集成电路是上海市重点发展的先导产业,也是上海自贸区临港新片区承载国家战略重点布局的前沿产业。广阔的运用场景对扎根在此地的企业来说,是最有利的发展条件之一。

对于来自上海自贸区临港新片区的沐曦集成电路(上海)有限公司(下称“沐曦”)来说,脑科学领域是其应用覆盖到的最新方向之一,而高性能GPU芯片也将助力国内脑机接口全技术链的夯实。

9月2日,在2022世界人工智能大会“脑·机智能融合-让大脑连接未来”论坛上,包括沐曦在内的4家上海企业共同发起成立了“先进智算联盟(FAIC)”。该联盟的成立,实际上也反映出国内脑机接口赛道的近况之一——全技术链的集成正受到史无前例的重视。

沐曦创始人、董事长兼首席执行官陈维良在现场参与了上述“先进智算联盟”的签约仪式。他对澎湃新闻()记者表示,“脑机接口可以获得大量的大脑信息,GPU则可以提供大量的算力来处理数据,量子计算也有其擅长的计算范式。”他认为,这些技术的结合,将产生巨大的应用潜力。

其余3家企业分别为国内脑科学代表企业脑虎科技NeuroXess、云计算企业优刻得UCloud以及量子计算企业图灵量子。其中,脑虎科技是这场论坛的主办方之一。当天,脑虎科技也首次对外公开发布了首款脑机接口集成式颅顶半植入医用级B产品,其体积为32立方厘米,重量为38克,材料使用的是医用级钛合金。与其一同发布的,还有高频脑电信号处理仪、软件算法云平台,以及三款和植入体相匹配的电极产品。

中科院上海微系统所副所长陶虎是脑虎科技的创始人兼首席科学家,其长期从事传感器研究和产业化。“当时做微纳传感器,更多的是跟人体集成的传感器,比如说可穿戴的、皮肤集成的,还有一种是人体可植入的。”陶虎在接受澎湃新闻()记者采访时谈到,随着跟人集成的程度越来越高,传感器技术难度越来越高,当然可以做到的事情越来越多。“脑机接口,特别是我们做的植入式脑机接口,相对来说是最先进,也是最难的一种。”

陶虎认为,其和团队近二十年在实验室积累的技术,在一些层面已慢慢接近产品化和临床应用及商业化。“希望把实验室的技术,通过商业化途径真正变成产品。一方面给医生、病人提供更好的疾病诊治的工具;另一方面,也为前沿的脑科学研究和神经科学家们提供更好的工具。”这是陶虎去年10月创立脑虎科技的初心。

值得关注的是,科学界从上世纪60年代就已经开始研究脑机接口,但这一领域的“热闹”却由埃隆·马斯克(Elon Musk)掀起。“科学界在脑科学方面一直有着积极探索,但一个比较大的问题是应用不多,所以也没有太大的社会关注度,马斯克让这领域一下子火起来了,其实对科研人员来说这是挺沮丧的。”中科院深圳先进技术研究院、深港脑科学创新研究院正高级工程师李骁健如此表示。但他同样认为,这也是一件好事,“希望尽快能将脑机接口,尤其是植入式脑机接口做成真正的产品,特别是帮助残疾人恢复相应的生理功能,获得更多的生活尊严。”

脑虎科技创始人、CEO彭雷在上述论坛上表示,2021年2月,马斯克的脑机接口技术初创公司Neuralink通过柔性电极让猴子实现意念打电子游戏;2021年12月,脑机接口公司Synchron使患有肌萎缩侧索硬化症(ALS)的患者通过脑机接口技术直接在社交媒体上发送消息……种种突破意味着,“脑机接口技术迎来了重大发展拐点。”

人脑拥有至少1000亿个神经元,数量约等于银河系中的恒星数。这些神经元又构成10^15个神经联接,将复杂相连的神经首尾相接,总长度超过18万公里。

隔着颅骨,我们如何探究复杂的大脑?人类现在知道,神经细胞利用电信号来相互通讯,这种电信号是短促的放电。但脑神经电信号幅度非常微弱,一般为微伏(uv)级别,并且还得经过颅骨和头皮的衰减,需要经过千倍的放大显示以及减少干扰的滤波器才能形成现在并不陌生的头皮脑电图。

上世纪二十年代,德国精神科医生汉斯·伯格(Hans Berger)博士开始尝试寻找脑电信号,当时看起来像是“黑科技”,如今已成为各国脑科学研究的重要一部分。

所谓的脑机接口,狭义上指的是建立不依赖于五官和肢体的,大脑与计算机等外部电子设备的直接通讯方式。而且它有两个英文源词,习惯上“Brain Computer Interface”主要指的是基于脑外采集脑信号的无创脑机接口技术,而“Brain Machine Interface”则主要指在脑内植入了神经活动传感器的脑机接口技术(即植入式脑机接口技术)。

