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脑机接口，是指在人或动物大脑与外部设备之间创建的直接连接，实现脑与设备的信息交换。这一概念其实早已有之，但直到上世纪九十年代以后，才开始有阶段性成果出现。日前，在第二届南渡江智慧医疗与康复产业高峰论坛上，浙江大学南湖脑机交叉研究院常务副院长王跃明介绍了该院在相关领域最新的研究进展情况。
王跃明表示，脑机接口，特别是侵入式脑机接口，通过在颅内植入电极的技术的应用前景广阔，包括建立人机完全合一的脑机智能等。侵入式脑机接口在神经、运动康复方面也具有巨大的潜力，例如脑疾病的治疗、运动的重建和感知觉的康复等。
在脑机接口领域，侵入式程度有轻有重，信号由里往外，由高到低，各有优劣。在侵入式脑机接口的发展历程中，1990年中期，纽约州立大学的Chapin教授首次发明微丝电极植入大脑，记录神经原信息可长达数月，这标志着脑机接口研究的兴起。
近年来，侵入式闭环脑机接口的研究取得了显著进展。例如，2021年，通过颅内信号想象控制实现了精准的英文单词的输出。2023年5月，EPFL首次通过个性化脊髓电刺激，实现了下肢瘫痪病人独立运动的恢复；8月份，Nature杂志报道了语音脑机接口的研究，通过想象、说话、输入的准确率在12.5万的单词上可以达到70%左右；9月份，在Nature杂志上，关于抑郁症恢复的标记点成为热点话题。而今年已有4-5篇Nature文章聚焦于此，可见该领域正受到广泛关注。
浙江大学是国内最早开展侵入式脑机接口研究的团队之一。自2006年以来，该团队便致力于此交叉学科的研究。多年来，他们在啮齿类动物模型上进行了深入研究，为后续研究提供了便利。去年，该团队还获得了脑机接口主题的全国重点实验室，并承担了重大项目。同年，由浙江大学和杭州市余杭区人民政府共同组建的南湖脑机交叉研究院（下称研究院）正式成立。
该院的研究涵盖了从神经基础研究到实际应用的多个方面。他们纵向聚焦于特定领域，结合电子核心系统与脑相关方法，针对不同功能和疾病应用开发特定的硬件和方法。为了实现目标，团队不仅关注硬件，还注重软件和方法的要求，从而形成相应的应用系统。
浙大团队早期主要研究运动脑机接口，该接口相对容易展现大脑的精确度，因此得到了广泛关注。2013年左右，他们成功实现了在人身上的侵入式意念控制“剪刀石头布”，这标志着在颅内运动信号的精确解释方面取得了重要突破。
近期，研究院对手写汉字进行了研究。王跃明表示，英文与汉字在书写上有很大的不同，英文是字母文字，而汉字有特定的结构。为了实现精确的汉字书写和识别，他们解码了大脑中控制手写汉字的编码规律。这一研究为后续的应用提供了有力支持。
在脑疾病治疗方面，该团队通过在大脑中植入芯片对重症脑疾病进行精准的神经干预，实现精准调控。早期的研究包括对癫痫的治疗，并已开发出样机。这一成果为脑疾病的治疗提供了新的可能性。
刚柔可调脑机接口新型材料与阵列技术
在脑机接口领域，新型材料与阵列技术的研究是至关重要的。为了实现长期稳定的记录和高密度的采样，同时保证使用的方便性，研究院一直在探索刚性和柔性电极阵列的优缺点。
据王跃明介绍，高密度阵列的发展是脑机接口领域的一个重要方向。目前，刚性和柔性微电极阵列是研究的重点。刚性电极阵列虽然容易植入，但其硬度可能会对大脑造成伤害。相比之下，柔性电极阵列的伤害较小，但植入难度较大，且在植入过程中可能因反复插入和拔除而造成损伤。
