guān)注的是，BISC 在體積效率（volumetric efficiency，即單位體積內(nèi)可實(shí)現(xiàn)的有效電極與功能密度）方面是 Neuralink 植入體的 400 倍。該指標(biāo)對腦機(jī)接口走向臨床非常關(guān)鍵，這意味著 BISC 在極小侵入性的微創(chuàng)操作即可完成，不僅對患者的傷害更小，而且植入過程更簡單。

圖丨BISC 芯片（來源：曾南宇）

以 Neuralink 為例，它的植入體是一個(gè)體積較大的金屬裝置，因此手術(shù)時(shí)需要移除一部分頭骨，并需要一個(gè)大型專用機(jī)器人配合完成植入（DeepTech 此前報(bào)道：馬斯克腦機(jī)接口公司重大突破，1.5 秒快速植入電極，萬人等待上腦）。

相比之下，BISC 的體積僅 3 立方毫米，手術(shù)時(shí)只需要在頭骨（腦硬膜下）開一條細(xì)槽，就可將芯片滑入并像貼郵票那樣將其貼附在大腦表面。神經(jīng)外科醫(yī)生經(jīng)過短時(shí)間訓(xùn)練即可完成植入，且不需要昂貴的額外設(shè)備。與此同時(shí)，由于 BISC 非常薄，顯著降低了異物排斥反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。

另外，像 Neuralink 這類植入體的一部分結(jié)構(gòu)固定在頭骨上，但是大腦是柔軟并會(huì)隨運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生移動(dòng)的，長期來看極有可能導(dǎo)致電極與腦組織之間的相對移動(dòng)。

該研究共同第一作者、哥倫比亞大學(xué)曾南宇博士對 DeepTech 表示：“由于 BISC 直接貼在大腦表面，會(huì)與大腦保持同步運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生相對位移的幾率顯著降低，這對真實(shí)世界的長期穩(wěn)定性非常重要?！?/p>

圖丨曾南宇（來源：曾南宇）

由于采用成熟的 CMOS 集成電路工藝，BISC 具備大規(guī)模量產(chǎn)潛力。據(jù)研究團(tuán)隊(duì)透露，其單片成本可控制在 25 美元以下。

“BISC 最大的價(jià)值是首次以足夠高的空間分辨率，通過在皮層尺度實(shí)現(xiàn)接近連續(xù)的高密度采樣，直接記錄皮層活動(dòng)在空間中展開和演化的過程，而不僅僅是離散神經(jīng)元的集合。”曾南宇說。

從臨床角度看，該研究可能改變治療神經(jīng)疾病的方式。很多神經(jīng)性疾病，比如癲癇、失語和抑郁，本質(zhì)上并不是某一個(gè)點(diǎn)“壞了”，而是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)模式出了問題。更高分辨率的記錄和刺激，為更精細(xì)、個(gè)體化調(diào)控提供了新的可能。

據(jù)了解，該技術(shù)已申請專利并授權(quán)美國初創(chuàng)公司 Kampto Neurotech，曾南宇擔(dān)任該公司首席技術(shù)官。

用全功能單片集成芯片，應(yīng)對百萬神經(jīng)元挑戰(zhàn)

BISC 項(xiàng)目最早可追溯到美國時(shí)任總統(tǒng)奧巴馬任期內(nèi)啟動(dòng)的美國腦科學(xué)計(jì)劃（BRAIN Initiative）。其中一個(gè)非常重要的組成部分是腦活動(dòng)圖譜計(jì)劃，其終極目標(biāo)是記錄人腦內(nèi)每個(gè)神經(jīng)元的每一次放電活動(dòng)。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，客觀上需要極高密度的電極陣列，使得電極之間的間距匹配神經(jīng)元之間的距離，大約在 10–20 微米量級(jí)。

在這一背景下，美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA），提出了頗具挑戰(zhàn)性的目標(biāo)：研發(fā)一種能夠讀取 100 萬個(gè)神經(jīng)元、寫入 10 萬個(gè)神經(jīng)元，并能夠同時(shí)調(diào)控其中 1,000 個(gè)神經(jīng)元的腦機(jī)接口。

