階梯醫(yī)療開發(fā)植入大腦中的超柔性微納電極

通過腦機接口，用意念直接控制機器、實現(xiàn)交互，在科幻電影里很常見。但現(xiàn)實中，電光火石間，大腦上百億個神經(jīng)元傳導(dǎo)的信號，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)在國內(nèi)一知名科研機構(gòu)任博士生導(dǎo)師。

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

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)研究團隊、醫(yī)院臨床科研、腦機接口相關(guān)應(yīng)用廠商等?！盀榱藰?gòu)建中國植入式腦機接口的科研生態(tài)，我們希望超柔性電極技術(shù)先應(yīng)用起來，支持研究團隊開發(fā)更具應(yīng)用價值的腦機接口產(chǎn)品，”趙鄭拓在接受36氪專訪時表示。

植入大腦中的超柔性微納電極

“腦機接口，是有望打開人類和機器的接口，能夠讓人腦和機器直接進行交互，”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、信號通道帶寬、記錄與刺激穩(wěn)定等一系列問題。

為采集大腦神經(jīng)元的信號，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”，一旦人體運動起來，必然會產(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)家們早在十幾年前就提出了“柔性電極”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，且存在尺寸過大的問題，植入后會存在短期或長期的免疫反應(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)動關(guān)系，通量低時，能記錄的神經(jīng)信號規(guī)模有限，表征大腦真實活動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，趙鄭拓團隊采用超柔性電極設(shè)計方案：在材料本身柔性很難進一步降低的情況下，通過降低電極厚度，來降低彎曲應(yīng)力。現(xiàn)在階梯醫(yī)療超柔性電極的彎曲應(yīng)力，達到了細(xì)胞和細(xì)胞間作用力的量級，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，以實現(xiàn)穩(wěn)定的記錄和刺激。

具體而言，一方面，是通過先進的微納加工工藝，將電極做到細(xì)胞尺寸，即一根頭發(fā)絲的1/300—1/200?！斑@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demo是在1立方毫米的體積內(nèi)，排布了近60個電極絲，有上千個信號采集通道。但評估它的侵入性，排開組織的體積，只有0.1%，對腦組織影響很小，”趙鄭拓解釋道。

除了電極尺寸降低帶來的柔性，還需要強大的后端電子系統(tǒng)，放大微弱的神經(jīng)信號，把高帶寬的信息實時傳輸出去。神經(jīng)元信號的發(fā)放速度非?？欤耙粋€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個采樣點；這意味著采樣率很高，也意味著單個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高水平，以更多、更實時地從大腦中采集有效信息，并實現(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現(xiàn)最高2304通道信號記錄的無免疫瘢痕植入，空間采樣密度達1024通道/立方毫米，埋植超過300天以上，仍能穩(wěn)定采集腦電波信號。

腦機接口的“倒金字塔模型”

在國際上，馬斯克團隊發(fā)起的侵入式腦機接口公司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)用進程是怎樣的？為了清晰解答這一問題，趙鄭拓博士分享了腦機接口領(lǐng)域的“倒金字塔模型”。

整個腦機接口領(lǐng)域，可類比為“倒金字塔模型”，腦機接口最底層、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機接口、對腦的理解，這也決定著現(xiàn)階段腦機接口技術(shù)的天花板。

“具體來看，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，柔性程度會以三次方的關(guān)系去提高，也就是說，尺寸減小1倍，柔性會提高2的三次方，即8倍。這一關(guān)鍵點，相應(yīng)會帶來穩(wěn)定性、生物相容性、安全性的提高，”趙鄭拓博士介紹。

同時，他表示，在腦機接口的“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)團隊。目前來看，Neuralink系統(tǒng)樣機完成度更好，對比下來，“我們在電極層面有一定的優(yōu)勢，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)界的多個解決方案，技術(shù)層面并不存在顯著的瓶頸。但開發(fā)過程中，往往需要微電子、材料、自動化等多專業(yè)人才，把其它領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢嫁接起來，在腦機接口場景下進行集成，令底層神經(jīng)界面的優(yōu)勢，在應(yīng)用中能夠充分發(fā)揮。

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

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

醫(yī)療應(yīng)用場景及人才觀

具體到階梯醫(yī)療正在研發(fā)的醫(yī)療場景應(yīng)用，主要包括：運動障礙修復(fù)，針對中風(fēng)、癱瘓、漸凍癥人群，通過腦機接口，讓重度殘疾人士能夠感知外部信息世界；通過控制外界機械設(shè)備，實現(xiàn)和物理世界的重新連接。

另外，通過精細(xì)深腦刺激，精細(xì)調(diào)控大腦的不同神經(jīng)元或核團，進而輔助神經(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、強迫癥、毒品成癮人群等。階梯醫(yī)療也將針對這些適應(yīng)癥，申請相應(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，團隊主要由研發(fā)、運營兩部分構(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)機器人方面，需要自動化、醫(yī)療機器人、嵌入式系統(tǒng)控制方面的人才；一體化神經(jīng)信號采集與調(diào)控系統(tǒng)，則需要具備半導(dǎo)體高精密工藝、消費電子、模擬混合集成電路設(shè)計、三類醫(yī)療器械研發(fā)技術(shù)的人才；除了研發(fā)端，在注冊上市、臨床市場的把控上，也需要有經(jīng)驗的團隊。

“我最初成立研究組時，第一批同學(xué)是很早就對腦機接口抱有熱情，尋找平臺來實現(xiàn)這件事。因此階梯在創(chuàng)辦之初就著力于給對腦機接口事業(yè)有熱情有追求的人創(chuàng)建一個能夠施展的平臺，聚攏不同技術(shù)背景的人才，共同把這件事做得離轉(zhuǎn)化、離真實的應(yīng)用場景更進一步?！薄　?/p>