實驗室中，幾只頭戴電極帽的小鼠靈活游走。與此同時，實驗人員的電腦上同步顯示出五顏六色的波段——小鼠大腦發出的極為微弱的腦電信號，就這樣被完整記錄下來。能夠實現這一切的玄機，藏于電極帽中一塊大小不足指甲蓋的芯片中。
這是復旦大學研發的“全無線侵入式64通道腦機接口芯片模組”項目。值得一提的是，該項目研發成功前，國際上在該領域尚未有成熟先例。
該項目在單芯片上集成64個信號采集通道，實現了4米范圍內64通道全帶寬神經信號的24小時不間斷記錄。與國外同類商用產品相比，功耗降低了10倍，重量不足3克，成本僅為同類產品的一半。
擺脫“線”的束縛
認知大腦被稱為生命科學最后的疆域。近年來，中、美、歐等國家和地區紛紛啟動腦科學計劃。采集并分析大腦活動的電信號，是研究大腦的一種重要手段，而腦機接口芯片是相關科研儀器的核心部件。
該芯片研發團隊核心成員呂良劍介紹，研究項目啟動于2016年，當時國內腦科學和類腦研究水平已經很高，但擁有自主知識產權的國產科研儀器卻很稀缺，大部分實驗儀器依賴進口，這促使他們想要自主研發一款國產腦活動記錄儀器。
在上海市科委基礎研究重大項目支持下，復旦大學類腦芯片與片上智能系統研究院和華東師大腦功能基因組教學部重點實驗室合作，根據神經科學家確定的各類指標需求，開始研發“芯片式無線腦活動記錄系統”。系統由神經電極陣列、無線腦機接口芯片、接收機、計算軟件等組成，用于采集、儲存和分析實驗動物的腦部神經元活動信號。其中，芯片是最為核心的部件。
“無線”是這款芯片區別于市面同類產品的最大優勢。直到現在，用于腦科學實驗的腦機接口系統大都需要在實驗室動物上安裝記錄裝置，而裝置又需通過電纜與外部記錄系統相連。這種連接方式一方面限制了生物體的活動范圍，另一方面，線的糾纏與旋轉容易產生作用力，導致生物體腦部損傷。無線腦機接口芯片成功擺脫了線的束縛，允許生物體自由活動，更接近自然狀態。無線充電能夠以類似公交卡讀卡器的方式對設備進行充電。團隊首先在無線數據和無線能量同時傳輸核心技術上取得原創突破，研究結果2018、2019年連續兩年在被業界譽為“芯片奧林匹克”的頂會國際固態電路會議上發表。
低功耗與輕量化
“低功耗+長續航”是該芯片的另一大特點。許多無線技術芯片功耗較大，使得電池連續使用時間很短，有的芯片使用一枚40毫安時的紐扣電池僅能連續工作一兩個小時，中途頻繁更換電池會打斷監測過程，干擾生物體自然狀態。而這款芯片能夠實現24小時連續工作，對生物體進行長時間、不間斷的數據監測。這是由于團隊重點優化了芯片的電路設計，降低了其功耗。研發團隊也放棄現有的一些功耗較大的無線傳輸協議，自己定義新的通信協議，并通過降低電壓將功耗優化至2.3MW，同時優化信號處理，解決了信號記錄穩定性和抗干擾等問題。
此外，“輕量化”也是其優勢之一。由于實驗裝置太重會對小鼠活動產生較大負重，影響其活動，為此，團隊把大部分功能都集成在芯片上，降低了對外部器件的要求，使整顆芯片面積小于16平方毫米，模組體積小于3立方厘米，總重量不超過3克。這種集成也在一定程度上降低了芯片制造的材料成本。
“讀心術”有望實現
近年來，腦機接口芯片是集成電路領域的國際研究熱點。事實上，腦機接口領域研究的相關應用，已在慢慢走進人們的生活，特別是醫療領域。例如，基于類腦芯片可實現神經元識別與腦功能圖譜描繪，還可進行腦血管病智能篩查等醫療工作。
據悉，2016年至今，復旦自研的這款芯片已流片4次。以它為核心部件的無線腦機接口系統正在接受上海腦科學家的測試，有望在不久的將來投入商用，成為我國腦科學與類腦研究的利器。復旦類腦芯片與片上智能系統研究院助理研究員徐玲介紹，未來，復旦自研的這款芯片，應用場景將集中在3個領域：認知障礙疾病的治療、運動康復，以及硬件設備控制。
目前，研究院正與復旦大學附屬中山醫院合作開展靈長類動物實驗，將電極植入猴子腦內，無線采集多通道的腦電信號供腦科學家研究，旨在了解癲癇病的發作機理，并對其實現預判和相關治療。此外，抑郁癥、狂躁癥、帕金森病、阿爾茨海默病等精神類疾病，也有望通過相關研究得到輔助治療。
在視覺感知和運動感知研究應用中，芯片可植入盲人視網膜下，使得盲人“重獲光明”；通過想象“揮手”的感覺，癱瘓病人可將腦內信號通過芯片傳送給電腦，從而操縱機械臂進行活動，等等。
而被人們接受度更高的非植入式芯片，則可應用在更多人的日常生活中。近年可以預見的一個應用是腦機芯片與智能硬件的結合，例如，通過非植入芯片將腦電信號傳遞到手機等智能設備上，完成“確認”“返回”“撥打電話”等簡單的命令。這意味著，今后可能只需在腦中想象某個功能，無需動手操作即可實現。
至于所謂科幻電影中的機器“讀心術”，即依賴腦電波的解碼將腦電波與文字語言對應起來，需大量的采集和訓練。“我們的研究正在向這一方向努力。”青年研究員鄒喬莎表示，“在復旦大學，我們能同時和腦科學家、臨床醫生進行合作，有豐富的一線數據。這樣優越的研究環境，在國外頂尖的實驗室也很難擁有。”黃辛
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