單片高度集成是這項(xiàng)研究的亮點(diǎn)之一。曾南宇指出，這種全功能單片集成的芯片在學(xué)術(shù)界很少見。要實(shí)現(xiàn)這樣完整的系統(tǒng)，需要對多個(gè)集成電路子領(lǐng)域有深入的理解，并能夠在系統(tǒng)層面選擇合適的性能指標(biāo)和電路架構(gòu)。

BISC 的無線供電采取了磁耦合共振式無線電能傳輸，其原理與目前手機(jī)的無線充電方式相似，通過體外發(fā)送線圈與芯片上集成的接收線圈來傳輸能量。

不同之處在于，BISC 的發(fā)送和接收線圈都工作在 13.56MHz 的共振頻率點(diǎn)，此時(shí)能量傳輸效率最高，更適合低功耗、較長間距的體內(nèi)應(yīng)用。13.56MHz 的無線供電信號(hào)同時(shí)用作芯片的參考時(shí)鐘，由內(nèi)部的鎖相環(huán)生成 8 倍頻率，即 108MHz。

（來源：Nature Electronics）

在無線數(shù)據(jù)傳輸方面，研究團(tuán)隊(duì)采用了定制的私有通信協(xié)議，并使用脈沖式超寬帶（IR-UWB）調(diào)制方式進(jìn)行無線傳輸?！斑@類無線收發(fā)具有非常高的能量效率，能夠在小于 5 毫瓦的條件下，實(shí)現(xiàn) 108Mbps 的上傳數(shù)據(jù)速率，相比 Neuralink 基于藍(lán)牙的方案高出快 100 倍。”曾南宇表示。

考慮到電磁的兼容性，他們還在芯片上設(shè)計(jì)了超寬帶單極子縫隙天線，并在體外收發(fā)端采用了專門設(shè)計(jì)的超寬帶偶極子天線。供電線圈與通信天線在頻段和結(jié)構(gòu)上均經(jīng)過協(xié)同優(yōu)化，以確保兩套無線系統(tǒng)在同時(shí)工作時(shí)互不干擾。

在發(fā)絲薄的芯片上，將電極密度推到極限

考慮到希望利用現(xiàn)有的微加工和光刻技術(shù)，直接在芯片表面制造出超高密度的電極陣列，研究團(tuán)隊(duì)選擇從皮層表面電極技術(shù)路線切入。而且，表面電極在生物安全性和臨床可行性上具有顯著優(yōu)勢：電極不需要穿透腦組織，植入過程相較于穿透式電極簡單得多，對大腦的損傷也明顯更小。

從工程設(shè)計(jì)的角度來看，將皮層表面電圖推向如此大規(guī)模的電極陣列，主要面臨兩個(gè)核心挑戰(zhàn)。第一個(gè)挑戰(zhàn)是，如何在極其有限的面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)低噪聲信號(hào)采集。需要了解的是，集成電路設(shè)計(jì)中經(jīng)典的難題是功耗、性能和面積之間的“不可能三角”。

在應(yīng)用場景中，功耗和性能是被嚴(yán)格限定的。一方面不能讓芯片產(chǎn)生過多熱量以免損傷神經(jīng)組織，另一方面噪聲水平又必須足夠低，才能可靠地記錄目標(biāo)神經(jīng)信號(hào)。

為此，研究團(tuán)隊(duì)采用了主動(dòng)傳感、直接耦合、斬波放大的結(jié)構(gòu)（direct-coupled chopping active-pixel sensor），這是在給定功耗和噪聲條件下，面積效率最高的模擬前端架構(gòu)之一。

（來源：Nature Electronics）

第二個(gè)挑戰(zhàn)是，如何高效地讀出如此龐大的電極數(shù)量。研究人員引入了時(shí)分復(fù)用的思路，將所有電極復(fù)用到同一組后級(jí)放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器上，從而大幅降低了系統(tǒng)整體的面積。同時(shí)，他們還借鑒了圖像傳感器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，通過讀出電荷而非電壓的方式，顯著提升了陣列的讀出速度。這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)使得超高通道數(shù)在系統(tǒng)層面變得可行。

