本研究组利用先进微纳加工工艺与新型材料的结合,结合生物医学工程、微电子、机械工程和神经工程等交叉学科背景,系统性的开发与组织兼容,长期稳定的大规模柔性电子神经界面。并将其应用在基础神经科学,脑疾病学,以及侵入式脑机接口等方面的研究。      

  1. 长期稳定超高带宽的植入式脑机接口开发及其临床应用  

  植入式脑机接口通过构建大脑与外部机器间的实时信息传输通道,从而为残疾人恢复感觉及运动功能、治疗神经系统疾病,甚至实现人机共融和人体增强提供可能,也是未来脑机智能技术着重发展的方向。此项技术目前最突出的两个问题是植入体的生物相容性和接口的带宽问题。目前的植入式电极无法长期有效的在体内存在,且测量信号稳定性差,导致其使用寿命短,解码器设计复杂且需要大量的训练和校准。此外,现有接口的信道在一两百左右,提取出来的有效信息有限,因此可实现的控制自由度低且精度较差,大大限制了其应用价值。本研究组致力于开发兼具优异的组织兼容性和上千通道带宽的大规模的超柔电极阵列,以期解决以上两个问题,从而提高植入式脑机接口技术的临床应用价值。未来将通过进一步开发并构建双向、稳定、超高带宽的脑神经界面,利用深度学习来进行大规模神经信号的解码,结合精准刺激,长期稳定记录来实现对脊损伤、瘫痪或其他感知觉障碍病人的高性能运动辅助,以及高分辨率的视知觉重建等神经功能修复应用。      

  2. 大规模电生理应用于神经性疾病病理学研究、诊断及治疗  

  神经系统疾病,尤其是退行性疾病,比如帕金森、阿尔兹海默症等往往伴有漫长的发展过程,现有方式很难在动物模型中长期准确地监控疾病造成的大脑结构和功能性改变。大规模柔性电极阵列在大脑中具有长期稳定的测量表现,不仅可以实现对局部病灶微环路变化高分辨率的解析,而且可以在整个功能性回路水平上对疾病模型大脑多个脑区同时进行监测,为病理学研究提供了很好的工具。相比传统研究手段,能够提供更直接(神经元电活动)、更高分辨率(单个动作电位及单细胞精度)、更丰富(多脑区,上千神经元)的病理学信息。此外,该技术平台也可以应用在其他类型的神经性疾病,如癫痫、中风或心理疾病的研究上。本研究组希望利用在大规模电生理上的技术优势,对一些重大脑疾病的病因和发展机制进行研究。由于电生理指标的直接和可靠性,此技术平台还会被用在神经性疾病药物的筛选及疗效评估上。此外,由于电生理通道的双向性,通过颅内微刺激对神经系统的精准调控,从而对某些疾病进行干预和治疗。  

  3. 研究单元 

  微纳设计加工单元:针对不同应用场景及研究需求,对柔性微纳电极结构、材料以及工艺流程进行长期优化,拟实现从脑科学研究到临床应用场景全覆盖。进一步开发更高通道数、更高精度的柔性电极设备,以实现最终全脑单神经元分辨率的信号记录。 

  芯片设计及电生理系统研发单元:开发电极后端神经信号采集/刺激系统。研发具有无线、高带宽的信号采集系统;刺激系统可实现任意多组通道的精细电刺激,电刺激的电荷量、频率、模式均可自由调节。电刺激激活神经元范围不大于同种功能集群范围,实现特定神经功能调控。 

  植入手术及应用体系开发单元:开发微创、高效的植入手术机器人,且适配于包括各类实验动物及不同临床应用场景。基于临床标准进行一体化设备封装,开发高带宽、无线皮下埋植整体植入方案。 

  神经功能修复器件开发单元:针对运动体感功能修复开发双向闭环控制仿生假肢,灵长类在手被固定的情况下使用脑机接口技术完成更加复杂灵活的上肢任务,包括运动目标拦截、柔性目标快速抓取及自我喂食等。仿生假肢同时具备精细触觉及本体感觉反馈,通过特定神经功能集群电刺激形成一套双向闭环控制系统;针对视觉功能修复开发高分辨率的视觉假体,实现开放环境下的物体识别、空间导航、觅食、和社会行为。在灵长类上充分验证软硬件的可行性。 

  临床试验单元:开展脑机接口多中心临床试验,受试者接受多通道柔性脑机接口系统长期植入,拟实现如多种神经疾病调控、运动体感功能修复、视觉功能修复等。推进植入式柔性微纳电极系统临床转化。 

  脑大数据算法平台及全脑功能数据库单元:在包括啮齿类、鱼类、鸟类、猫类、犬类、非人灵长类等多种实验动物上进行多脑区高密度长期电生理信号记录,构建多种模式生物的全脑功能数据库,搭建脑大数据算法平台,推动神经解码算法及类脑智能研究进程。 

赵郑拓 博士

研究组组长;研究员