因此，研究院一直在寻求一种理想的解决方案，将刚性电极阵列的便利性和柔性电极阵列的优点结合在一起。通过与材料学专家的合作，该院发现了一种在体温附近柔顺、体温之外坚硬的新型材料。利用这种材料，研究院实现了刚性和柔性的切换，并成功地进行了多通道的记录和存储计算。
为了提高实用性，研究院还致力于减小系统的体积和重量，使其更易于携带和使用。同时，该院也在探索无线传输技术，以便将最重要的信号实时传输出去。
研究院已经通过实验成功地展示了这种新型材料与阵列技术的可行性和优势。通过与低功耗芯片的同步实现，该方案可以实现一揽子的记录、存储和计算功能。这种技术将有望为脑机接口的应用提供重要的支持。
王跃明表示，研究院希望在未来进一步优化这一技术，将其推向实用阶段。通过进一步探讨柔性和刚性材料在植入后的性能表现，该院将开发出构型可变的多通道电子设备。最终目标是将通道数提高到一万个或五千个以上，以满足长期稳定记录的需求。
在研究中，该院也发现了一些挑战和问题。首先，长期稳定记录是一个重要的问题。在国内，一些硬件设备可能无法保证长时间的信号稳定性。为了解决这一问题，需要进一步研究和改进相关设备和技术。
此外，对于高密度阵列的研究，需要更深入地了解大脑的结构和功能。通过深入研究大脑的不同区域和神经元类型，可以更好地设计和开发适合不同应用需求的电极阵列。
刚柔可调脑机接口新型材料与阵列技术的研究是一个充满挑战和机遇的领域。王跃明相信通过不断探索和实践，可以开发出更加高效、稳定和实用的脑机接口设备，为人类带来更多的福祉。
抑郁症闭环调控的新方向
抑郁症是一个日益严重的全球性问题，据估计，国内抑郁症患者数量已超过八千万，且增长速度逐年上升。药物治疗往往会产生抗药性，且局部有效，而侵入式脑机接口为重度抑郁症患者提供了新的治疗选择。在脑机接口领域，高密度信息输出是关键技术之一。针对抑郁症这一急需解决的适应症，需要硬件与方法相结合，开发出有效的治疗方案。
然而，抑郁症的治疗与其他疾病有所不同。其研究靶点众多，使得神经外科医生难以精确找到靶点位置。为了解决这一问题，需要发展智能的靶点选择方法，以帮助医生和精神科医生共同做出决策。研究院在临床数据上进行了直接研究，并已成功在19名病人上进行了验证。标记的放射磁线相关性高达0.75，这一成果在全球范围内都处于领先地位。
在靶点定位方面，研究院也取得了显著进展。通过研究强度与靶点定位的相关性，其输出达到了0.65的相关性水平。这意味着该院给出的前三位靶点建议与实际有效靶点高度相关。
为了实现侵入式疗法，研究院还自主研发了刺激方法并将其融入微系统中。与传统的微系统相比，这种方法不需要高密度通道，仅需八个或十六个通道即可。基于独特的疾病干预方法，该方案已经成功植入了一例重度抑郁症患者的体内，以验证这一方法的有效性。通过三个月的实践，医生独立评估显示患者临床基本康复，重度抑郁症状得到了显著改善。
接下来，研究院将探索汉字书写脑机接口的潜力。研究院假设大脑皮层中存在特殊的编码方法来帮助书写和识别汉字，这一假设得到了实验验证，籍此，研究院发现了一种方法来解析这些基本单元，提高了编码模型的解析度。通过将编码模型融入解码模型中，中文识别率达到了96%！
脑机接口在抑郁症闭环调控中具有巨大潜力，能够为抑郁症患者带来更有效的治疗方法，帮助他们重拾生活的信心和乐趣。王跃明表示，研究院将继续努力，促进脑机接口技术在抑郁症治疗领域取得更多的突破和成就。
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