來源：新華日?qǐng)?bào)
想象一下，我們能把大腦這個(gè)宇宙中最復(fù)雜的“黑匣子”拆開，在顯微鏡下，以單個(gè)神經(jīng)細(xì)胞為精度，實(shí)時(shí)監(jiān)聽它們之間用“電信號(hào)”和“化學(xué)語言”進(jìn)行的“秘密對(duì)話”。這聽起來像是科幻電影里的情節(jié)，但中國(guó)科學(xué)家們卻將其一步步變成了現(xiàn)實(shí)。
近日，在第51屆日內(nèi)瓦國(guó)際發(fā)明展上，東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院、數(shù)字醫(yī)學(xué)工程全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉宏、趙超團(tuán)隊(duì)?wèi){借一款腦機(jī)接口芯片，從全球眾多尖端發(fā)明中脫穎而出，一舉斬獲大會(huì)發(fā)明金獎(jiǎng)。這款芯片究竟有多厲害？新華日?qǐng)?bào)·交匯點(diǎn)記者日前對(duì)獲獎(jiǎng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了專訪。
單細(xì)胞精度，打造“1080p”大腦觀測(cè)儀
“簡(jiǎn)單來說，它就像一個(gè)為腦科學(xué)研究量身定制的、分辨率極高的‘高速攝像機(jī)’。”實(shí)驗(yàn)室里，劉宏教授向記者展示了這款僅有小指甲蓋大小的芯片。7毫米×7毫米的芯片上，竟然集成了24576個(gè)超微電極，且每個(gè)電極的大小只有10微米，恰好和單個(gè)神經(jīng)元的尺寸相當(dāng)。“這意味著我們把觀測(cè)尺度拉到了單細(xì)胞級(jí)別，芯片上的每個(gè)電極，就像一個(gè)微型的‘監(jiān)聽器’，可以獨(dú)立捕捉到它上方那個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的動(dòng)作電位和化學(xué)信號(hào)，時(shí)間精度可以達(dá)到毫秒級(jí)。”
以前科學(xué)家們研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，好比在看一部模糊的老電視，只能看到大概的輪廓；而這塊芯片提供的，是一幅細(xì)節(jié)驚人、信息量巨大的“1080p高清畫面”。團(tuán)隊(duì)里負(fù)責(zé)芯片設(shè)計(jì)的趙超教授打了一個(gè)生動(dòng)比方：“它讓你看到的不再是整條馬路的車流，而是能追蹤到每一輛車在每一個(gè)路口的軌跡，從而真正理解一個(gè)復(fù)雜的城市交通網(wǎng)絡(luò)是如何運(yùn)行的。”
這項(xiàng)技術(shù)被稱為“片上腦機(jī)接口”，它并非直接植入人腦，而是一個(gè)強(qiáng)大的體外研究平臺(tái)。研究人員可以將培養(yǎng)的腦類器官（由干細(xì)胞分化而來的微型大腦）、心臟或視網(wǎng)膜組織等放在芯片上，以前所未有的精度觀察神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如何發(fā)育和工作。
“雙模態(tài)”記錄，性能反超國(guó)際巨頭
這項(xiàng)突破的背后，還有一個(gè)關(guān)于“不服氣”和“堅(jiān)持”的故事。
劉宏透露，目前國(guó)際上類似的高端科研設(shè)備，主要由瑞士、美國(guó)等國(guó)家的少數(shù)幾家公司壟斷，一套儀器的價(jià)格動(dòng)輒百萬人民幣，而且芯片本身作為耗材，極易損壞。“當(dāng)時(shí)我們就想，為什么我們自己不能做一個(gè)？而且要比他們做得更好、更便宜！”
這一做，就是5年。“研發(fā)過程中，我們整個(gè)團(tuán)隊(duì)的壓力都是極大的。”趙超回憶，“光是去臺(tái)積電流片（即芯片生產(chǎn)）一次就要100萬元，這對(duì)我們課題組來說是筆‘巨款’，因此必須一次成功。”
然而，更大的挑戰(zhàn)還在后面。臺(tái)積電生產(chǎn)的是標(biāo)準(zhǔn)芯片，出廠時(shí)都已封裝完好，但為了能“接收”生物信號(hào)，他們必須讓芯片“敞開”自己。“為此，我們要在芯片上額外增加一道微加工工藝，把它從一輛‘標(biāo)準(zhǔn)車’，改裝成‘敞篷賽車’。”主要負(fù)責(zé)這項(xiàng)核心研發(fā)任務(wù)的博士生徐靜怡坦言，光是這一步，團(tuán)隊(duì)就耗費(fèi)了整整10個(gè)月。“那10個(gè)月里，我們反復(fù)嘗試了上百次工藝參數(shù)，有時(shí)候覺得快成功了，測(cè)出來又不行。但每次發(fā)現(xiàn)問題，反而更踏實(shí)——因?yàn)殡x答案又近了一步。”
功夫不負(fù)有心人。最終，團(tuán)隊(duì)不僅成功做出了芯片，還實(shí)現(xiàn)了“彎道超車”。劉宏介紹：“實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，我們的芯片性能完全不輸國(guó)外同類主流產(chǎn)品，而且成本至少能降到他們的一半以下。更重要的是，我們還實(shí)現(xiàn)了‘雙模態(tài)’記錄。”
目前主流的國(guó)外芯片大多只能記錄電生理信號(hào)（即物理信號(hào)），但人類大腦的工作機(jī)制遠(yuǎn)比電路復(fù)雜，大量信息傳遞是靠多巴胺、血清素這些神經(jīng)遞質(zhì)（即化學(xué)信號(hào)）完成的。劉宏告訴記者：“我們的這款芯片可以同時(shí)捕捉這兩種信號(hào)，這對(duì)理解大腦的機(jī)理，研究阿爾茨海默病等神經(jīng)疾病至關(guān)重要。”
目前，這塊“中國(guó)芯”已經(jīng)提供給國(guó)內(nèi)十幾家頂尖高校和醫(yī)院試用，反饋良好。團(tuán)隊(duì)透露，下一步計(jì)劃將整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)一步集成化、模塊化，讓這款腦機(jī)接口芯片能更便捷、高效地服務(wù)于一線科研工作。
“目前這款芯片所配套使用的分析儀器還較為初級(jí)，但考慮到實(shí)驗(yàn)過程中，細(xì)胞組織需要維持活性，我們計(jì)劃在儀器上加裝活性維持裝置，使之能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，滿足長(zhǎng)期觀測(cè)的需求。”趙超說。
《腦機(jī)接口技術(shù)及市場(chǎng)-2025版》
