通過(guò)腦機(jī)接口,，用意念直接控制機(jī)器,、實(shí)現(xiàn)交互，在科幻電影里很常見,。但現(xiàn)實(shí)中,，電光火石間，大腦上百億個(gè)神經(jīng)元傳導(dǎo)的信號(hào),，如何采集,、解析，都是科學(xué)家們正在攻關(guān)的難題,。

　　基于在神經(jīng)界面領(lǐng)域的積累,，「階梯醫(yī)療」（全稱：上海階梯醫(yī)療科技有限公司）于2021年8月成立。據(jù)悉,，其創(chuàng)始人趙鄭拓系90后,，博士畢業(yè)于德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)一知名科研機(jī)構(gòu)任博士生導(dǎo)師。

　　階梯醫(yī)療聚焦植入式腦機(jī)接口系統(tǒng)的開發(fā),，自主研發(fā)包括無(wú)線腦電記錄系統(tǒng),、刺激系統(tǒng)、手術(shù)植入機(jī)器人等醫(yī)療產(chǎn)品,，以解決各類原因?qū)е碌倪\(yùn)動(dòng)功能障礙,、重度難治性神經(jīng)與精神類疾病等臨床難點(diǎn)。目前,，由趙鄭拓博士帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)已啟動(dòng)柔性電極術(shù)外埋植安全性,、有效性的臨床試驗(yàn)。

　　除了臨床療法的開發(fā),，階梯醫(yī)療將推出的多系統(tǒng)適配電極板,，搭載了超柔性微納電極；產(chǎn)品擬于今年上市商業(yè)化,，主要面向神經(jīng)科學(xué)/腦科學(xué)研究團(tuán)隊(duì),、醫(yī)院臨床科研、腦機(jī)接口相關(guān)應(yīng)用廠商等,?！盀榱藰?gòu)建中國(guó)植入式腦機(jī)接口的科研生態(tài)，我們希望超柔性電極技術(shù)先應(yīng)用起來(lái),，支持研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)更具應(yīng)用價(jià)值的腦機(jī)接口產(chǎn)品，”趙鄭拓在接受36氪專訪時(shí)表示,。

　　植入大腦中的超柔性微納電極

　　“腦機(jī)接口,，是有望打開人類和機(jī)器的接口，能夠讓人腦和機(jī)器直接進(jìn)行交互,，”趙鄭拓將直接與大腦接觸的神經(jīng)界面（又稱神經(jīng)電極）,，比喻為腦機(jī)接口中的前哨，也是該領(lǐng)域的卡脖子技術(shù),。神經(jīng)電極的研發(fā),，要平衡解決植入尺寸、生物相容性,、信號(hào)通道帶寬,、記錄與刺激穩(wěn)定等一系列問(wèn)題。

　　為采集大腦神經(jīng)元的信號(hào),，一種方法是在大腦中植入電極,。早年電極以金屬、硅基等硬質(zhì)材料為主,，但大腦組織柔性很高,；將電極植入大腦，就像“把針插入一盒豆腐”，一旦人體運(yùn)動(dòng)起來(lái),，必然會(huì)產(chǎn)生明顯的排異反應(yīng),，使得最終電極被瘢痕包覆，導(dǎo)致記錄損失,。

　　因此,，科學(xué)家們?cè)缭谑畮啄昵熬吞岢隽恕叭嵝噪姌O”的概念。將電極材料換成柔性比較高的高分子聚合物后,，表現(xiàn)確實(shí)優(yōu)于之前的金屬,、硅基電極，但常規(guī)柔性電極的楊氏模量仍然遠(yuǎn)高于腦組織,，且存在尺寸過(guò)大的問(wèn)題,，植入后會(huì)存在短期或長(zhǎng)期的免疫反應(yīng)，導(dǎo)致電極記錄和刺激的不穩(wěn)定,。

　　但是,，現(xiàn)有神經(jīng)電極的通量和尺寸之間是聯(lián)動(dòng)關(guān)系，通量低時(shí),，能記錄的神經(jīng)信號(hào)規(guī)模有限,，表征大腦真實(shí)活動(dòng)和意圖的信息量就有限；而提高通量帶寬,，難免要排布更多電極,，導(dǎo)致神經(jīng)界面組織占比的增大。

　　為了破解這一難題,，趙鄭拓團(tuán)隊(duì)采用超柔性電極設(shè)計(jì)方案：在材料本身柔性很難進(jìn)一步降低的情況下,，通過(guò)降低電極厚度，來(lái)降低彎曲應(yīng)力?，F(xiàn)在階梯醫(yī)療超柔性電極的彎曲應(yīng)力,，達(dá)到了細(xì)胞和細(xì)胞間作用力的量級(jí)，使細(xì)胞難以“感知”周圍神經(jīng)電極的存在,，從而形成沒有免疫瘢痕的神經(jīng)電極界面,，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的記錄和刺激。