中科院上海分院院长胡金波在论坛上指出,目前脑机接口技术的跨学科融合是由“信息时代”向“脑智时代”发展的跨越,是脑科学与人工智能研究中最活跃的领域之一,涉及电子、材料、生物医学工程、临床医学、信息科学等多种学科的交叉融合。尤其,高通量柔性植入式脑机接口作为国际最新颠覆性技术的代表,在神经疾病诊治和智能机器人等领域具有重要的研究意义和巨大的应用潜力。

陶虎认为,脑机接口最核心的挑战在于:如何最大限度地去利用大脑,比如说怎样提高神经通道数;同时,如何最低限度地伤害大脑?

总体而言,按照获取脑内信息的技术方式来分,现阶段脑机接口技术主要包括传统非侵入式头皮脑电图(EEG,也是目前最成熟的技术)、非侵入式的成像技术,以及侵入式的脑内植入电极记录电信号技术。

彭雷在上述论坛现场形象地阐述了侵入式和非侵入的区别,“如果上海八万人体育场里在进行一场足球赛,我们站在场馆外听里面的欢呼声,这个就相当于‘非侵入式’,大概知道里面发生了什么,可能进球了、可能结束了,但具体的信息我不知道。而‘侵入式’就像在球场里面的每一个球员教练身上都有传感器,你能实时知道他说了什么、做了什么动作,然后看到整个过程。”

李骁健谈到,非植入式的脑机接口的缺点在于,头皮表层的信号极为薄弱,且信号不稳定,而植入式脑机接口技术又具有一定风险性,并不容易被患者广泛接受,研究缓慢。直至2000年前后,脑机接口实验的对象才从动物转移到真实患者身上。

陶虎对澎湃新闻记者表示,脑虎科技和Neuralink的相同点之一就是,“我们都是坚信脑机接口未来主流的路线是植入式的,而不是非植入式的。不管是从信号采集的精度、控制的精度,以及本身通道数来说,植入式都有着绝对性的优势。”

他同时提到,这一方式目前还存在着手术创伤,这是需要去解决的问题。“但是植入式这一技术的天花板以及可以带来的重大应用场景,上限是非常高的。”

李骁健早期做实验采用的传感器还是玻璃包被的钨丝电极,“一根针下去,前面尖端触点能采集神经电信号,针杆部分都是绝缘体。一次实验在脑袋里植入不了几根电极,也采集不到多少神经电信号”。他此前在接受澎湃新闻()记者专访时表示。

在李骁健看来,直到上世纪六七十年代,脑机接口技术才真正开始形成。但直到上个世纪末,这一技术的发展都相当缓慢。

在脑科学面前,彭雷实际上是外行人。他去年底从互联网换道脑机接口,更重要的原因或在于,脑机接口的底层技术近10年来迎来了大幅发展。这些底层技术包括医疗微机电系统、医疗器械、芯片、材料学、算法、神经科学等多领域,“正是这些底层技术的发展与突破,让脑机接口行业迎来了‘拐点’。”

不得不提的是,“自带流量”的马斯克,将脑机接口迅速推到了大众面前,这是此前半个多世纪里科学界未曾做到的事情。

Neuralink成立于2016年。2019年7月,Neuralink首次对外宣布其成果——一种可扩展的高带宽脑机接口系统。该系统由一组电子芯片和一些厚度只有4至6微米、宽度比人类头发丝还细的丝线根柔性丝线年可视作行业“拐点”之年。“这个行业拐点意味着,脑机接口技术在过去20年里面学术、商业上都相对比较平缓的发展线,进入了一个加速上升的阶段。”

全球也出现了一些受到广泛关注的标志性案例。2021年2月初,马斯克在音频社交应用Clubhouse上透露了一则消息,称会在一个月左右的时间内发布Neuralink新进展的相关视频。随后的4月,一段3分多时长的视频显示,一只为“Pager”的9岁猕猴仅用其大脑就能控制光标在屏幕上移动,玩起“意念乒乓球”( MindPong)游戏。猕猴脑部的运动皮层被植入了2个电极阵列,植入时间是在视频拍摄的6周前。

不过,在临床试验上更快一步的是另一家公司Synchron。成立于2017年的Synchron公司在2021年7月获FDA 批准,率先对其产品进行人体临床试验。不过,Synchron公司采用的是类似脑血管支架的方式,以微创的方式将网状的Stentrode传感器通过血管输送到大脑。

