复旦自研脑机芯片成为第八届上交会“镇馆之宝” “指甲盖大”芯片,24小时“读心” 2021-04-25 来源:解放日报
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复旦自研脑机芯片成为第八届上交会“镇馆之宝”

  实验室中,几只头戴电极帽的小鼠灵活游走,与此同时,实验人员的电脑上同步显示出五颜六色的波段——小鼠大脑发出的极为微弱的脑电信号,就这样被完整记录下来。能够实现这一切的玄机,藏于电极帽中的一块大小不足指甲盖的芯片中。

  就在前不久举行的第八届上交会上,复旦大学的“全无线侵入式64通道脑机接口芯片模组”项目摘得“镇馆之宝”称号。值得一提的是,该项目研发成功前,国际上在该领域尚未有成熟先例。

  该项目在单芯片上集成64个信号采集通道,实现了4米范围内64通道全带宽神经信号的24小时不间断记录。与国外同类商用产品相比,功耗降低了10倍,重量不足3克,成本仅为同类产品的一半。

  最大优势是“无线”

  芯片研发团队核心成员吕良剑介绍,研究项目启动的2016年,国内脑科学和类脑研究水平已经很高,但拥有自主知识产权的国产科研仪器却很稀缺,大部分实验仪器依赖进口,这促使他们想要自主研发一款国产脑活动记录仪器。

  在上海市科委基础研究重大项目支持下,复旦大学类脑芯片与片上智能系统研究院和华东师大脑功能基因组教学部重点实验室合作,根据神经科学家确定的各类指标需求,开始研发“芯片式无线脑活动记录系统”。系统由神经电极阵列、无线脑机接口芯片、接收机、计算软件等组成,用于采集、储存和分析实验动物的脑部神经元活动信号。其中,芯片是最为核心的部件。

  “无线”是这款芯片区别于市面同类产品的最大优势。研发团队在无线数据和无线能量同时传输核心技术上取得原创突破,让脑机接口芯片成功摆脱了线的束缚,允许生物体自由活动,更接近自然状态。

  “低功耗+长续航”是该芯片的另一大特点。这款芯片能够实现24小时连续工作,对生物体进行长时间、不间断的数据监测。研发团队还通过定义新的通讯协议、降低电压、优化信号处理,解决了信号记录稳定性和抗干扰等问题。

  “轻量化”是一大突破。实验装置太重会对小鼠活动产生较大负担,影响其活动。为此,研发团队把大部分功能都集成在芯片上,降低了对外部器件的要求,使整颗芯片面积小于16平方毫米,模组体积小于3立方厘米,总重量不超过3克。这种集成也在一定程度上降低了芯片制造的材料成本。

  有望预测癫痫发作

  2016年至今,复旦自研的这款芯片已流片4次。以它为核心部件的无线脑机接口系统正在接受上海脑科学家的测试,有望在不久的将来投入商用,成为我国脑科学与类脑研究的利器。

  “这款芯片的应用场景将集中在三个领域:认知障碍疾病的治疗、运动康复,以及硬件设备控制。”复旦类脑芯片与片上智能系统研究院助理研究员徐玲说。

  目前,研究院正与复旦大学附属中山医院合作开展灵长类动物实验,将电极植入猴子脑内,无线采集多通道的脑电信号供脑科学家研究,旨在了解癫痫病的发作机理,并对其实现预判和相关治疗。此外,抑郁症、狂躁症、帕金森病、阿尔茨海默病等精神类疾病,也有望通过相关研究得到辅助治疗。

  视觉感知和运动感知研究方向,目前是脑机信号研究中的热点。将芯片植入盲人视网膜下,使得盲人“重获光明”;通过想象“挥手”的感觉,瘫痪病人可将脑内信号通过芯片传送给电脑,从而操纵机械臂进行活动,等等。

  被人们接受度更高的非植入式芯片,则可应用在更多人的日常生活中。例如,通过非植入芯片将脑电信号传递到手机等智能设备上,无须动手即可完成“确认”“返回”“拨打电话”等简单的命令。

  而所谓科幻电影中的机器“读心术”,即依赖脑电波的解码就能将脑电波与文字语言对应起来,需大量的采集和训练,“我们的研究路径正在向这一方向努力。”青年研究员邹乔莎说。

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