超高密度无线脑机接口问世DeepTech深科技

过去十年，侵入式脑机接口几乎等同于往大脑里“扎针”。

这一次，研究人员设计了一种无线“读心”的方式：不再穿透脑组织，而是像贴邮票一样，把芯片贴在大脑表面。

近期，美国哥伦比亚大学与纽约长老会医院、斯坦福大学、宾夕法尼亚大学等团队合作，开发了一种新型植入式无线脑机接口设备——皮层生物电子接口系统（BISC，Biological Interface System to Cortex）。

该系统包括一个单芯片植入体、一个可穿戴式转发器以及操作系统所需的定制软件。系统的核心由 CMOS 芯片构成，厚度仅 50 微米，比一根头发丝还薄，并集成了 65,536 个微型电极、信号供电电路、无线收发器、数据转换和模拟电路等。

（来源：曾南宇）

它通过体外设备供电和传输数据，无需穿透脑组织、无需连接线缆。就像一张精密的神经电网格贴在大脑表面，通过时分复用方式持续记录 1,024 个通道，这是目前脑机接口领域中电极密度最高的设备之一。

值得关注的是，BISC 在体积效率（volumetric efficiency，即单位体积内可实现的有效电极与功能密度）方面是 Neuralink 植入体的 400 倍。该指标对脑机接口走向临床非常关键，这意味着 BISC 在极小侵入性的微创操作即可完成，不仅对患者的伤害更小，而且植入过程更简单。

图丨BISC 芯片（来源：曾南宇）

以 Neuralink 为例，它的植入体是一个体积较大的金属装置，因此手术时需要移除一部分头骨，并需要一个大型专用机器人配合完成植入（DeepTech 此前报道：马斯克脑机接口公司重大突破，1.5 秒快速植入电极，万人等待上脑）。

相比之下，BISC 的体积仅 3 立方毫米，手术时只需要在头骨（脑硬膜下）开一条细槽，就可将芯片滑入并像贴邮票那样将其贴附在大脑表面。神经外科医生经过短时间训练即可完成植入，且不需要昂贵的额外设备。与此同时，由于 BISC 非常薄，显著降低了异物排斥反应的风险。

另外，像 Neuralink 这类植入体的一部分结构固定在头骨上，但是大脑是柔软并会随运动产生移动的，长期来看极有可能导致电极与脑组织之间的相对移动。

该研究共同第一作者、哥伦比亚大学曾南宇博士对 DeepTech 表示：“由于 BISC 直接贴在大脑表面，会与大脑保持同步运动，产生相对位移的几率显著降低，这对真实世界的长期稳定性非常重要。”

图丨曾南宇（来源：曾南宇）

由于采用成熟的 CMOS 集成电路工艺，BISC 具备大规模量产潜力。据研究团队透露，其单片成本可控制在 25 美元以下。

“BISC 最大的价值是首次以足够高的空间分辨率，通过在皮层尺度实现接近连续的高密度采样，直接记录皮层活动在空间中展开和演化的过程，而不仅仅是离散神经元的集合。”曾南宇说。

从临床角度看，该研究可能改变治疗神经疾病的方式。很多神经性疾病，比如癫痫、失语和抑郁，本质上并不是某一个点“坏了”，而是整个网络的活动模式出了问题。更高分辨率的记录和刺激，为更精细、个体化调控提供了新的可能。

据了解，该技术已申请专利并授权美国初创公司 Kampto Neurotech，曾南宇担任该公司首席技术官。

用全功能单片集成芯片，应对百万神经元挑战

BISC 项目最早可追溯到美国时任总统奥巴马任期内启动的美国脑科学计划（BRAIN Initiative）。其中一个非常重要的组成部分是脑活动图谱计划，其终极目标是记录人脑内每个神经元的每一次放电活动。要实现这一目标，客观上需要极高密度的电极阵列，使得电极之间的间距匹配神经元之间的距离，大约在 10–20 微米量级。

在这一背景下，美国国防部高级研究计划局（DARPA），提出了颇具挑战性的目标：研发一种能够读取 100 万个神经元、写入 10 万个神经元，并能够同时调控其中 1,000 个神经元的脑机接口。

单片高度集成是这项研究的亮点之一。曾南宇指出，这种全功能单片集成的芯片在学术界很少见。要实现这样完整的系统，需要对多个集成电路子领域有深入的理解，并能够在系统层面选择合适的性能指标和电路架构。

BISC 的无线供电采取了磁耦合共振式无线电能传输，其原理与目前手机的无线充电方式相似，通过体外发送线圈与芯片上集成的接收线圈来传输能量。

不同之处在于，BISC 的发送和接收线圈都工作在 13.56MHz 的共振频率点，此时能量传输效率最高，更适合低功耗、较长间距的体内应用。13.56MHz 的无线供电信号同时用作芯片的参考时钟，由内部的锁相环生成 8 倍频率，即 108MHz。

图丨BISC 植入体与可穿戴式转发器（来源：Nature Electronics）

在无线数据传输方面，研究团队采用了定制的私有通信协议，并使用脉冲式超宽带（IR-UWB）调制方式进行无线传输。“这类无线收发具有非常高的能量效率，能够在小于 5 毫瓦的条件下，实现 108Mbps 的上传数据速率，相比 Neuralink 基于蓝牙的方案高出快 100 倍。”曾南宇表示。

考虑到电磁的兼容性，他们还在芯片上设计了超宽带单极子缝隙天线，并在体外收发端采用了专门设计的超宽带偶极子天线。供电线圈与通信天线在频段和结构上均经过协同优化，以确保两套无线系统在同时工作时互不干扰。

在发丝薄的芯片上，将电极密度推到极限

考虑到希望利用现有的微加工和光刻技术，直接在芯片表面制造出超高密度的电极阵列，研究团队选择从皮层表面电极技术路线切入。而且，表面电极在生物安全性和临床可行性上具有显著优势：电极不需要穿透脑组织，植入过程相较于穿透式电极简单得多，对大脑的损伤也明显更小。

从工程设计的角度来看，将皮层表面电图推向如此大规模的电极阵列，主要面临两个核心挑战。第一个挑战是，如何在极其有限的面积内实现低噪声信号采集。需要了解的是，集成电路设计中经典的难题是功耗、性能和面积之间的“不可能三角”。

在应用场景中，功耗和性能是被严格限定的。一方面不能让芯片产生过多热量以免损伤神经组织，另一方面噪声水平又必须足够低，才能可靠地记录目标神经信号。

为此，研究团队采用了主动传感、直接耦合、斩波放大的结构（direct-coupled chopping active-pixel sensor），这是在给定功耗和噪声条件下，面积效率最高的模拟前端架构之一。

图丨行为性非人灵长类动物运动皮层的 BISC 记录（来源：Nature Electronics）