“这种方式比较容易通过临床试验审批,但是电极只能停放在较粗大的血管中。可用位点少,且离神经元距离远,不能清晰地获得大量的脑神经信息,所以这仍旧是两码事。”李骁健认为,Neuralink这类高通量脑机接口技术未来的临床试验获批,才能最终带动这一领域的“开闸”。

在学术研究方面,去年5月,顶级学术期刊《自然》(Nature)以封面文章的形式刊发了由斯坦福大学、布朗大学、哈佛医学院等团队的研究人员联合完成的一项里程碑式研究。研究团队将人工智能软件与一款脑机接口设备结合起来,与一名大脑中植入脑机接口设备的瘫痪患者合作,让该患者想象他拿着一支笔,在一张横线纸上“尝试”写字,就像他的手没有瘫痪一样。并将该男子手写意图快速转换为电脑屏幕上的文本。

该项研究的通讯作者同时也是第一作者的Francis R. Willett博士此前在接受澎湃新闻()记者专访时表示,“手写脑机接口是一个令人兴奋和潜在的可行方法,使得我们可以恢复与严重瘫痪的人的交流。”

他同时也提到,要将这项技术转化为真正的产品,就需要简化它,用户应该不需要花费太多时间来培训它就能够使用这款脑机接口。此外,它应该足够智能,能够自动跟踪神经活动的实时变化,这样用户就不必每天停下来重新训练系统。最后,微电极装置应是无线且完全植入。

从国内来看,陶虎对澎湃新闻记者表示,脑虎科技的脑机接口产品目前已正式获得临床试验批件。

而对于脑虎科技“为何而来”?彭雷谈到,他和陶虎是本科大学同学,俩人毕业于中科大。“在大学里面,我们两个正好是两种不同路径的典型,陶虎专注于学术研究,我不太安分,一直喜欢创业,从大学开始创业到去年的这二十多年时间里,一直在互联网行业。”彭雷系原客如云的创始人、CEO,在和陶虎一起创立脑虎科技之前,他担任阿里巴巴本地生活资深副总裁。

“其实这么多年我们一直保持着交流,都有共同的梦想,我们有着很强的科技情节,还是想做一些科技报国的事情。而且我很明显地感觉到,从前年开始,整个硬科技领域的创业热潮起来了,未来10年、15年,国内硬科技方向一定会持续加大投入。”

彭雷对澎湃新闻()记者表示,技术等各方面因素在去年都到了一个比较成熟的阶段,“我们就决定把多年来的想法付诸实践。”

值得关注的是,盛大集团和天桥脑科学研究院创始人陈天桥多次投资支持了这家公司,其余投资人包括红杉等。而同样令人关注的是,脑虎科技有着“天团顾问”:中科院院士、神经科学家张旭,复旦大学附属华山医院院长毛颖,UCloud创始人兼CEO季昕华,寒武纪创始人兼CEO陈天石,科大讯飞联合创始人胡郁,康诺亚生物创始人兼CEO陈博等。

陶虎直截了当地表示,“天团顾问”绝非为了“提升公司名气”。“这里面有脑科学的专家、做临床医学的专家,以及和公司本身发展具有协同性或具有上下游关联性的相关人士,基本都是常年的合作伙伴或良师益友,而且将近有一半都是中科大的校友,我们之间有着天然的信任感。”

在当天的论坛上,彭雷现场发布了脑虎科技首款脑机接口集成式颅顶半植入医用级产品,其体积为32立方厘米,重量为38克,材料使用的是医用级钛合金。一同发布的,还有高频脑电信号处理仪、软件算法云平台,以及三款和植入体相匹配的电极产品。

据介绍,这款产品满足高通量、高采样率信号采集与处理功能。最高支持256通道,相比目前业内同类产品通道数(128ch)提升1倍以上;可采集频率高达30KHz,有效采集Splike信号;采样精度达16Bit,确保采集脑电数据质量,为处理软件提供高品质数据保障,并可同时兼容Spike、LFP、ECoG等多种类型的脑电信号。

他再次强调,相比于如何最大限度利用大脑,脑机接口落地的更大挑战在于尽可能小地损伤大脑。陶虎认为,相比于Neuralink采用机器人将柔性电极植入脑内的方式,其公司选择的路线更为安全稳妥。

“尽管他们的电极是柔性的,但打进去时依靠钢针,仍然存在很大的风险。”脑虎科技采用微创蚕丝蛋白电极包裹技术,通过蚕丝蛋白把电极柔软的表面适度固化以方便植入,植入完成后蚕丝蛋白便会溶解,让电极逐渐恢复柔软。

