开发高时空分辨率和信噪比的生物可降解「神经接口」｜专访

20 多年前，《黑客帝国》上映，影片中连接人脑和电脑的大型装置令人深刻印象，这便是脑机接口的雏形；在 2018 年上映的《升级》中，脑机接口已经进化成了一颗融合人工智能的芯片，让瘫痪的男主重新恢复行动能力……通过科幻电影其实就可以看到脑机接口的发展历程。

作为未来极具潜力的人机交互技术，脑机接口早已成为全球竞相研发的重点领域。现阶段，围绕脑机接口的研究主要集中在两个方向，神经界面的硬件技术和神经解码的软件技术。硬件技术层面，如何稳定、精准、高通量地捕获大脑活动信息是当下亟待攻克的难题，而这需要在生物电子工程方面有所突破。

近日，由香港城市大学于欣格、电子科技大学于军胜和复旦大学宋恩名组成的研究团队，联合开发出一种新型生物可降解、超薄、轻质、柔性、高通量的有机电化学晶体管神经接口，能够以较高的时空分辨率和信噪比捕获脑电信号，为生物医学应用的植入式瞬态电子技术打下基础，拥有广阔的临床应用前景。目前，这项研究成果已经以“Ultrathin, Soft, Bioresorbable Organic Electrochemical Transistors for Transient Spatiotemporal Mapping of Brain Activity”为题发表在Advanced Science上。

（来源：Advanced Science）

“我们开发的这种基于柔性高通量晶体管阵列的神经接口技术，能够以组织力学兼容的柔性特征准确记录瞬态的脑电信号采集，并且在任务完成后自主降解，避免二次移除手术带来的潜在伤害，可作为神经系统疾病的诊断/治疗以及脑科学研究的一种高效便捷的工具。”香港城市大学于欣格教授告诉生辉。

▲图｜左起：于欣格、于军胜、宋恩名教授（来源：受访者）

于欣格是香港城市大学生物医学系副教授、博士生导师，获国家自然科学基金优秀青年科学基金（港澳）、IEEE 纳米医学发明家、MINE 青年科学家等，入选《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人” 2020 年中国区榜单。他专注于新型柔性电子材料与器件应用于生物医学领域的研究，在Nature、Nature Materials、Nature Biomedical Engineering、Science Advanced、PNAS、Nature Communications等发表论文 120 余篇。

于军胜在日本东京农工大学获博士学位，其后在日本大阪大学、美国亚利桑那大学、佐治亚理工学院工作。2005 年回国并加入电子科技大学。目前，他是电子科技大学光电科学与工程学院教授、博士生导师，长期专注信息显示、光伏电池、光电探测、传感技术等方向的柔性电子学领域，为国家级人才项目入选者，论文总被引 5000 余次，H 因子 38。

宋恩名是复旦大学光电研究院研究员、博士生导师，专注于植入式柔性脑机接口在高信噪脑电成像应用研究。他曾获国家海外优青，入选《麻省理工科技评论》35 人 2021 年亚太区榜单，以第一作者在Cell、Nature Materials、Nature Biomedical Engineering、PNAS（3篇）、Advanced Materials等期刊发表论文 16 篇。

开发生物可降解的高通量 OECT 神经接口

临床方面，在手术期间和术后 48 小时高质量地监测大脑神经信号，对于指导手术操作、评估术后神经系统并发症、降低围术期死亡率等至关重要，因此，开发新型神经接口技术的是实现突破的核心。

香港城大于欣格教授、电子科大于军胜教授、复旦宋恩名研究员团队共同发现，相较于传统的微电极、场效应/薄膜晶体管，有机电化学晶体管（OECT）具有高跨导值、低驱动电压，以及良好的生物兼容性，更适用于新一代神经接口的开发。

OECT

Organic Electrochemical Transistor，有机电化学晶体管是一种功能强大的有机电子器件，其融合了有机材料和电化学反应领域的优势，具有超低功耗、超高敏感度和自适应等特性。

“然而，想要把 OECT 开发为神经接口并应用于临床记录围术期脑电活动，还需要攻克‘生物降解性’和‘高时空精度’两个挑战，才能使临床医生获得更为精准的生理信息，进而为患者设计个性化的治疗策略。”宋恩名指出。

其一，生物降解性。“若是能够在体内实现生物降解，那就可以避免二次移除手术所带来的风险、潜在并发症和手术费用等，让患者更大化受益。”

其二，高时空精度。“众所周知，大脑的结构精密且极为复杂，在解剖学和功能上被划分为不同的区域。”他说，“想要获取更多数据样本量，需要依托高密度和多通道的 OECT 阵列，因此解决问题的关键在于如何设计 OECT 神经接口以实现更高的时空分辨率。”