　　具體而言,，一方面,，是通過(guò)先進(jìn)的微納加工工藝，將電極做到細(xì)胞尺寸,，即一根頭發(fā)絲的1/300—1/200,。“這樣的超柔性電極植入大腦后,，侵入性是微乎其微的,。我有一個(gè)demo是在1立方毫米的體積內(nèi),，排布了近60個(gè)電極絲，有上千個(gè)信號(hào)采集通道,。但評(píng)估它的侵入性,，排開組織的體積，只有0.1%,，對(duì)腦組織影響很小,，”趙鄭拓解釋道。

　　除了電極尺寸降低帶來(lái)的柔性,，還需要強(qiáng)大的后端電子系統(tǒng),，放大微弱的神經(jīng)信號(hào)，把高帶寬的信息實(shí)時(shí)傳輸出去,。神經(jīng)元信號(hào)的發(fā)放速度非?？欤耙粋€(gè)神經(jīng)元的發(fā)放是2毫秒,，要很好地描繪2毫秒的波形信息,，需要40個(gè)采樣點(diǎn)；這意味著采樣率很高,，也意味著單個(gè)通道采集的信息量非常大,，因此也需要在后端發(fā)力，從應(yīng)用角度,，將超柔性電極的帶寬提高到一個(gè)高水平,，以更多、更實(shí)時(shí)地從大腦中采集有效信息,，并實(shí)現(xiàn)精細(xì)化,、高維度信息的解碼和應(yīng)用?！?/p>

　　據(jù)趙鄭拓介紹，基于高通量超柔性微納電極,，其最新的工作中已實(shí)現(xiàn)最高2304通道信號(hào)記錄的無(wú)免疫瘢痕植入,，空間采樣密度達(dá)1024通道/立方毫米，埋植超過(guò)300天以上,，仍能穩(wěn)定采集腦電波信號(hào),。

　　腦機(jī)接口的“倒金字塔模型”

　　在國(guó)際上，馬斯克團(tuán)隊(duì)發(fā)起的侵入式腦機(jī)接口公司Neuralink,，發(fā)展一直備受關(guān)注,。那么與Neuralink相比，階梯醫(yī)療的技術(shù)能力和應(yīng)用進(jìn)程是怎樣的,？為了清晰解答這一問(wèn)題,，趙鄭拓博士分享了腦機(jī)接口領(lǐng)域的“倒金字塔模型”。

　　整個(gè)腦機(jī)接口領(lǐng)域，可類比為“倒金字塔模型”,，腦機(jī)接口最底層,、待突破的技術(shù)瓶頸就是大腦和電極直接接觸的神經(jīng)界面。神經(jīng)界面做得越好,，就相當(dāng)于是植物的根立得越穩(wěn),，所以神經(jīng)界面是腦機(jī)接口“倒金字塔”的基底。

　　當(dāng)然,，只有神經(jīng)界面肯定遠(yuǎn)遠(yuǎn)是不夠的,，完善了底端后，金字塔的中間層是全系統(tǒng)開發(fā),。全系統(tǒng)開發(fā)是腦機(jī)接口技術(shù)和應(yīng)用的“加速器”,，也是必經(jīng)之路。

　　倒金字塔模型的頂端,，則是神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域?qū)δX機(jī)接口,、對(duì)腦的理解，這也決定著現(xiàn)階段腦機(jī)接口技術(shù)的天花板,。

　　“具體來(lái)看,，Neuralink底層的神經(jīng)電極技術(shù)，尺寸是我們的5-7倍,。尺寸降低,，柔性程度會(huì)以三次方的關(guān)系去提高，也就是說(shuō),，尺寸減小1倍,，柔性會(huì)提高2的三次方，即8倍,。這一關(guān)鍵點(diǎn),，相應(yīng)會(huì)帶來(lái)穩(wěn)定性、生物相容性,、安全性的提高,，”趙鄭拓博士介紹。

　　同時(shí),，他表示,，在腦機(jī)接口的“集成和系統(tǒng)”中間層，Neuralink更早開啟研發(fā),，且匯聚了全球頂尖的工程和科學(xué)團(tuán)隊(duì),。目前來(lái)看，Neuralink系統(tǒng)樣機(jī)完成度更好,，對(duì)比下來(lái),，“我們?cè)陔姌O層面有一定的優(yōu)勢(shì),，但在系統(tǒng)集成方面，存在一定差距,?！?/p>

