2022年“上海科技青年35人引領計劃”入選者、復旦大學光電研究院青年研究員宋恩名說，侵入式腦機接口是未來趨勢，植入式器件可以直接得到最原始、最清晰的腦電信號。當然，腦機接口更大的挑戰在於安全性、穩定性和可拉伸性。
復旦大學34歲研究員宋恩名創新腦機接口植入式器件，打開神經功能疾病診療新空間。澎湃新聞視頻記者：趙子易、吳星宇(01:51)
2021年12月，澳大利亞62歲的肌萎縮側索硬化癥（ALS，即漸凍癥）患者菲利普·奧基夫用“意念”在社交媒體上發佈一條簡短的消息：“你好，世界（Hello World）”。
植入奧基夫大腦的是腦機接口公司Synchron的設備，它以無線方式讀取腦電波，轉換為文字。治療疾病、心靈感應、意念操控，腦機接口的想象空間正變得越來越大。
入選2022年“上海科技青年35人引領計劃”的復旦大學光電研究院青年研究員宋恩名今年34歲，從事的正是腦機接口工作。他的研究面向腦機接口應用的柔性電子系統，是最直接和腦組織相接觸的領域。
近日在接受澎湃新聞專訪時，宋恩名講述腦機接口的過去與未來、對治療信號失調的腦疾病病癥的價值、植入式柔性電子的創新研究，以及國內腦機接口的發展土壤。
他表示，侵入式腦機接口是未來趨勢，植入式器件可以直接得到最原始、最清晰的腦電信號。當然，腦機接口更大的挑戰在於安全性、穩定性和可拉伸性。大腦是人體的核心器官，漏電流等對人體尤其是大腦內部的傷害較大；除此之外，穩定且長期的信號采集和可隨器官同步運動的拉伸不滑移能力也是對於腦機接口器件的追求。植入式器件隻有保證安全性、穩定性和可拉伸性，腦機接口技術未來才會飛速發展。宋恩名表示，腦機接口現階段主要應用是治療信號失調的腦疾病病癥，比如癲癇病、帕金森癥；在不久的將來，未來腦機接口或許可以實現大腦意識傳感，比如操縱無人駕駛等。
腦機接口的兩種模式
腦機接口是大腦和外部設備之間的信息通路，是大腦和外部設備間搭建的橋梁。它繞開外周神經，在大腦與外部設備間建立直接連接以進行信息交換。
上世紀70年代，美國加州大學洛杉磯分校的雅克·維達爾（Jacques Vidal）教授首次在科學文獻中提出“腦機接口”這一專業術語，並提出一個關鍵問題：能否將可觀測的腦電信號用作人機通信中的信息載體，或是控制假肢、宇宙飛船之類的外部設備。1977年，他通過提取視覺誘發電位，完成以腦電控制屏幕上光標樣物體，這是腦機接口最早的實驗室實現形式。進入21世紀，腦機接口研究規模日益擴大。尤其是2019年以來，馬斯克的腦機接口公司Neuralink屢次掀起輿論熱潮，腦機接口被大眾熟知。
腦機接口主要有侵入式和非侵入式，侵入式采用神經外科手術方法將采集電極植入大腦皮層、硬腦膜外或硬腦膜下。非侵入式腦機接口是通過附著在頭皮上的穿戴設備測量大腦電活動，它朝著小型便攜、可穿戴等方向發展。
宋恩名認為，侵入式腦機接口是未來趨勢。“人腦的顱骨實際上是一個非常好的屏蔽箱，它把很多有用的信號屏蔽掉，如果我們隻是用可穿戴的頭盔，信號的質量也就是信噪比會比較低，要外接放大器，進一步改良信號，這會限制腦機接口的應用。”
這也是大力發展腦機接口植入式器件的原因，植入式器件可以直接得到最原始、最清晰的腦電信號，“我們希望通過微創或開顱手術，把我們的器件植入進去。”
復旦大學光電研究院青年研究員宋恩名
當然，腦機接口更大的挑戰在於器件的安全性、穩定性和可拉伸性。宋恩名表示，皮膚可穿戴電子器件的產業化應用已非常普遍，但植入式器件和貼膚式器件的安全考量不同，大腦是人體的核心器官，漏電流等對人體尤其是大腦內部的傷害較大。除此之外，制備出不易滑移且可與大腦緊密貼合並隨之同步運動的柔性器件也是重中之重。植入式器件隻有攻克上述挑戰，腦機接口技術未來才會飛速發展。