聚焦两大挑战，三方研究团队联合开展了此次研究。“通过结合多种生物可降解的功能材料，采用连续微纳加工技术以及集成策略等，我们开发出一种具有形态共融、微米级厚度、可生物降解的 OECT 神经接口，能够用于短期监测脑皮层电信号活动，其形式和功能明显区别于传统的神经接口技术。”于军胜说道。

▲图｜生物可降解、超薄柔性、多通道的 OECT 阵列用于制备高保真神经接口（来源：Advanced Science）

据介绍，这种 OECT 神经接口呈薄膜状，厚度约 15 微米、质量约 99 毫克，在面积为 64 平方毫米的活性区域内包含了 100 个 OECT 单元（记录通道），能够实现细胞水平的脑活动映射。值得一提的是，它也是目前 OECT 阵列的最高通道记录。

与此同时，基于该 OECT 神经接口材料超薄且杨氏模量较低的特性，其能够无缝地贴附在大脑皮层表面，可有效降低界面阻抗和运动伪影，进而高保真地映射实时的神经信号。参数方面，团队开发的这种 OECT 神经接口能够实现1.42 毫秒和20 微米的高时空分辨率，以及高达37 分贝的信噪比。

随后，他们通过动物模型进行试验验证，将这种 OECT 神经接口贴附在大鼠的脑皮层表面并记录微皮层脑电图（micro-ECoG）信号。“我们通过它记录了波形、时空和频域特征，成功区分大鼠在麻醉、癫痫发作和电刺激时的不同生理状态，这表明该 OECT 神经接口在临床诊断和脑科学研究中具有应用潜力。”该论文第一作者、香港城市大学生物医学系吴梦鸽博士说道。

▲图｜OECT 神经接口的体内性能表征（来源：Advanced Science）

“更为重要的是，这种 OECT 神经接口在体内完全可降解。无需任何外界触发事件，其在执行完监测任务后，可主动降解为生物安全的单体和良性碎片。”于欣格指出。

总的来说，合作团队开发的这种多通道、生物可降解的 OECT 神经接口，能够无缝贴附在大脑皮层高保真地记录各种生理状态下的 micro-ECoG 信号，同时得益于高时空分辨率，其可用于绘制和阐明 micro-ECoG 信号的响应机制，为材料科学、电子学、神经科学的研究提供新见解。

立足国内开发自主创新的脑机接口技术

近年来，围绕脑机接口的研究热度始终居高不下。Neuralink展示植入脑机接口的猕猴可以用大脑控制光标在屏幕上移动；浙江大学对一位瘫痪患者实施国内首例“脑机接口”手术，可以操控一只机械臂进行握手、喝饮料等；约翰·霍普金斯大学对瘫痪患者双边植入脑机接口，实现控制两只机械臂使用餐刀餐叉实现自主进食……

从动物到人体，从单边到双边，脑机接口技术正在以肉眼可见的速度蓬勃发展。

就目前而言，脑机接口主要分为侵入式和非侵入式。侵入式脑机接口在国内外均展现出井喷式的高速发展趋势，其所采用的颅内植入式器件可以直接获取最原始、最保真的脑电信号，拥有更高的通信带宽，应用范围也更加广泛。

然而，植入过程的开颅手术会造成较大创伤以及术后可能出现的副作用，是侵入式脑机接口应用于临床的主要障碍。因此，脑机接口技术应用与临床的难点在于如何解决信号质量和侵入创伤之间的平衡问题，一方面既要保证采集到有效的、高保真的脑电信号，还要尽可能地降低手术，以及术后感染和排异风险。

（来源：Pixabay）

从事脑科学领域的相关研究离不开脑机接口设备，现阶段国内的很多高端科研设备和医疗器械主要依赖于进口，而美国商务部早已计划将脑机接口技术列入出口管制，因此研发具有中国自主产权的脑机接口迫在眉睫。

与此同时，国家“十四五”规划部署五项研究重点领域，脑机接口技术位列其中；2021 年国内正式启动科技创新 2030 重大项目“脑科学与类脑研究”标志着中国脑计划研究已进入实际落地阶段……

国内脑机接口领域迎来了利好发展机遇，而这也更加坚定了合作团队的信心。如今，国内脑机接口领域的学科环境和学科发展水平并不比国外逊色，他们团队共同希望能够立足国内，聚焦材料创新，开发出更多自主创新的科研成果，未来让脑机接口技术在国际占据一席之地。