阶梯医疗开发植入大脑中的超柔性微纳电极

通过脑机接口，用意念直接控制机器、实现交互，在科幻电影里很常见。但现实中，电光火石间，大脑上百亿个神经元传导的信号，如何采集、解析，都是科学家们正在攻关的难题。

基于在神经界面领域的积累，「阶梯医疗」（全称：上海阶梯医疗科技有限公司）于2021年8月成立。据悉，其创始人赵郑拓系90后，博士毕业于德克萨斯大学奥斯汀分校生物医学工程专业，现在国内一知名科研机构任博士生导师。

阶梯医疗聚焦植入式脑机接口系统的开发，自主研发包括无线脑电记录系统、刺激系统、手术植入机器人等医疗产品，以解决各类原因导致的运动功能障碍、重度难治性神经与精神类疾病等临床难点。目前，由赵郑拓博士带领的科研团队已启动柔性电极术外埋植安全性、有效性的临床试验。

除了临床疗法的开发，阶梯医疗将推出的多系统适配电极板，搭载了超柔性微纳电极；产品拟于今年上市商业化，主要面向神经科学/脑科学研究团队、医院临床科研、脑机接口相关应用厂商等。“为了构建中国植入式脑机接口的科研生态，我们希望超柔性电极技术先应用起来，支持研究团队开发更具应用价值的脑机接口产品，”赵郑拓在接受36氪专访时表示。

植入大脑中的超柔性微纳电极

“脑机接口，是有望打开人类和机器的接口，能够让人脑和机器直接进行交互，”赵郑拓将直接与大脑接触的神经界面（又称神经电极），比喻为脑机接口中的前哨，也是该领域的卡脖子技术。神经电极的研发，要平衡解决植入尺寸、生物相容性、信号通道带宽、记录与刺激稳定等一系列问题。

为采集大脑神经元的信号，一种方法是在大脑中植入电极。早年电极以金属、硅基等硬质材料为主，但大脑组织柔性很高；将电极植入大脑，就像“把针插入一盒豆腐”，一旦人体运动起来，必然会产生明显的排异反应，使得最终电极被瘢痕包覆，导致记录损失。

因此，科学家们早在十几年前就提出了“柔性电极”的概念。将电极材料换成柔性比较高的高分子聚合物后，表现确实优于之前的金属、硅基电极，但常规柔性电极的杨氏模量仍然远高于脑组织，且存在尺寸过大的问题，植入后会存在短期或长期的免疫反应，导致电极记录和刺激的不稳定。

但是，现有神经电极的通量和尺寸之间是联动关系，通量低时，能记录的神经信号规模有限，表征大脑真实活动和意图的信息量就有限；而提高通量带宽，难免要排布更多电极，导致神经界面组织占比的增大。

为了破解这一难题，赵郑拓团队采用超柔性电极设计方案：在材料本身柔性很难进一步降低的情况下，通过降低电极厚度，来降低弯曲应力。现在阶梯医疗超柔性电极的弯曲应力，达到了细胞和细胞间作用力的量级，使细胞难以“感知”周围神经电极的存在，从而形成没有免疫瘢痕的神经电极界面，以实现稳定的记录和刺激。

具体而言，一方面，是通过先进的微纳加工工艺，将电极做到细胞尺寸，即一根头发丝的1/300—1/200。“这样的超柔性电极植入大脑后，侵入性是微乎其微的。我有一个demo是在1立方毫米的体积内，排布了近60个电极丝，有上千个信号采集通道。但评估它的侵入性，排开组织的体积，只有0.1%，对脑组织影响很小，”赵郑拓解释道。

除了电极尺寸降低带来的柔性，还需要强大的后端电子系统，放大微弱的神经信号，把高带宽的信息实时传输出去。神经元信号的发放速度非常快，“一个神经元的发放是2毫秒，要很好地描绘2毫秒的波形信息，需要40个采样点；这意味着采样率很高，也意味着单个通道采集的信息量非常大，因此也需要在后端发力，从应用角度，将超柔性电极的带宽提高到一个高水平，以更多、更实时地从大脑中采集有效信息，并实现精细化、高维度信息的解码和应用。”

据赵郑拓介绍，基于高通量超柔性微纳电极，其最新的工作中已实现最高2304通道信号记录的无免疫瘢痕植入，空间采样密度达1024通道/立方毫米，埋植超过300天以上，仍能稳定采集脑电波信号。