腦機接口的未來想象空間
腦機接口的原理基礎是神經科學。大腦中樞神經元膜電位的變化會產生峰電位或動作電位，神經細胞突觸間的化學物質傳遞也會使突觸後膜產生電信號變化，腦機接口技術正是通過采集這些不同位置的腦功能區與不同深度的電信號，通過預處理、特征提取和模式識別，實現對大腦活動狀態或意圖的解碼，並可以把大腦活動狀態、解碼結果、與外界通信或控制結果反饋給用戶，進而調節其大腦活動以獲得更好的性能。
宋恩名表示，腦機接口對治療信號失調的腦疾病病癥有參考應用價值，比如癲癇病、帕金森癥。腦電信號的采集對應的是診斷，癲癇發病急促，未來通過腦機接口提取腦電信號，可以全天候或長時間診斷癲癇患者。“我們捕捉到一個信號，就可以提出一個提示，再進行外部治療。”
除診斷，還有反饋。比如抑鬱癥患者存在腦電活動的異常區域，“如果我們外部直接給它一個興奮性的電流，或者反向輸出給大腦一個信號，改變神經活動，就可以幫助患者治療抑鬱癥。”
例如浙江大學醫學院附屬第二醫院研發閉環神經刺激器，應對癲癇病癥。植入這種腦機接口裝置可實時監測患者大腦活動情況，並自動識別癲癇等疾病的特征性腦電譜，在疾病發作前或剛一發生即產生“報警”，同時自動激活脈沖發生器給予精準電刺激，對癲癇等疾病的異常腦電產生抑制效果。
除此之外，國外已有研究團隊通過“意念書寫”腦機接口，可實現讓受試者將腦中想象的“筆跡”轉為屏幕文本，準確率超99%，受試者可達到每分鐘輸入90個字符的速度。
腦機接口未來還有哪些想象空間？宋恩名大膽預測，未來腦機接口或許可以實現人與人之間的心靈感應，人腦意識甚至可以操縱無人駕駛等。
植入式柔性電子的原創性研究
宋恩名所從事的領域涉及腦電信號采集，研究面向腦機接口應用的柔性電子系統，是最直接和腦組織相接觸的領域，其主要工作是圍繞半導體納米薄膜器件的全腦尺寸腦電電極陣列展開。
近年來，植入式新器件的研究突破促使神經科學工程快速發展。宋恩名表示，植入式柔性電子系統的創新對於現有的腦機接口技術革新至關重要。
傳統腦機接口技術通常依賴較厚的剛性植入式腦電電極，比如上世紀90年代美國猶他大學研發的植入式腦探針，基底上排列著100根信號探針，該系統力學性能上與柔軟腦組織相互不能匹配，更為重要的是它不具備腦電信號放大功能。
基於這些技術局限，宋恩名團隊在面向腦機接口應用的植入式柔性電子研究做出一系列原創性工作。首先，針對目前的腦機接口技術剛性結構與信號采集面積、分辨率不足的局限，宋恩名團隊創新基於半導體薄膜的電極陣列的柔性轉移技術，建立基於數以萬計遍佈全腦維度的皮層腦電前放電極陣列。
針對植入式柔性電子因封裝問題而在腦內工作不穩定的封裝難點，他們開發以熱氧化二氧化矽的納米材料層為封裝層的技術，獲得封裝性能穩定、可長達數年實現皮層腦電采集的植入器件。針對傳統金屬電極在功能性與穩定性方面長期存在的問題，團隊提出具有生物兼容性的重摻矽薄膜陣列電極的腦電信號采集系統，實現信號穩定采集，可信號調控，進行腦部電信號刺激。
“Neuralink使用無源的金屬電極，換句話說，它直接用導體接觸腦組織，這也是目前國內外大部分課題研究組在從事的。”而宋恩名的研究成果用到大量半導體技術，他表示，這一系列成果已證實，他們制備的系統可實時監測動物腦電信號乃至數年，相關成果對診斷治療神經功能疾病有重要參考意義。