　　在采訪中，階梯醫(yī)療反饋：系統(tǒng)開發(fā)的差距,，需要集成現(xiàn)有工業(yè)界的多個(gè)解決方案,，技術(shù)層面并不存在顯著的瓶頸。但開發(fā)過(guò)程中,，往往需要微電子,、材料、自動(dòng)化等多專業(yè)人才,，把其它領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)嫁接起來(lái),，在腦機(jī)接口場(chǎng)景下進(jìn)行集成，令底層神經(jīng)界面的優(yōu)勢(shì),，在應(yīng)用中能夠充分發(fā)揮,。

　　例如，消費(fèi)電子行業(yè)先進(jìn)的封裝技術(shù),、小型化集成電路工藝,，拿到醫(yī)療器械場(chǎng)景，可以令產(chǎn)品形態(tài)尺寸更小,、功耗更低,、長(zhǎng)期使用性能更優(yōu)?！白鲋虚g系統(tǒng),，最重要的不是系統(tǒng)本身，關(guān)鍵還是對(duì)腦機(jī)接口本身的認(rèn)知,。我們很早就涉足腦機(jī)接口,，從0到1做了很多探索，除了柔性電極,，還包括動(dòng)物模型開發(fā)等深入的科研,。”

　　在趙鄭拓看來(lái),，腦機(jī)接口是類似于安卓開發(fā)者平臺(tái)、Windows系統(tǒng)的平臺(tái)型技術(shù),，基于技術(shù)平臺(tái)和底層生態(tài),，能夠讓不同科研團(tuán)隊(duì)、臨床研究機(jī)構(gòu)應(yīng)用植入式腦機(jī)接口的工具,，逐步建立底層生態(tài),。

　　醫(yī)療應(yīng)用場(chǎng)景及人才觀

　　具體到階梯醫(yī)療正在研發(fā)的醫(yī)療場(chǎng)景應(yīng)用,，主要包括：運(yùn)動(dòng)障礙修復(fù)，針對(duì)中風(fēng),、癱瘓,、漸凍癥人群，通過(guò)腦機(jī)接口,，讓重度殘疾人士能夠感知外部信息世界,；通過(guò)控制外界機(jī)械設(shè)備，實(shí)現(xiàn)和物理世界的重新連接,。

　　另外,，通過(guò)精細(xì)深腦刺激，精細(xì)調(diào)控大腦的不同神經(jīng)元或核團(tuán),，進(jìn)而輔助神經(jīng)及精神類疾病的狀態(tài)調(diào)控,，面向如帕金森、重度或難治性抑郁癥,、強(qiáng)迫癥,、毒品成癮人群等。階梯醫(yī)療也將針對(duì)這些適應(yīng)癥,，申請(qǐng)相應(yīng)的三類植入式醫(yī)療器械,。

　　目前，階梯醫(yī)療處于產(chǎn)品開發(fā)階段,，團(tuán)隊(duì)主要由研發(fā),、運(yùn)營(yíng)兩部分構(gòu)成，其中研發(fā)部門根據(jù)產(chǎn)品和需求配置人才,，又包括機(jī)器人研發(fā)部,、一體化系統(tǒng)研發(fā)部。

　　作為研究這一領(lǐng)域的PI,，趙鄭拓表示,，腦機(jī)接口是多學(xué)科交叉的系統(tǒng)性工程，需要多方面的人才,。比如在植入手術(shù)機(jī)器人方面,，需要自動(dòng)化、醫(yī)療機(jī)器人,、嵌入式系統(tǒng)控制方面的人才,；一體化神經(jīng)信號(hào)采集與調(diào)控系統(tǒng)，則需要具備半導(dǎo)體高精密工藝,、消費(fèi)電子,、模擬混合集成電路設(shè)計(jì)、三類醫(yī)療器械研發(fā)技術(shù)的人才,；除了研發(fā)端,，在注冊(cè)上市,、臨床市場(chǎng)的把控上，也需要有經(jīng)驗(yàn)的團(tuán)隊(duì),。

　　“我最初成立研究組時(shí),，第一批同學(xué)是很早就對(duì)腦機(jī)接口抱有熱情，尋找平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)這件事,。因此階梯在創(chuàng)辦之初就著力于給對(duì)腦機(jī)接口事業(yè)有熱情有追求的人創(chuàng)建一個(gè)能夠施展的平臺(tái),，聚攏不同技術(shù)背景的人才，共同把這件事做得離轉(zhuǎn)化,、離真實(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景更進(jìn)一步,。”

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