“蚕丝蛋白这层壳的强度介于脑跟血管之间,如果下面没有血管,它直接去了;如果下面正好碰到血管,它会滑过血管插下去。”陶虎比喻道,这就像武侠小说里绑在腰带上的软剑一样,“这是我们非常大的一个创新,意味着我们可以盲插,完全不需要打开颅骨看下面有没有血管。”

据陶虎介绍,目前他们设计的开孔直径在1毫米以下,而他认为实际上创伤可以更小,但受限于目前可利用的手术钻头只有这么小。“我们现在也在研究如何把孔开得更小,是用激光来开孔,还是用机械的方式来开孔。”

初步的产品已经打造出来了,接下来会做什么?彭雷表示,本次发布的产品主要面向的两个市场,一个是以“脑计划”为依托的科研市场,助力“脑计划”的基础研究工具平台;另一个是明确医学价值的医疗市场,针对明确的适应证如渐冻症,高位截瘫、失明等,然后脑虎会按照医疗产品的合规和流程逐步稳妥的推进临床计划。

彭雷对澎湃新闻记者还提到,脑虎科技目前制定了三个“五年计划”。第一个五年,脑虎科技专注于将脑机接口技术用在医疗市场,主要的商业化选择是逐步在绝症、重症、轻症中寻找适应症;第二个五年,在通过医疗市场的充分验证和规模推广之后,寻找面向普通人、正常人使用的脑机接口产品的商业化机会;第三个五年计划,则是其和陶虎创业的终极目标,“我们相信随着脑科学的探索、材料技术的推进、算法芯片的边际提升等,能够实现大脑的反向工程,能够将人的思维、意识、记忆、情感等高级功能实现数字孪生。”

第一个“五年计划”,实际上也是目前科学界最具共识的目标。李骁健提到,在现阶段,脑机接口主要还是针对有疾病的人,帮助他们提升生活质量。“因为传感器等电子装置的体积还是有点大,脑袋上装这么一个东西,不太容易被普通人接受。并不是植入脑内你就可以回家待着、家庭家居生活不受影响,而是必须在医院里使用。”

去年上半年,李骁健率领的团队及其合作团队完成了在猕猴脑内长期植入双阵列(超过1400通道的柔性电极阵列),并使用自研仪器成功地以数万赫兹的高采样率,同步且持续地采集了每个通道的神经信号,在国内率先打通了脑机接口全技术链。

李骁健对澎湃新闻记者表示,研究团队目前已实现中国首个采用自主研发的超千道脑机接口技术设备进行的猕猴脑机接口实验。“今年我们实现了全技术链的国产化,这是比较关键的一点。”

李骁健提到,国内其他团队研发的植入传感器等,实际是都需要测试,“现在有越来越多的团队去研发脑机接口各环节的零件,我们持非常开放的态度,这些都可以嵌入到我们的整套系统中测试,这也是一种协同发展。”他强调,现阶段国内脑机接口仍需做更多的生态培育工作,“我非常愿意去做这样一个角色。”

当然,其团队的另一重心在于,利用自主研发的植入式脑机接口系统,帮助瘫痪患者通过脑控机械肢体恢复行动自由。“目前最容易做的就是运动功能替代,我们主要也是在前面蹚路。”

值得一提的是,李骁健、陶虎等人均认为,国内脑机接口技术从各环节来说并不落后于国际上先进的实验团队。

“但如何把各环技术有机地高质量地组合起来,也就是所谓的高性能系统集成,才是目前亟需攻克的难题。”李骁健谈到,这也是Neuralink的优势所在。陶虎也同样表示,“我们不会狂妄地说,我们已经超过了马斯克的公司,但是至少在这个领域,我并不会觉得我们落后。”

在上述论坛的圆桌论坛环节,陶虎、李骁健等人也总结道,中国在脑机接口领域存在三个优势:政府支持、临床资源丰富、立法安全。陶虎同时提及脑机接口公司需要面临的挑战,“中国在脑机接口领域法规审批非常严格,一项技术做合法合规可能需要五六年,脑虎科技这次发布的产品,做人体临床试验时,伦理报告就用了一年时间才拿到。”

中科院上海微系统所所长谢晓明在上述论坛的致辞中指出,脑科学和人工智能已经成为新一轮产业变革的核心驱动力,近年来,脑机接口技术发展十分迅速,在产业发展上有光明的前景。脑科学和人工智能的融合对世界经济发展、社会进步以及人类生活产生重要的影响。

谢晓明同时表示,中科院上海微系统所正在整合中科院脑机接口技术优势队伍,开发高通量超柔性神经电极阵列、高带宽神经信号处理芯片、大规模神经信号编解码算法以及微创植入自动手术机器人等,锻造“杀手锏”技术,将有效支撑上海科创中心建设和人工智能先导产业高质量发展。

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