通過腦機接口，用意念直接控制機器、實現交互，在科幻電影里很常見。但現實中，電光火石間，大腦上百億個神經元傳導的信號，如何采集、解析，都是科學家們正在攻關的難題。
基于在神經界面領域的積累，「階梯醫療」（全稱：上海階梯醫療科技有限公司）于2021年8月成立。據悉，其創始人趙鄭拓系90后，博士畢業于德克薩斯大學奧斯汀分校生物醫學工程專業，現在國內一知名科研機構任博士生導師。
階梯醫療聚焦植入式腦機接口系統的開發，自主研發包括無線腦電記錄系統、刺激系統、手術植入機器人等醫療產品，以解決各類原因導致的運動功能障礙、重度難治性神經與精神類疾病等臨床難點。目前，由趙鄭拓博士帶領的科研團隊已啟動柔性電極術外埋植安全性、有效性的臨床試驗。
除了臨床療法的開發，階梯醫療將推出的多系統適配電極板，搭載了超柔性微納電極；產品擬于今年上市商業化，主要面向神經科學/腦科學研究團隊、醫院臨床科研、腦機接口相關應用廠商等。“為了構建中國植入式腦機接口的科研生態，我們希望超柔性電極技術先應用起來，支持研究團隊開發更具應用價值的腦機接口產品，”趙鄭拓在接受36氪專訪時表示。
植入大腦中的超柔性微納電極
“腦機接口，是有望打開人類和機器的接口，能夠讓人腦和機器直接進行交互，”趙鄭拓將直接與大腦接觸的神經界面（又稱神經電極），比喻為腦機接口中的前哨，也是該領域的卡脖子技術。神經電極的研發，要平衡解決植入尺寸、生物相容性、信號通道帶寬、記錄與刺激穩定等一系列問題。
為采集大腦神經元的信號，一種方法是在大腦中植入電極。早年電極以金屬、硅基等硬質材料為主，但大腦組織柔性很高；將電極植入大腦，就像“把針插入一盒豆腐”，一旦人體運動起來，必然會產生明顯的排異反應，使得最終電極被瘢痕包覆，導致記錄損失。
因此，科學家們早在十幾年前就提出了“柔性電極”的概念。將電極材料換成柔性比較高的高分子聚合物后，表現確實優于之前的金屬、硅基電極，但常規柔性電極的楊氏模量仍然遠高于腦組織，且存在尺寸過大的問題，植入后會存在短期或長期的免疫反應，導致電極記錄和刺激的不穩定。
但是，現有神經電極的通量和尺寸之間是聯動關系，通量低時，能記錄的神經信號規模有限，表征大腦真實活動和意圖的信息量就有限；而提高通量帶寬，難免要排布更多電極，導致神經界面組織占比的增大。
為了破解這一難題，趙鄭拓團隊采用超柔性電極設計方案：在材料本身柔性很難進一步降低的情況下，通過降低電極厚度，來降低彎曲應力。現在階梯醫療超柔性電極的彎曲應力，達到了細胞和細胞間作用力的量級，使細胞難以“感知”周圍神經電極的存在，從而形成沒有免疫瘢痕的神經電極界面，以實現穩定的記錄和刺激。
具體而言，一方面，是通過先進的微納加工工藝，將電極做到細胞尺寸，即一根頭發絲的1/300—1/200。“這樣的超柔性電極植入大腦后，侵入性是微乎其微的。我有一個demo是在1立方毫米的體積內，排布了近60個電極絲，有上千個信號采集通道。但評估它的侵入性，排開組織的體積，只有0.1%，對腦組織影響很小，”趙鄭拓解釋道。
除了電極尺寸降低帶來的柔性，還需要強大的后端電子系統，放大微弱的神經信號，把高帶寬的信息實時傳輸出去。神經元信號的發放速度非常快，“一個神經元的發放是2毫秒，要很好地描繪2毫秒的波形信息，需要40個采樣點；這意味著采樣率很高，也意味著單個通道采集的信息量非常大，因此也需要在后端發力，從應用角度，將超柔性電極的帶寬提高到一個高水平，以更多、更實時地從大腦中采集有效信息，并實現精細化、高維度信息的解碼和應用。”
據趙鄭拓介紹，基于高通量超柔性微納電極，其最新的工作中已實現最高2304通道信號記錄的無免疫瘢痕植入，空間采樣密度達1024通道/立方毫米，埋植超過300天以上，仍能穩定采集腦電波信號。
