作为脑机接口关键器件,植入电极决定着脑电信号采集的数量和质量,是保障脑机接口综合性能的前提。
近日,由信通院发布的《脑机接口总体愿景与关键技术研究报告》中指出,植入到大脑中的微电极可以提高空间分辨率和时间分辨率的方式,精确记录电极附近单个神经元的动作电位,从而实时监测大脑活动。
随着微纳加工技术和电极材料不断发展,微电极趋向于柔性、小型化、高通量和集成化发展,形成了以微丝电极、硅基电极和柔性电极为主的多元化发展局面。报告明确表示高性能柔性电极因其具有高生物相容性,有利于缓解免疫反应,提高信号质量,对实现大脑活动长期稳定的慢性记录具有重要意义。
高通量、低创伤、长期在体是侵入式脑机接口电极需要突破的三大技术
对比传统的刚性电极,柔性电极在脑机接口电极中技术创新,更是业内对未来电极形态的研判关键点,脑虎科技作为目前国内脑科学代表企业,是一家聚焦高密度柔性脑电极的研发商,针对脑科学研究和脑疾病诊断的重大需求,开发相关脑机接口关键器件、电路、算法及集成微系统。
在今年9月的世界人工智能大会现场,脑虎科技陆续发布了最新的技术成果,并公开表示,目前公司的研发主要攻克三个领域,一是大规模集成电路制造技术;二是通过蚕丝蛋白生物材料,调控力学性能,让其自溶解,避开在脑上开大孔;三是往超薄材料发展,从毫米级向微米级发展,比传统的医疗器械薄一千倍,让电极在体内的占比和造成的创伤尽可能小。
由于传统刚性电极在植入过程中容易造成脑损伤,不易黏附细胞等人体结构,又因电极材料本身的化学惰性容易发生慢性免疫反应,导致的瘢痕组织和胶质增生包裹在电极表面,从而影响导电性能。实验证明,传统电极材料在大脑微环境下,容易发生腐蚀,不仅会影响电极寿命,甚至会释放有毒金属离子。
电极本身的作用是与电解质溶液进行电子交换,是电池的重要组成部分。随着全球电子产业技术不断进步,柔性屏移动终端、可穿戴智能设备、可植入电子医疗器械、软体机器人等柔性电子产品种类不断增多,应用领域不断拓宽,带动市场对柔性电极的需求不断上升。与普通电极相比,柔性电极需要具备高贴合性、可卷绕性、体积小、比容量高、循环寿命长等特性,技术壁垒高。因此,纳米材料、碳基材料、天然高分子等柔性物质因其多方面的优势成为电极的最佳候选材料。
脑虎科技柔性电极:最大限度地利用大脑,同时最低限度地损伤大脑
通过使用柔性电极技术,不仅能让神外手术的操作更加精准精确,还能作为脑机接口的核心技术。脑虎科技CEO彭雷曾公开表示,“能够长期稳定、高通量记录大脑神经细胞电活动的微电极阵列,是脑科学基础研究和包括脑机接口在内的临床诊疗技术的重要工具。其中高通量、低创伤、长期在体是脑虎BCI产品主打的三个亮点。”
目前脑虎科技的核心挑战是怎样最大限度地利用大脑,同时最低限度地损伤大脑。“越深入大脑,调节的信号越好,但是要做得更好,则需要做开颅手术,损伤大,这是做开发和应用时需要思考的问题。”脑虎科技首席科学家陶虎博士说。
当谈及柔性电极植入技术的细节,陶虎表示,“目前团队是以光刻技术做脑机接口,这样在很小的空间里可以集成很多的通道,在多脑区探索大脑。脑虎科技在做大脑的植入时,在柔性电极外包一层蚕丝蛋白,把柔性电极的硬度控制在比较硬的血管和脑组织之间,碰到较硬组织滑过去,如果没有碰到就滑入较软的血管。Neuralink的开口超过2厘米,脑虎目前的开口小于0.5毫米,稍大于抽血针头(0.4毫米),而且是盲插,可以做到遇到血管时不会插破,而是滑过。”
脑科学与人工智能的交叉融合发展为机器智能与人类智慧的融合提供了无限可能,脑机接口技术在医疗场景中的应用始终需要科学家与企业家们的不断创新。专注于脑机接口技术的美国神经连接公司Neuralink,也在不久前举办了新技术展示发布会,并称计划在6个月内对公司研发的脑机芯片启动人体临床试验,若能获得成功,也将是脑机接口行业的重大突破。
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