2024年1月30日，埃隆·馬斯克通過社交平臺(tái)發(fā)布消息，聲稱Neuralink公司成功進(jìn)行了首例腦機(jī)接口人體植入手術(shù)，被植入者恢復(fù)狀況良好；3年前，Neuralink公司將芯片植入獼猴大腦，獼猴在沒有控制器或鍵盤的情況下也能玩視頻游戲。腦機(jī)接口技術(shù)的快速發(fā)展讓這項(xiàng)“未來技術(shù)”顯得距離我們并非如此遙遠(yuǎn)：讓癱瘓患者用意念控制假肢、治療老年癡呆和抑郁癥等神經(jīng)系統(tǒng)疾病、讓盲人恢復(fù)視力、對(duì)記憶進(jìn)行存儲(chǔ)等。

理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)卻很骨感。人腦擁有上百億個(gè)腦細(xì)胞，但目前即使國外最先進(jìn)的腦機(jī)接口技術(shù)也達(dá)到3000多個(gè)通道，只能夠局部地處理腦部信息，類似于盲人摸象。為了能夠?qū)崿F(xiàn)與腦部更精細(xì)、更大范圍的通信，處理更大量的信息，大幅提高通道數(shù)是必經(jīng)之路。腦機(jī)接口方案可以粗略地分為非植入式和植入式兩類：非植入式腦機(jī)接口不需要將神經(jīng)電極植入大腦，但信號(hào)強(qiáng)度和分辨率非常有限，僅靠大幅增加通道數(shù)量無法進(jìn)一步提高信號(hào)質(zhì)量；植入式腦機(jī)接口將神經(jīng)電極“插入”大腦中，會(huì)增加免疫反應(yīng)和損傷神經(jīng)細(xì)胞的風(fēng)險(xiǎn)，卻擁有極佳的信號(hào)強(qiáng)度和分辨率，通道數(shù)量至關(guān)重要，這也是目前大多數(shù)腦機(jī)接口公司采用的技術(shù)方案。

在植入式腦機(jī)接口方案中，將微型電極植入腦部神經(jīng)元附近對(duì)其電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)與激勵(lì)以實(shí)現(xiàn)雙向通信，類似電腦存儲(chǔ)信息的讀取和寫入；為了和深度植入大腦的微型電極取得聯(lián)系，通常需要柔性連接線將微型電極和位于大腦外部的數(shù)據(jù)處理芯片相連。柔性連接線的數(shù)量和長度在一定程度上限制了腦機(jī)接口的通道數(shù)和微型電極的植入深度，同時(shí)其有限的生物兼容性和抗電磁干擾能力也影響著腦機(jī)接口的安全性和使用壽命。圖1展示了Neuralink公司的腦機(jī)接口方案，雖然整個(gè)植入裝置與人體外部“無線連接”，但植入大腦的1024個(gè)微型電極依然需要通過64根柔性連接線與芯片連接，嚴(yán)重限制了通道數(shù)量。人們需要找到一種不需要柔性連接線的“真”無線植入式腦機(jī)接口技術(shù)方案，大幅提高通道數(shù)量。

圖1 Neuralink公司的腦機(jī)接口植入裝置（左）及其腦部植入方案（右）

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室MEMS課題組和劍橋大學(xué)電子工程系Bioelectronics課題組的研究人員組成跨國科研團(tuán)隊(duì)，首次提出基于MEMS超聲波方案的神經(jīng)電刺激技術(shù)路線，為不需要柔性連接線的“真”無線植入式腦機(jī)接口鋪平了道路。相關(guān)研究成果以“A mm-Sized Acoustic Wireless Implantable Neural Stimulator Based on a Piezoelectric Micromachined Ultrasound Transducer”為題，發(fā)表在Sensors and Actuators B: Chemical期刊上。

圖2 基于MEMS超聲波方案的無線神經(jīng)電刺激

研究人員通常使用電磁線圈近場(chǎng)耦合的方式實(shí)現(xiàn)無線連接，但這種電磁方案在體內(nèi)的微型化和傳輸效率方面并不令人滿意。超聲波的波長遠(yuǎn)小于電磁波，有利于無線設(shè)備的小型化；另外，超聲波在人體組織中的傳播損耗遠(yuǎn)小于電磁波，傳輸效率更高，而且超聲波有較高的安全功率限值，相對(duì)更加安全。認(rèn)識(shí)到超聲波在體內(nèi)實(shí)現(xiàn)無線傳輸?shù)莫?dú)特優(yōu)勢(shì)，科研團(tuán)隊(duì)提出了基于MEMS超聲波方案的無線神經(jīng)電刺激植入裝置WINS（wireless implantable neural stimulator）。WINS通過超聲波實(shí)現(xiàn)微型電極的無線連接，如圖2所示。WINS包含壓電式MEMS超聲換能器、阻抗匹配電路、整流電路以及目標(biāo)神經(jīng)負(fù)載。其中，MEMS超聲換能器采用AlN薄膜作為壓電材料，相比PZT薄膜而言，AlN的生物兼容性已經(jīng)得到廣泛驗(yàn)證；另一方面，相比傳統(tǒng)PZT塊體超聲換能器，AlN薄膜MEMS超聲換能器的尺寸更小，并且可以和CMOS處理電路單片集成。封裝后的整個(gè)WINS大小約為5 mm × 5.5 mm ×2.5 mm，如圖3所示。

圖3 （a）壓電式MEMS超聲換能器陣列；（b）超聲換能器陣列中的一個(gè)陣元；（c）WINS正面照片；（d）WINS側(cè)面照片

在動(dòng)物試驗(yàn)中，將無線植入裝置WINS埋至大鼠皮下的坐骨神經(jīng)上，通過在大鼠體外施加超聲波，觀察WINS對(duì)坐骨神經(jīng)的電刺激效果，如圖4所示。WINS在接收到穿透大鼠身體的超聲波后，輸出近100 mV的電壓作用于大鼠的坐骨神經(jīng)（圖5a），可以明顯觀察到大鼠后腿肌肉的抽動(dòng)，并通過肌電圖記錄了肌肉的周期性抽動(dòng)（圖5b）。

圖4 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)：大鼠坐骨神經(jīng)電刺激

圖5 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果：（a）WINS輸出的電壓曲線用于神經(jīng)電刺激；（b）周期性刺激大鼠坐骨神經(jīng)，其后腿肌肉抽動(dòng)產(chǎn)生的肌電圖

據(jù)本論文通訊作者張孟倫和龐慰教授介紹，該方案利用超聲波在體內(nèi)的高效傳輸實(shí)現(xiàn)了對(duì)柔性連接線的替代，并借助MEMS超聲換能器技術(shù)展示了mm級(jí)大小的微型裝置對(duì)坐骨神經(jīng)的無線神經(jīng)電刺激；未來通過MEMS+IC單芯片集成技術(shù)有望將整個(gè)裝置的體積縮小到10?3 mm3甚至10?? mm3，因此可以在大腦中布置上萬甚至百萬顆芯片，并與大腦外部的裝置實(shí)現(xiàn)雙向無線通信，為超高通道、深度植入、安全可靠的“真”無線腦機(jī)接口鋪平道路。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.snb.2024.135382