脑机接口又一重大突破！深圳先进院李骁健及合作团队在Nature子刊发布最新成果
随着脑机接口技术的飞速发展，帮助瘫痪患者用意念交流、科幻作品里的人机交互，都在逐渐变为可能。现阶段，将脑机接口设备植入大脑进行采集、处理和分析神经信号的技术已经实现，但如何做到植入的器件更小巧、靶定更灵活、交互信息更高效，是全世界脑机接口领域亟需攻克的难题。
近日，中国科学院深圳先进技术研究院正高级工程师、深港脑科学创新研究院研究员李骁健与其合作团队披露了利用光纳米神经遥控技术，实现将脑机接口设备微器件化，可灵活精创植入，使用寿命可控，以及无线交互信息。这一脑机接口应用于神经康复领域的前沿技术，不但由中国学者首创并持续引领，还是脑机接口从实验室走向临床的重要环节。这项研究已于2022年9月5日发布在国际顶级期刊Nature子刊Nature Biomedical Engineering。
△2022年发布在Nature子刊上的共同通讯作者署名文章
这项名为Bioresorbable thin-film silicon diodes for the optoelectronic excitation and inhibition of neural activities的研究成果，是李骁健联合清华大学盛兴副教授团队、北京理工大学汪世溶副研究员等多个科研团队持续多年攻关所得，共同第一作者为清华大学原博士后黄云翔、北京生命科学研究所博士后崔玉婷、中国科学院深圳先进技术研究院研究实习员邓汉杰。
△李骁健在自主研发的高性能双光子脑神经成像显微镜旁
事实上，这并不是李骁健第一次发布该研究方向的文章。早在2018年，李骁健作为共同第一作者的另一篇文章就已经在Nature Biomedical Engineering上发表。而这篇文章也标志着李骁健与合作团队在国际上首创了光纳米神经遥控技术。
△2018年发布在Nature子刊上的共同第一作者署名文章
彼时的李骁健还在美国芝加哥的西北大学芬博格医学院研究神经信息的高通量采集和神经活性调控。李骁健与芝加哥大学化学系的实验室进行了神经调控新技术的合作，尝试寻找一种光纳米的神经遥控方法。
2018年发表论文中介绍的神经调控方法，主要是通过光电和热的精确转换，对神经组织的特定区域进行激活的效果。李骁健与合作团队以硅为主体材料，通过它的半导体纳米结构进行神经活性调控，虽然形成的电场局部已小到微米尺度，但其电势强劲，足以激活神经活动。
但当时的研究只实现了对脑神经兴奋状态的激活，并未实现对脑神经活动的抑制。且当时激活的光电转换率并不高，这对于该技术是否能应用于临床至关重要，如果能效过低，那么转换过程中光的能量会很强，将产生很强的热效应，对脑组织有损伤的风险。
△猕猴脑机接口实验模型
2018年秋天，李骁健回国加入中国科学院深圳先进技术研究院，彼时恰逢广东省脑与类脑重点研发计划启动。随后，李骁健参与了省级的类脑智能关键技术及系统研究、国家级的脑机融合的脑信息认知关键技术研究等项目。
时隔4年，李骁健在国内不仅继续推进对光纳米神经遥控技术的研究，还开发了广视野双光子显微镜，升级了神经信号宽带采集系统，推动了核心部件和芯片的国产化。
△超两千通道脑神经信号采集器原型机
李骁健介绍，2018年该项目的研究虽然是在美国开展，但主要的创立者、贡献者都是中国人。而此次在Nature Biomedical Engineering发表的最新成果，不但作者全部是中国人，而且都来自中国科研单位。
“在光纳米神经遥控领域，中国走在世界最前列，是这个领域的引领者。最近几年，国外一直在跟踪我们的研究，包括前两年有美国学者在PNAS（《美国科学院院报》）发表文章，其实都是模仿者。我们才是真正的技术原创。”李骁健表示。
此次发表的研究成果，可以说是对2018年论文中未能解决的问题的回答。首先，是成功用较低的光能，通过光电纳米器件，使神经产生持续的兴奋，提高激活的转化率。其次，神经系统既有兴奋也有抑制效果，此次研究通过不同光电极性的微纳材料做的器件结构，成功做到抑制神经元的活性。
“一是提高了效率，二是丰富了功能，这是这篇最新论文的主要贡献。”李骁健向记者表示，通过提高转化效率及丰富调控功能，光纳米神经调控技术有望在较短期内应用于临床。
△李骁健在“一席”演讲现场
目前，植入式脑机接口技术的应用，无法避免要往大脑里植入医疗装置，但脑外科手术中无法避免的创伤，给这项技术的临床应用带来了障碍。
“我们当然希望能通过一些无创的穿戴技术，把脑机接口的传感器放置在脑外，通过无线的通讯方式进行信息交互。但实际上，无论是从脑内读取数据，还是向脑内输入数据，穿戴式技术的时空精度都很低，能传输的信息量也很少。如果要达到精准交互大量的脑信息，这个信息传递的过程就必须在脑内进行。”李骁健向记者介绍，前沿研究的纳米神经交互技术，是对神经界面进行微米化甚至是纳米化的操作，让脑内和脑外信息实现双向无线传递。这种跨越颅骨的无线传输技术，只需要在脑中精创植入传感器即可实现，避免了大型脑外科手术带来的创伤，“我们希望做出能真正应用在临床上，作为医疗器械使用的工具。”
△团队成员在先进院主楼大厅合影
光遗传技术在神经生物学研究领域有较多应用，李骁健此前在从事脑科学研究时，也运用光遗传技术，进行过神经活性的精准调控。但光遗传技术是通过遗传学的方法对神经活性进行调控，目前在临床上仍存在伦理争议，所以在此次研究中，并未使用任何遗传学方法。
除了不使用遗传学方法外，此次研究的另一重点是在传感器植入后的可降解性上。针对神经康复的应用场景，如果植入大脑内的传感器是可降解的，那么传感器在其功能完成后，使用者就不需要再通过脑外科手术将传感器取出，极大地减小了外科手术造成的创伤。
△论文中有关传感器植入后可降解性的研究
“目前我们正进一步优化设计，努力开发出该技术的更多功能。进一步提升器件的能效，并准备做更大体型的动物实验。”李骁健表示，把技术发展成熟做成产品，尽快推向临床，服务于有神经系统疾病的患者，这是脑机接口研究的主要目的。
（本文图片均由李骁健团队提供）
来源：读创；审读：孙世建 田君
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