脑机接口的“倒金字塔模型”

在国际上，马斯克团队发起的侵入式脑机接口公司Neuralink，发展一直备受关注。那么与Neuralink相比，阶梯医疗的技术能力和应用进程是怎样的？为了清晰解答这一问题，赵郑拓博士分享了脑机接口领域的“倒金字塔模型”。

整个脑机接口领域，可类比为“倒金字塔模型”，脑机接口最底层、待突破的技术瓶颈就是大脑和电极直接接触的神经界面。神经界面做得越好，就相当于是植物的根立得越稳，所以神经界面是脑机接口“倒金字塔”的基底。

当然，只有神经界面肯定远远是不够的，完善了底端后，金字塔的中间层是全系统开发。全系统开发是脑机接口技术和应用的“加速”，也是必经之路。

倒金字塔模型的顶端，则是神经科学领域对脑机接口、对脑的理解，这也决定着现阶段脑机接口技术的天花板。

“具体来看，Neuralink底层的神经电极技术，尺寸是我们的5-7倍。尺寸降低，柔性程度会以三次方的关系去提高，也就是说，尺寸减小1倍，柔性会提高2的三次方，即8倍。这一关键点，相应会带来稳定性、生物相容性、安全性的提高，”赵郑拓博士介绍。

同时，他表示，在脑机接口的“集成和系统”中间层，Neuralink更早开启研发，且汇聚了全球顶尖的工程和科学团队。目前来看，Neuralink系统样机完成度更好，对比下来，“我们在电极层面有一定的优势，但在系统集成方面，存在一定差距。”

在采访中，阶梯医疗反馈：系统开发的差距，需要集成现有工业界的多个解决方案，技术层面并不存在显著的瓶颈。但开发过程中，往往需要微电子、材料、自动化等多专业人才，把其它领域的技术优势嫁接起来，在脑机接口场景下进行集成，令底层神经界面的优势，在应用中能够充分发挥。

例如，消费电子行业先进的封装技术、小型化集成电路工艺，拿到医疗器械场景，可以令产品形态尺寸更小、功耗更低、长期使用性能更优。“做中间系统，最重要的不是系统本身，关键还是对脑机接口本身的认知。我们很早就涉足脑机接口，从0到1做了很多探索，除了柔性电极，还包括动物模型开发等深入的科研。”

在赵郑拓看来，脑机接口是类似于安卓开发者平台、Windows系统的平台型技术，基于技术平台和底层生态，能够让不同科研团队、临床研究机构应用植入式脑机接口的工具，逐步建立底层生态。

医疗应用场景及人才观

具体到阶梯医疗正在研发的医疗场景应用，主要包括：运动障碍修复，针对中风、瘫痪、渐冻症人群，通过脑机接口，让重度残疾人士能够感知外部信息世界；通过控制外界机械设备，实现和物理世界的重新连接。

另外，通过精细深脑刺激，精细调控大脑的不同神经元或核团，进而辅助神经及精神类疾病的状态调控，面向如帕金森、重度或难治性抑郁症、强迫症、毒品成瘾人群等。阶梯医疗也将针对这些适应症，申请相应的三类植入式医疗器械。

目前，阶梯医疗处于产品开发阶段，团队主要由研发、运营两部分构成，其中研发部门根据产品和需求配置人才，又包括机器人研发部、一体化系统研发部。

作为研究这一领域的PI，赵郑拓表示，脑机接口是多学科交叉的系统性工程，需要多方面的人才。比如在植入手术机器人方面，需要自动化、医疗机器人、嵌入式系统控制方面的人才；一体化神经信号采集与调控系统，则需要具备半导体高精密工艺、消费电子、模拟混合集成电路设计、三类医疗器械研发技术的人才；除了研发端，在注册上市、临床市场的把控上，也需要有经验的团队。

“我最初成立研究组时，第一批同学是很早就对脑机接口抱有热情，寻找平台来实现这件事。因此阶梯在创办之初就着力于给对脑机接口事业有热情有追求的人创建一个能够施展的平台，聚拢不同技术背景的人才，共同把这件事做得离转化、离真实的应用场景更进一步。”　　

      审核编辑：彭静