研究人员使用CyberSense开展猕猴大脑皮层植入手术。自动化所供图

承载着治疗多种神经系统和脑部疾病希望的脑机接口技术发展日新月异。最近,在脑机接口电极植入领域,又传来一个好消息。

记者从中国科学院自动化研究所(以下简称自动化所)获悉,该所脑图谱与类脑智能实验室(以下简称脑与类脑实验室)脑机接口与融合智能团队自主研发的柔性微电极植入机器人产品——CyberSense,已于日前通过深圳市“脑解析与脑模拟”重大科技基础设施预验收。

脑与类脑实验室主任、脑机接口与融合智能团队负责人余山告诉《中国科学报》,这款电极植入机器人产品可协助科学家将比头发丝更细、更软的柔性微电极植入实验动物的大脑皮层,为脑机接口与脑科学研究提供关键支撑。

“缝纫机”式植入

据介绍,CyberSense是“缝纫机”式柔性电极自动植入机器人,具有多项自主知识产权,能灵活兼容不同规格的柔性微电极,可应用于啮齿类、非人灵长类等动物的大脑皮层植入。

何谓“缝纫机”式植入?余山告诉《中国科学报》,由于植入过程是利用一根硬质针不断上下穿梭操作柔软的微丝,类似于缝纫机的工作过程,所以国内外学者称其为“缝纫机”式植入。

CyberSense微电极植入机器人系统由智能感知系统、精密机械臂、信号处理系统、控制系统等组成。在感知系统的引导下,它能以微米级的三维操作精度,将多根直径(厚度)≤10微米、宽度≤100微米的微丝状电极植入大脑皮层内,并灵活避让脑血管。

植入后的柔性微电极可将大脑的神经电信号传导到微型芯片。微型芯片会对收集到的神经信号进行处理和通信,从中解析出大脑正在执行的信息,并控制外部设备,也可以通过微电流刺激电极触点附近的神经细胞,对脑活动进行调控。

据该团队介绍,目前CyberSense已成功支持了中国科学院半导体研究所和深圳市微灵脑机智能融合科技有限公司等研制的多种规格的柔性微电极植入,服务于脑机接口和神经电生理相关研究。

为何如此重要

随着脑机接口特别是植入式脑机技术的发展,行业内对电极植入设备的重视与日俱增。

电极植入机器人产品的研制难点是什么?它为何如此重要?

余山对记者解释说,植入式脑机接口是一个高度交叉的领域,涉及电极、芯片、植入、通信、脑外科、人工智能、神经解码等多种关键技术,需要多学科协作创新和集成攻关。而随着新材料和微纳加工技术的进步,现在的植入式电极越来越微小和柔软,在大大降低植入创伤和排异反应的同时,也带来了植入难度越来越大、远超人手和肉眼能力极限的问题。因此,高度自动化的植入机器人已成为脑机接口领域的核心设备。

余山进一步指出,植入式脑机接口可以给残障人士带来高性能的意念控制、语音合成、视觉重建等技术福利,也可以协助科学家利用高通量信号研究大脑的工作原理。但是,如何采集大量高质量的神经信号,并尽可能减少植入带来的安全风险,是植入式脑机接口技术面临的核心问题。

对此,深圳市“脑解析与脑模拟”重大科技基础设施用户代表、中国科学院深圳先进技术研究院正高级工程师李骁健表示,在安全问题上,植入式脑机接口已经由硬质电极时代进入柔性电极时代。相比硬质电极,柔性电极对脑皮层损伤更小、感染风险更低;在采集信号的质与量方面,增加微电极数量是可行之道。

“只植入一根柔性微电极,仅能采集单点、少量的神经信号,不足以支撑高性能脑机接口,而植入多根柔性微电极可以覆盖更多神经元,提高神经信号的丰富性,但多电极植入的难度会大大增加。”李骁健说。

难度彰显技术深度

目前,柔性电极有多种不同类型,例如有贴在大脑皮层表面的薄膜电极、从静脉血管介入的支架电极等,不同的柔性电极各有千秋。相比之下,微丝状柔性电极在神经信号采集中有更大优势:在植入大脑皮层内部后,电极与神经元直接接触,能采集到高精度的神经元脉冲。

据CyberSense项目负责人、脑与类脑实验室副研究员秦方博介绍,柔性微电极的宽度与头发丝直径相仿,厚度仅为头发丝直径的约1/10,杨氏模量(衡量材料抵抗形变能力的物理量)非常低,这些特点致使电极非常难以观测和操作。同时,植入时还要对植入点进行规划选择,避免损伤脑血管。

此外,正如前述所说,多电极植入的难度也会大大提高。越有难度,越彰显技术深度。秦方博告诉《中国科学报》,通过发挥自动化所在智能感知和机器人控制方面的技术强项,植入机器人CyberSense具有自动化程度高、可植入数量多、空间定位准、时间效率高、使用方便快捷、灵活避让血管的优势,有效提高了柔性微电极植入的成功率和植入效果。

他同时表示,CyberSense的成功研发是脑与类脑实验室脑机接口与融合智能团队成员通力协作取得的多学科交叉成果。另外,在柔性微电极制备及植入方面,中国科学院半导体研究所研究员裴为华团队提供了丰富的技术经验,为项目的成功实施提供了重要支持。

研究团队表示,下一步,脑与类脑实验室脑机接口与融合智能团队将继续开发柔性电极植入机器人系列产品,为促进国内脑机接口与脑科学的发展再献一份力。

(原载于《中国科学报》 2025-05-07 第3版 领域)