另外，在如此大規(guī)模的系統(tǒng)中，流片前的驗(yàn)證和仿真也變得非常復(fù)雜。如果使用傳統(tǒng)的電路仿真器，仿真整個(gè)系統(tǒng)需要幾個(gè)月，不利于設(shè)計(jì)迭代。為實(shí)現(xiàn)快速而可靠的系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證，研究團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)了數(shù)?；旌贤ㄓ抿?yàn)證方法學(xué)（AMS-UVM）。

（來源：Nature Electronics）

值得關(guān)注的是，在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，BISC 不僅記錄了傳統(tǒng)的局部點(diǎn)位的表面信號(hào)，還基于 AI 算法首次在靈長類視覺皮層以數(shù)十微米的分辨率觀測到行波信號(hào)，這改變了對皮層表面信號(hào)信息含量的認(rèn)知。

傳統(tǒng)上并沒有、也缺乏手段去采集十微米尺度的局部電位信號(hào)，因此通常認(rèn)為表面信號(hào)主要反映的是較為平均的神經(jīng)元群體活動(dòng)。由于對這類信號(hào)的研究仍處于早期階段，它們具體攜帶了哪些信息目前還沒有被完全理解。大腦本身仍然存在大量未知，但這種技術(shù)手段的進(jìn)步，有助于人們更全面地理解人腦的工作機(jī)制。

此外，研究團(tuán)隊(duì)基于 BISC 實(shí)現(xiàn)了讀取猴子的大腦活動(dòng)，并且通過電腦實(shí)時(shí)解碼它眼睛看到的畫面。他們還在豬和非人靈長類動(dòng)物中分別實(shí)現(xiàn)了 2 周和 2 個(gè)月的穩(wěn)定性，并驗(yàn)證了植入后取出以及替換新植入體的可行性。

近日，相關(guān)論文以《一種具有 65,536 個(gè)電極和 1,024 個(gè)通道的無線硬膜下腦機(jī)接口》（A wireless subdural-contained brain–computer interface with 65,536 electrodes and 1,024 channels）為題發(fā)表在 Nature Electronics[1]。哥倫比亞大學(xué) Taesung Jung 博士和曾南宇博士是共同第一作者，肯尼思?謝潑德（Kenneth Shepard）教授擔(dān)任通訊作者。

圖丨相關(guān)論文（來源：Nature Electronics）

有望用于運(yùn)動(dòng)控制、視覺恢復(fù)和癲癇治療，推動(dòng)從科研工具向臨床設(shè)備發(fā)展

據(jù)介紹，研究團(tuán)隊(duì)將這項(xiàng)技術(shù)聚焦于三個(gè)方向的應(yīng)用：脊髓損傷或截肢患者的運(yùn)動(dòng)控制、外因性失明患者的視覺恢復(fù)，以及治療耐藥性癲癇患者。“我們在設(shè)計(jì)之初就強(qiáng)調(diào)低風(fēng)險(xiǎn)、低成本和易植入，目標(biāo)是讓 BISC 能夠惠及盡可能多需要腦機(jī)接口的患者。”曾南宇表示。

在具體應(yīng)用上，這種高密度電極和高數(shù)據(jù)通量為多種功能突破提供了可能。

·在運(yùn)動(dòng)控制方面，更高的空間分辨率和更低的系統(tǒng)延遲，有望實(shí)現(xiàn)更精細(xì)、更自然的運(yùn)動(dòng)解碼；

·在視覺領(lǐng)域，高密度電極不僅能夠幫助更好地解碼視覺信息、理解視覺中樞的工作方式，還能通過精細(xì)化刺激實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的視覺恢復(fù)；

·在癲癇治療中，高密度電極陣列能夠更早、更準(zhǔn)確地捕捉異常放電模式，從而實(shí)現(xiàn)更及時(shí)、更精準(zhǔn)的閉環(huán)刺激，干預(yù)癲癇的發(fā)生。

