脑机接口迎来新进展:一千个新材料电极直接植入大脑,可使用数十年

林志佳

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· 4月9日

美国杜克大学、西北大学和纽约大学的科研团队,利用不到一微米厚的二氧化硅电极层,组成1008个电极传感器的“神经矩阵”(Neural Matrix),形成柔性神经接口,植入到大脑皮层上,实现机器与人体大脑长期、直接的交互。

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脑机接口迎来新进展:一千个新材料电极直接植入大脑,可使用数十年

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脑机接口

钛媒体4月9日消息,美国杜克大学、西北大学和纽约大学的科研团队,利用不到一微米厚的二氧化硅电极层,组成1008个电极传感器的“神经矩阵”(Neural Matrix),形成柔性神经接口,植入到大脑皮层上,实现机器与人体大脑长期、直接的交互。据悉,这一科研成果于今晨登上世界医学期刊,科学杂志子刊《科学转化医学》(Science Translational Medicine)上。

本论文第一作者,杜克大学生物医学工程学的蒋佳翰(Ken Chiang)博士告诉钛媒体,这一研究成果表明,将电子设备植入体内已成为现实。相比于之前其他的脑机接口(brain-computer interface,BCI)实验,该研究的突破在于,使用了一种新的材料以及感应方式,让设备可在动物体内存在几年以上。

该论文通讯作者,西北大学材料科学与工程学院主任约翰·罗杰斯(John A Rogers)通过邮件方式对钛媒体表示,这一研究的意义在于建立了大脑可扩展的途径,并实现了电子与大脑的微创集成。设备可运行数十年,接近人类的生命。

大脑是一个很复杂的器官,如果通过CT影像拍摄,只能看到脑内的一处,或是模糊不清地观察到脑内静态情况,人类对于脑部的了解都是片面的。

而脑机接口的重要性在于,其可在人或动物脑(或者脑细胞的培养物)与外部设备间建立起直接通路。一方面,脑机设备可以将大脑信号转化为机器可识别的信号,实现对机器的有效控制;另一方面也可以接收来自机器的反馈,从外部实现对大脑的干预。

时间回溯到去年7月,特斯拉CEO埃隆.马斯克(Elon Musk)宣布旗下神经科学初创企业Neuralink研发“脑机神经织网”设备N1,将3000多个电极附着在柔韧丝状物上,或将实现大脑意念控制电脑,在此之后,脑机接口的研究推向了公众视野,并成为当下热点。

蒋佳翰告诉钛媒体,相比于之前Neuralink等机构的研究,本论文研究重点并不在于脑机接口是否可以与人脑进行联系,而是新的材料是否可以长时间地在大脑内部运作。这一点非常重要,新材料的启用将使得脑机接口可向人们完全使用的方向靠近。

当下的脑机植入设备都被密封在激光焊接的钛外壳内,产生类似沉积薄的聚合物,密密麻麻盘布在大脑皮层上,几乎没有空间性可言。但我们都知道,人脑的空间和灵活性至关重要,所以科研人员希望寻找具有与钛外壳相似的隔离材料,但新材料要更轻薄、更柔软,还能够自行分解,让脑机设备可以完整、长期保留下来。

经过研究与分析后,最终科研人员发现,二氧化硅是非常适合的电极材料,其小巧轻便,不仅可与大脑之间完美融合,而且二氧化硅具有生物相容性,因此材料可降解,速率也仅为0.46纳米。也就是说,二氧化硅溶解到大脑内部的微量物质都不会产生副作用问题。

科研人员利用这一电极,开发出一种新型的多重电极阵列,被称为“神经矩阵”,不会穿透脑组织,而是轻轻地停留在其大脑皮层上。神经矩阵中包含1008个电极传感器和高清晰的影像设备,电极用来连接大脑皮层进行反馈和检测,影像设备可让研究人员详细查看大脑活动情况。

一切准备就绪之后,科研人员开启了实验流程。他们在动物大脑区域的数千个位置进行采样,将“芯片”(晶体管)直接放置在每个采样位置,使用多路复用技术来扩展、增加感应密度和覆盖范围,实现了多达1000个通道的脑机接入。

目前,科研人员已完成数个老鼠和非人类灵长类动物(猴子)的实验,脑机设备持续反馈了一至两年以上,没有任何副作用,实验结果也非常不错。

约翰·罗杰斯预测,研制出的新型脑机接口设备可在大脑表面存留6年以上,不会产生负面情况,甚至,这一设备可达到数十年,在人类生命的尽头,脑机接口设备也能够持续运作下去。

约翰·罗杰斯对钛媒体表示,目前他们正在扩大“全脑”覆盖的范围,并将数量增加100倍以上,形成视觉假体,从而落地成产品。该研究距离商业落地还有几年的距离。

蒋佳翰说,团队希望将该技术分享给全球其他神经科学研究者,能够让人类更快地使用上脑机接口设备。

尽管该研究成果还未落地,但不可否认的是,若BCI商业化得以实现,无论是在医疗或是人工智能等高科领域,都将引发巨变。

随着全球老龄化的加快,人类易患有神经退行性疾病,加上虚拟VR游戏的普及率逐渐提高,在治疗瘫痪患者,神经系统疾病,睡眠障碍以及研究神经科学等使用场景下,BCI设备的作用也愈加凸显。

2019年,医疗终端占BCI市场最大份额,达到37.8%,其中又以北美地区份额最大,约占42.3%。有专家预计,未来BCI需求将大幅提升。
BCI市场规模

BCI市场规模

据联合市场研究公司(Allied Market Research)的数据显示,2020年BCI市场规模或将达到14.6亿美元;《报告与数据》(Report and Data)杂志则预测,到2026年,全球BCI市场规模有望达到26.7亿美元,复合年增长率为11.1%。

如果从脑机接口可影响到的应用领域来看,不论是医疗、教育还是消费,都将带来远超于十几亿美金的巨额市场空间,未来,BCI可在物联网、电子游戏等多方面的应用落地,这一市场前景非常广阔。

但与此同时,该技术的争议不断。去年10月,浙江金华的一所学校,让学生使用脑机接口头环,类似孙悟空“金箍”模样,引起广泛争议。也有人认为,BCI技术对人体存在伤害,也有人认为,这种技术可以颠覆大家对于人脑的理解。

从总体来看,由于技术和市场目前都还处在非常早期的阶段,产业规模尚不清晰,也没有相关法律可以遵循,市场存在一定的空白区域。

复旦大学附属华山医院副院长毛颖同样表示,未来在与人工智能的共生和融合过程中,如何确保研究方向符合人类利益是值得关注的层面,人工智能的发展会给人类大脑的发展插上翅膀,在这一发展过程中也要密切关注其可能产生的风险并加以控制。(本文首发钛媒体,作者 | 林志佳,编辑 | 赵宇航)

本文系作者林志佳授权钛媒体发表,并经钛媒体编辑,转载请注明出处、作者和本文链接
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