導體的功能主要是直接記錄腦電信號活動，但半導體的集成電路具備放大器功能，可提純和放大信號，拉大信噪比，這也是半導體在腦機接口領域具備的最顯著優勢。此外，Neuralink設備連接豬腦的1024個電極仍然是一對一連接，“因為導體的連接方式就是一個電極對應一條引線，1024個電極就需要1024條引線。如果使用CMOS（互補金屬氧化物半導體）集成技術，可以采用陣列模式，多路復用的傳感模式可以大量節省引線。”
宋恩名介紹，1000個電極采用CMOS技術隻需要92條引線就可以做到點對點的操作。植入式器件存在一定的感染或排異反應，而共用引線的優勢是，當引線數量減少，植入設備的安全性增強。當然也存在缺點，如果一條引線失效，會導致一排或一列電極同時失效。導體與半導體材料在腦機接口中的應用各有利弊，如果兩者共同進步，取其精華是未來趨勢所在。
看好國內腦機接口的發展土壤
宋恩名真正進入腦機接口領域是博士後階段。本科和博士階段從事半導體材料研究，這為他研發半導體集成的腦機接口技術打下基礎。
他出生在別人口中的“書香門第”之傢，父母分別是復旦大學和上海海洋大學的教授。孩童時期傢教嚴格，但也在潛移默化中影響他的學習習慣和思考辯證模式，最終走上科研之路。
從小學習成績名列前茅，從復旦二附中的初中考入上海本地名校“復旦附中”。高考結束後，他報考復旦大學材料物理專業，本科、博士都在復旦大學度過。材料組成器件，器件構成集成系統，集成系統最終面向應用，這條邏輯鏈也往前推動著宋恩名的求學之路。
博士期間，宋恩名被美國四院院士John A. Rogers教授看中，獲得聯合培養博士生機會，2015年出國留學，在美國伊利諾伊大學厄班納-香檳分校（UIUC）攻讀博士。兩年後，跟著導師轉到美國西北大學工作開啟腦機接口應用的博士後研究。
每天早上6時出門，晚上11時回傢，這樣的日子幾乎持續在美國留學的五年。對於他的兩個孩子而言，宋恩名是個“消失的爸爸”。“現在想起來覺得很苦，但是說出來大傢可能不信，我自己在那段時間裡卻並不覺得，是一種 ‘忘我’的狀態，甚至我承認，樂在其中。”
實驗室儀器難約，他隻約上感恩節早上5時30分。起個大早趕去UIUC實驗室，早上5時路過John A. Rogers的辦公室，他的導師早已坐在裡面，桌上的咖啡已經涼。那一幕震撼宋恩名，也影響他做研究和生活的習慣。
在美國留學的五年裡，宋恩名在面向腦機接口應用的柔性電子系統研究上取得進展，尤其是在動物皮層腦電傳感領域博士後出站後，宋恩名和傢人回國，他加入母校復旦大學光電研究院，組建實驗室，與國內外知名學者和課題組建立合作關系。
“我很看好國內腦機接口的發展土壤，尤其是國內對年輕人的培植力度非常大，像上海科技青年35人引領計劃，都是國傢對青年科學傢、青年人才的扶持。”宋恩名說。
在他看來，腦機接口這一前沿領域，國內外差距不大，“國內的類腦計算，尤其是大數據庫在國際上已經取得非常前沿的位置，包括我從事的腦機接口硬件制造，我也相信國內的環境會給我很大的支持，事實證明也是如此。”除植入式器件，腦機接口研究還需要芯片集成、編碼解讀、類腦計算大數據庫的建立、大量神經外科醫生的輔助。宋恩名表示，腦機接口研究就像一個大熔爐，醫工交叉是大趨勢。國傢也在鼓勵交叉學科，國內醫工交叉項目越來越多，而創新正是需要不同領域的思想火花碰撞，這也是他選擇回到母校的原因之一。未來國際學術的整體發展趨勢是交叉學科共同進步。“腦機接口的發展需要大傢的合力，我希望看到眾人拾柴火焰高的最終景象，我們也在和一些醫院合作，神經外科的專傢可以把我們做的東西應用起來。”
（編者註：本文系澎湃科技與上海科技聯合推出的“正自廣闊：上海科技青年35人引領計劃追光報道”系列之一。敬請垂註更多後續報道。）
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