（來源：Nature Electronics）

在人體試驗(yàn)方面，該公司與哥倫比亞大學(xué)醫(yī)學(xué)院正在進(jìn)行相關(guān)合作。雖然 BISC 還未進(jìn)行人體試驗(yàn)，但另一個(gè)可連接不同電極的版本已在人體進(jìn)行試驗(yàn)。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，目前人體臨床試驗(yàn)最大的挑戰(zhàn)是對于芯片植入體長期穩(wěn)定性的驗(yàn)證，主要受材料和封裝方法制約。原因在于，BISC 是一種超高通道密度、超薄且高度集成的腦機(jī)接口形態(tài)，它在結(jié)構(gòu)和工作方式上都與傳統(tǒng)的穿透電極或皮層電極顯著不同。因此，現(xiàn)有腦機(jī)接口產(chǎn)品的數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)方法并不能直接作為參考依據(jù)。

這是一個(gè)需要通過循序漸進(jìn)的工程驗(yàn)證和臨床前研究來解決的問題。他們計(jì)劃通過長期動(dòng)物實(shí)驗(yàn)以及加速老化測試，逐步改進(jìn)這種新型腦機(jī)接口的可靠性，并為后續(xù)的人體臨床試驗(yàn)提供明確、可量化的安全和性能依據(jù)。

據(jù)了解，曾南宇與其博士導(dǎo)師肯尼思?謝潑德于 2023 年成立了 Kampto Neurotech 公司，對課題組的技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將 BISC 技術(shù)階段性地推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化落地。

短期內(nèi)，他們把 BISC 定位為一個(gè)科研和臨床前研究的平臺(tái)，神經(jīng)科學(xué)家們可基于該平臺(tái)進(jìn)行高分辨率神經(jīng)記錄和刺激。中期階段，研究團(tuán)隊(duì)將聚焦殘障、失語、失明和癲癇等明確的醫(yī)療適應(yīng)癥。通過皮層表面高密度電極，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的定位和進(jìn)行閉環(huán)干預(yù)。

長期來看，BISC 并不局限于作為單一產(chǎn)品，而是一個(gè)平臺(tái)化的腦機(jī)接口技術(shù)體系，有望在同一硬件架構(gòu)上拓展到視覺、運(yùn)動(dòng)和語言等多種應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)從科研工具到臨床設(shè)備，再到平臺(tái)化解決方案的演進(jìn)。隨著硬件成熟度提升和人工智能算法生態(tài)的建立，高分辨率腦機(jī)接口有望成為連接基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)研究與臨床應(yīng)用的重要基礎(chǔ)設(shè)施。

（來源：曾南宇）

曾南宇認(rèn)為，從技術(shù)成熟度來看，腦機(jī)接口領(lǐng)域正處在從科研驗(yàn)證向臨床可行性過渡的階段?；A(chǔ)器件和工藝已經(jīng)相對成熟，但在系統(tǒng)可靠性和封裝方面仍需要工程突破。

BISC 技術(shù)為未來打開了廣闊的想象空間：它既有可能讓聽障或視障人士補(bǔ)回缺失的感官功能，也可能讓普通人通過植入芯片來增強(qiáng)能力，例如看見紅外光或紫外光——當(dāng)芯片檢測到這些不可見光時(shí)，信息可直接映射到視覺中樞。更超前的設(shè)想是，未來的 VR 可能無需外部設(shè)備，僅通過腦內(nèi)芯片就能將虛擬畫面與聲音直接投射到感知中，實(shí)現(xiàn)完全的沉浸體驗(yàn)。

與其說 BISC 是一款產(chǎn)品，不如說它是一種新的神經(jīng)接口形態(tài)：它讓高密度、低侵入、無線、可量產(chǎn)同時(shí)成為可能。腦機(jī)接口未來要走向臨床規(guī)模化，盡管它可能不是最早的明星，但很可能是最像基礎(chǔ)設(shè)施的一種形態(tài)。

參考資料：

1.相關(guān)論文：https://doi.org/10.1038/s41928-025-01509-9

2.Kampto Neurotech 網(wǎng)站：https://www.kamptotech.com/

運(yùn)營/排版：何晨龍