腦機接口的“倒金字塔模型”
在國際上，馬斯克團隊發起的侵入式腦機接口公司Neuralink，發展一直備受關注。那么與Neuralink相比，階梯醫療的技術能力和應用進程是怎樣的？為了清晰解答這一問題，趙鄭拓博士分享了腦機接口領域的“倒金字塔模型”。
整個腦機接口領域，可類比為“倒金字塔模型”，腦機接口最底層、待突破的技術瓶頸就是大腦和電極直接接觸的神經界面。神經界面做得越好，就相當于是植物的根立得越穩，所以神經界面是腦機接口“倒金字塔”的基底。
當然，只有神經界面肯定遠遠是不夠的，完善了底端后，金字塔的中間層是全系統開發。全系統開發是腦機接口技術和應用的“加速器”，也是必經之路。
倒金字塔模型的頂端，則是神經科學領域對腦機接口、對腦的理解，這也決定著現階段腦機接口技術的天花板。
“具體來看，Neuralink底層的神經電極技術，尺寸是我們的5-7倍。尺寸降低，柔性程度會以三次方的關系去提高，也就是說，尺寸減小1倍，柔性會提高2的三次方，即8倍。這一關鍵點，相應會帶來穩定性、生物相容性、安全性的提高，”趙鄭拓博士介紹。
同時，他表示，在腦機接口的“集成和系統”中間層，Neuralink更早開啟研發，且匯聚了全球頂尖的工程和科學團隊。目前來看，Neuralink系統樣機完成度更好，對比下來，“我們在電極層面有一定的優勢，但在系統集成方面，存在一定差距。”
在采訪中，階梯醫療反饋：系統開發的差距，需要集成現有工業界的多個解決方案，技術層面并不存在顯著的瓶頸。但開發過程中，往往需要微電子、材料、自動化等多專業人才，把其它領域的技術優勢嫁接起來，在腦機接口場景下進行集成，令底層神經界面的優勢，在應用中能夠充分發揮。
例如，消費電子行業先進的封裝技術、小型化集成電路工藝，拿到醫療器械場景，可以令產品形態尺寸更小、功耗更低、長期使用性能更優。“做中間系統，最重要的不是系統本身，關鍵還是對腦機接口本身的認知。我們很早就涉足腦機接口，從0到1做了很多探索，除了柔性電極，還包括動物模型開發等深入的科研。”
在趙鄭拓看來，腦機接口是類似于安卓開發者平臺、Windows系統的平臺型技術，基于技術平臺和底層生態，能夠讓不同科研團隊、臨床研究機構應用植入式腦機接口的工具，逐步建立底層生態。
醫療應用場景及人才觀
具體到階梯醫療正在研發的醫療場景應用，主要包括：運動障礙修復，針對中風、癱瘓、漸凍癥人群，通過腦機接口，讓重度殘疾人士能夠感知外部信息世界；通過控制外界機械設備，實現和物理世界的重新連接。
另外，通過精細深腦刺激，精細調控大腦的不同神經元或核團，進而輔助神經及精神類疾病的狀態調控，面向如帕金森、重度或難治性抑郁癥、強迫癥、毒品成癮人群等。階梯醫療也將針對這些適應癥，申請相應的三類植入式醫療器械。
目前，階梯醫療處于產品開發階段，團隊主要由研發、運營兩部分構成，其中研發部門根據產品和需求配置人才，又包括機器人研發部、一體化系統研發部。
作為研究這一領域的PI，趙鄭拓表示，腦機接口是多學科交叉的系統性工程，需要多方面的人才。比如在植入手術機器人方面，需要自動化、醫療機器人、嵌入式系統控制方面的人才；一體化神經信號采集與調控系統，則需要具備半導體高精密工藝、消費電子、模擬混合集成電路設計、三類醫療器械研發技術的人才；除了研發端，在注冊上市、臨床市場的把控上，也需要有經驗的團隊。
“我最初成立研究組時，第一批同學是很早就對腦機接口抱有熱情，尋找平臺來實現這件事。因此階梯在創辦之初就著力于給對腦機接口事業有熱情有追求的人創建一個能夠施展的平臺，聚攏不同技術背景的人才，共同把這件事做得離轉化、離真實的應用場景更進一步。”
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