基于MEMS超声波方案的“真”无线植入式脑机接口技术

2024年1月30日，埃隆·马斯克通过社交平台发布消息，声称Neuralink公司成功进行了首例脑机接口人体植入手术，被植入者恢复状况良好；3年前，Neuralink公司将芯片植入猕猴大脑，猕猴在没有控制器或键盘的情况下也能玩视频游戏。脑机接口技术的快速发展让这项“未来技术”显得距离我们并非如此遥远：让瘫痪患者用意念控制假肢、治疗老年痴呆和抑郁症等神经系统疾病、让盲人恢复视力、对记忆进行存储等。

理想很丰满，现实却很骨感。人脑拥有上百亿个脑细胞，但目前即使国外最先进的脑机接口技术也达到3000多个通道，只能够局部地处理脑部信息，类似于盲人摸象。为了能够实现与脑部更精细、更大范围的通信，处理更大量的信息，大幅提高通道数是必经之路。脑机接口方案可以粗略地分为非植入式和植入式两类：非植入式脑机接口不需要将神经电极植入大脑，但信号强度和分辨率非常有限，仅靠大幅增加通道数量无法进一步提高信号质量；植入式脑机接口将神经电极“插入”大脑中，会增加免疫反应和损伤神经细胞的风险，却拥有极佳的信号强度和分辨率，通道数量至关重要，这也是目前大多数脑机接口公司采用的技术方案。

在植入式脑机接口方案中，将微型电极植入脑部神经元附近对其电信号进行检测与激励以实现双向通信，类似电脑存储信息的读取和写入；为了和深度植入大脑的微型电极取得联系，通常需要柔性连接线将微型电极和位于大脑外部的数据处理芯片相连。柔性连接线的数量和长度在一定程度上限制了脑机接口的通道数和微型电极的植入深度，同时其有限的生物兼容性和抗电磁干扰能力也影响着脑机接口的安全性和使用寿命。图1展示了Neuralink公司的脑机接口方案，虽然整个植入装置与人体外部“无线连接”，但植入大脑的1024个微型电极依然需要通过64根柔性连接线与芯片连接，严重限制了通道数量。人们需要找到一种不需要柔性连接线的“真”无线植入式脑机接口技术方案，大幅提高通道数量。

图1 Neuralink公司的脑机接口植入装置（左）及其脑部植入方案（右）

据麦姆斯咨询报道，近日，天津大学精密测试技术及仪器全国重点实验室MEMS课题组和剑桥大学电子工程系Bioelectronics课题组的研究人员组成跨国科研团队，首次提出基于MEMS超声波方案的神经电刺激技术路线，为不需要柔性连接线的“真”无线植入式脑机接口铺平了道路。相关研究成果以“A mm-Sized Acoustic Wireless Implantable Neural Stimulator Based on a Piezoelectric Micromachined Ultrasound Transducer”为题，发表在Sensors and Actuators B: Chemical期刊上。

图2 基于MEMS超声波方案的无线神经电刺激

研究人员通常使用电磁线圈近场耦合的方式实现无线连接，但这种电磁方案在体内的微型化和传输效率方面并不令人满意。超声波的波长远小于电磁波，有利于无线设备的小型化；另外，超声波在人体组织中的传播损耗远小于电磁波，传输效率更高，而且超声波有较高的安全功率限值，相对更加安全。认识到超声波在体内实现无线传输的独特优势，科研团队提出了基于MEMS超声波方案的无线神经电刺激植入装置WINS（wireless implantable neural stimulator）。WINS通过超声波实现微型电极的无线连接，如图2所示。WINS包含压电式MEMS超声换能器、阻抗匹配电路、整流电路以及目标神经负载。其中，MEMS超声换能器采用AlN薄膜作为压电材料，相比PZT薄膜而言，AlN的生物兼容性已经得到广泛验证；另一方面，相比传统PZT块体超声换能器，AlN薄膜MEMS超声换能器的尺寸更小，并且可以和CMOS处理电路单片集成。封装后的整个WINS大小约为5 mm × 5.5 mm ×2.5 mm，如图3所示。

图3 （a）压电式MEMS超声换能器阵列；（b）超声换能器阵列中的一个阵元；（c）WINS正面照片；（d）WINS侧面照片

在动物试验中，将无线植入装置WINS埋至大鼠皮下的坐骨神经上，通过在大鼠体外施加超声波，观察WINS对坐骨神经的电刺激效果，如图4所示。WINS在接收到穿透大鼠身体的超声波后，输出近100 mV的电压作用于大鼠的坐骨神经（图5a），可以明显观察到大鼠后腿肌肉的抽动，并通过肌电图记录了肌肉的周期性抽动（图5b）。

图4 动物实验现场：大鼠坐骨神经电刺激

图5 动物实验结果：（a）WINS输出的电压曲线用于神经电刺激；（b）周期性刺激大鼠坐骨神经，其后腿肌肉抽动产生的肌电图

据本论文通讯作者张孟伦和庞慰教授介绍，该方案利用超声波在体内的高效传输实现了对柔性连接线的替代，并借助MEMS超声换能器技术展示了mm级大小的微型装置对坐骨神经的无线神经电刺激；未来通过MEMS+IC单芯片集成技术有望将整个装置的体积缩小到10⁻³ mm³甚至10⁻⁶ mm³，因此可以在大脑中布置上万甚至百万颗芯片，并与大脑外部的装置实现双向无线通信，为超高通道、深度植入、安全可靠的“真”无线脑机接口铺平道路。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.snb.2024.135382

 

审核编辑：刘清