围绕未来健康、未来智能、未来能源、未来空间、未来材料五个重点方向，上海正加速布局五大未来产业。以前沿突破、临床应用为导向，脑机接口的研发突破及产业化，是未来健康产业集群中的一个重要方向。
随着生物与信息交叉技术的快速发展，继“物联网”之后，一个更加先进的“脑联网”已向我们走来。在大脑与外部设备之间搭建桥梁，脑机接口将是“脑联网”的最关键设备之一。在这一竞争激烈的新赛道上，上海科学家独辟蹊径，巧用蚕丝光纤研制出了一种柔性电极。这种刚柔相济的“中国式创新”突破了脑机接口临床应用的一个关键瓶颈，或将带来颠覆性革命。
（图片来源：视觉中国）
只需要在颅骨上开一个直径不到0.5毫米的小洞，就能够将一枚具有多个记录通道的探针植入大脑。这种厚度仅有1微米的探针身段柔软，碰到血管会自动滑过避开，安全到达指定位置。日前，这种名为“基于蚕丝蛋白的自适应柔性光电子神经探针”的新一代植入式脑机接口在中科院上海微系统与信息技术研究所传感技术国家重点实验室诞生了。
终于，植入脑机接口不再是“往豆腐里插筷子”，而只是引入一根软到难以损伤脑组织的轻柔丝线。这种柔性脑机接口对于脑联网的发展应用，可谓是一个重磅级成果。它的发明人——中科院上海微系统所副所长、脑虎科技首席科学家陶虎说，这将为脑疾病治疗、脑科学研究推开一扇方便之门。
修复神经损伤
脑机接口将是强有力工具
脑的进化路线决定了生物的进化层次。以人为代表的哺乳动物的大脑选择了复杂的进化路线，于是发展出越来越高级的功能。而苍蝇蚊子之类的昆虫选择的是相对浅层的进化路线，比如具备快速避障的能力，其目的就是如何快速“躲过一劫”以求生。
然而，一个系统越复杂、越精密，也就越脆弱。就拿人脑来说，上千亿个神经元组成庞大网络，浸泡在脑脊液中，其中的信息和物质交互极其复杂，因此出现损伤、疾病、退化之后，其修复也就变得十分困难。
“从这个角度来说，人不可避免会得精神病或神经病。”陶虎认为，大脑“出错”的一个本质表现就是神经元释放的电信号发生了紊乱，而脑机接口正是一个为大脑“纠偏”的有效工具。它可以在大脑和外部设备之间创建直接连接通路，是神经修复最有效的工具。
一项调查显示，年全球神经修复需求市场规模已达14.6亿美元，预计年将达38.5亿美元，年复合增长率为13%。目前，我国植入脑机接口医疗领域适应症人数约为万人次，年复合增长率约5%。
目前的临床试验已经证实，脑机接口可以通过提取与解码大脑神经活动，实现人脑与神经假体之间的连接，代替大脑发出神经控制命令来控制人工假体完成预期动作，也可模拟并传输相应信号至目标位置，给出神经刺激达到神经修复的目的。因此，脑机接口被认为是修复瘫痪、中风、帕金森、渐冻症等患者神经功能受损的最有效手段之一。
此外，脑机接口还是全面解析、认识大脑的关键核心技术，是国际脑科学前沿研究的重要工具。目前，全球脑疾病患者超过5亿人。从高发于青少年的自闭症、中青年阶段的抑郁、老年期的痴呆，到全年龄段都可能发生的瘫痪、癫痫、失明、失语、渐冻症等神经系统病症，医学界都还在不断探索其精确诊断和治疗的手段。
“打一个形象的比喻，脑疾病的发生就好像挂在树上的灯泡一个个熄灭。相对于脑CT、穿刺活检等手段只能获知最终结果，脑机接口有可能实时看到灯泡是如何熄灭的。”陶虎认为，脑机接口的突破性进展，将会为人类认识大脑、治愈脑疾病带来划时代变革。
无损连通大脑
实现梦想还要过几道关
理想的脑机接口应该是怎样的？目前，脑机接口分为植入式和非植入式两大类。非植入式脑机接口由于无法直达大脑皮层内部，所获得的信号数量和质量都相当有限。而植入式脑机接口则要对脑组织的损伤越小越好、在体工作时间越长越好、工作效率越高越好。可以说，“终生无损连通大脑”是脑机接口的终极梦想。
近十年来，脑机接口底层技术迎来了快速发展，国内医疗植入体和传感技术逐步成熟，AI芯片算力不断提升，算法发展迅速。与此同时，更多具备相当机械强度、生物相容性和安全性的生物材料被应用于医疗领域。这让脑机接口行业迎来了“拐点”，成为全球瞩目的一大产业风口。
尽管在各国相关政策的支持及科研人员的不懈努力下，植入式脑机接口技术已经取得了重大进展，但是距离其广泛应用，仍存在着较大挑战。
陶虎表示，植入式脑机接口面临的首要问题是安全性。“要对大脑深部的脑电信号进行读取与编码，首先要避免传统‘血淋淋’的开颅植入，因为这极易对脑血管、脑组织造成损伤。”此外，植入器件的取出也会增加二次手术风险。
第二个问题是脑机接口的有效带宽不足。正常人类大脑通过超过亿个神经元，控制人体的基本生理、外部感知、肢体运动、情绪记忆等多种复杂功能活动。然而，基于目前的脑机接口技术，最多只能同时记录大约0个神经元的活动及信号发放。
▲陶虎展示用于制造可控降解植入式微纳传感器的蚕丝蛋白基底。
“目前神经记录带宽提升缓慢，大约每70个月翻一番，远低于集成电路等领域的提升速度。”陶虎说，对海量神经信号的读取、归类、编解码的难度，是以指数级提升的，需要硬件设备及算法软件等多方面的协同创新，在提升信号采集质量的基础上，保证系统工作的稳定性与可靠性。
而且，不同人之间、同一疾病特征下的不同病人、同一病人在不同情境下的神经信号活动都会产生较大差异与不确定性，很难使用一套固定的神经信号算法覆盖大多数人群，这也在一定程度上限制了脑机接口技术的推广应用。
蚕丝刚柔相济
微创入脑长期在体工作
带宽不足、植入创伤大、长期记录稳定性差，是脑机接口领域目前亟需解决的三大技术难题。面向临床重大脑疾病诊治、复杂神经系统和高级脑功能的探索、认知等实用化应用需求，陶虎团队开发出了可长期稳定在体的高带宽侵入式柔性神经电极和相应的微创植入技术。
11月8日，团队在《微系统与纳米工程》上发表论文，介绍了在微创植入技术上的最新成果。这种探针由天然蚕丝蛋白制成的光纤与多个柔性电极阵列组成，在一个直径不到0.5毫米的探头上，集成有个记录通道，可实现大脑神经信号的精准调控与解析。而且，其厚度仅1微米，在小鼠和兔等动物中已实现了10个月的在体稳定记录。此前，马斯克公司开发的Neuralink电极厚度为5微米，公开报道的在体时长仅两个月。
谈及新探针的设计思路，陶虎说：“其实，我的想法很简单，就是要提升带宽。”他说，过去研制脑机接口主要将它作为一种传统医疗器械，但他则想采用集成电路的研发方式。
集成电路的最大优势就是高度集成，将器件做得小而强。由于长期