WAIC 2023“脑机智能与数字生命”主题论坛举办,脑机接口最新成果发布!
2023.07.12

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7月6日下午,2023年世界人工智能大会“脑机智能与数字生命”主题论坛在上海世博展览馆顺利召开。伴随着人工智能、神经生物学、科技的不断进步,脑机接口技术已经掀起一场全新的科技革命,这对推动人类的发展、社会进步都将产生无可预估的重大受益。

脑虎科技在现场发布七项横跨学术、临床及商业化的科技成果,包括多型号柔性电极、自动化科研手术机器人以及高通量神经信号采集分析系统,旨在帮助科研人员更精准、更高效、更便捷地开展临床科研实验。
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脑虎说,关于产品,

过去的一年我们在学术与商业上做了很多探索

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纵观脑机接口行业,从1924年BCI雏形的诞生,到1969年美国科学家Eberhard Fetz首次在猴子脑中植入电极,形成闭环神经调控。在经历了理论萌芽、概念论证,直到2015年,来自加州理工神经科学家Richard Andersen成功在一位四肢瘫痪的病人大脑中植入芯片,使其喝到了一口冰啤,脑机技术终于有了重大突破。2021年马斯克的Neuralink成功利用1024通道柔性电极实现猴子打游戏,2022年《Nature》公布数据表示人类用意念打字可以实现99%准确率。全球脑机接口技术已然推进至产业发展期。

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在侵入式脑机接口行业中,从技术层面来看主要有三大主要路线,分别是:硅基硬质电极系统、血管电极系统以及柔性电极系统。其中血管电极系统的代表是美国的Synchron公司,这项技术主要是通过血管微创植入电极,不用开颅,但采集信号能力有限,且因为血管支架一旦植入是不可逆的,还会存在长期在体的不稳定性。柔性电极系统是以马斯克为代表的技术路线,脑虎科技也选择这条技术路线,利用MEMS技术制造高通量电极,然后通过机器人开颅自动完成微创植入。据悉,三周前,美国FDA正式批准了Neuralink的科研临床试验,这对整个行业都有很大振奋作用。

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柔性电极为何能被称为“最长期且可持续的技术路径”?因为其可以解决三个最核心的问题,同样也是这项技术产业在推广上的三大核心要素:高通量、低创伤以及长期在体的稳定性。满足这三个条件,柔性脑机接口才能大规模的商业推广。

科技新成果发布:

七项成果,横跨学术、临床及商业化

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01

两项学术成果

丝蛋白神经光电极:利用丝蛋白与MEMS电极混合的多模态电极,用来实现大脑神经解析与调控。在蚕丝蛋白做的光纤外部包裹上MEMS电极,实现了用光来刺激,同时用MEMS来采集一个完整的多模态的闭环调控。其次,因为蚕丝原本的柔软性,可以使其在一定强度内的光耗控制的很好,植入时是硬质的,植入后就会变软,比传统的石英光纤低4个数量级,可实现在体适应性植入,MEMS电极能够支持高质量128通道的信号采集。

- 类蚊口器仿生柔性神经探针电极:利用类似于蚊子独特的口器结构,好比是一个外部较硬的物质,撑开结构再用柔性的吸管来吸血。这样植入的特点是,植入时能保持较好的硬度,植入之后柔性电极能够精准采集,而且可调节的梭针长度,能够实现对多个脑区的植入,适应不同类型大脑表面的形态。无需进行硬脑膜移除手术且植入避开血管损伤,因为每一跟探针背后都有一个非常高灵敏度的触觉传感器阵列,可以准确探测到在组织体内是碰到脑组织还是碰到血管。术后信号采集具有出色表现,12小时之内就能采集到高质量的单神经元的Spike信号。

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02

两项科研成果

实验对象是脑虎科技的动物员工,2岁的拉布拉多犬「尼奥」和7岁恒河猴「悟空」,它们分别完成了脑机接口的电极植入手术,在植入256通道皮层电极后均可采集LFP信号,「尼奥」成功实现运动解码,「悟空」成功实现通过意念打游戏的实验效果。通过两项动物实验显示,脑虎科技目前已实现了脑机接口系统从电极制备、信号采集、神经解码的全链条100%自研。


2023年3月17日的犬类实验中的运动轨迹高精度解码,已成功完成多模态信号采集及复杂系统建模,实时解码实现脑电控制,未来将在医疗、军事等领域有更多的应用场景。彭雷表示,在训练的环境下,软件跟解码都是实时完成。这应该是国内第一次犬类用皮层电极实现运动的解码,尼奥同学非常配合的完成了此次手术,术后的精神和情绪上良好,我们很欣慰兽医跟临床医生非常重视动物关爱。

2023年5月26日的恒河猴实验显示, 植入之后,采集脑电及猴子的手臂信号做解码。通过全套的自研设备可实时采集256通道的皮层脑电信号,完成恒河猴运动意图的连续解码,并利用实时解码数据让猴子通过意念控制继续游戏,达到“脑控”效果。为将来的脑控实验打下坚实的科研基础,是迈向临床实验的第一步。彭雷说,我们断开了它的插头,让它能够继续被解码,这是整个实验里面最重要的范式目的,我们非常有效的实现了这个效果,这是脑虎第一例在恒河猴上完成脑机接口打游戏的动物实验。


脑虎说:我们不仅在动物实验上取得了进展

在科研临床方面也有新的突破


脑虎科技表示,在动物实验上取得了进展之后,下一步就是上人的计划,但同时要面临着法规、伦理、包括对病人的价值跟保护诸多挑战。脑虎科技在科研临床方面得到了来自医院方的支持,因此在科研临床方面也有了新的突破。

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03

三项医疗临床成果

 2023年6月|34岁女性患者|基于柔性皮层脑机接口技术,实现重要脑功能区定位。 

患者在进行肿瘤切除手术过程中,术中通过植入256通道皮层电极,在她的肿瘤跟功能区重合的位置,让患者进行唤醒之后,结合自主开发的后端脑电采集设备和处理软件,执行一些相应的语言范式。采集并分析受试者语言任务中的脑电信号,实现患者术中语言区实时定位,指导外科医生精准切除脑区病灶,保留患者的重要脑功能。
传统是需要用犹他电极来刺激用户不同的区域,来做功能区的标定。而这种方式之下,不需要进行刺激,只需要患者进行一些语言范式的动作,就能我们精确的测量到这个语言区的边界,相关的脑区会有明确的响应,主要用于功能区的定位,实时快速的。对于病人而言,减少她被切除的有效组织的一个重要手段,这是有重要的临床价值的。

2023年5月|44岁女性患者|基于柔性皮层脑机接口技术,实现汉语言解码与合成

通过术中临时植入256通道柔性皮层电极,结合自主开发的后端脑电采集设备,术中记录受试者发音过程中的脑电信号,实现汉语语音解码和合成。
通过对患者做了音节跟音调的范式的同时,对音节跟音调的进行解码,再将解码的结果合成成一个新的合成语音,这是整个范式的目的。患者在术中的时候会发“ma”四种音调,我们同时记录她说这四个声音时候的脑电信号,进行解码,再合成成她的语音。

2023年2月|42岁男性患者|顺利完成一项256通道柔性深部电极的植入手术,实现单神经元Spike信号记录。

患者本身在右侧颞叶的癫痫病灶区有一个病倒需要切除,我们在切除之前,在他的病灶处植入了微型的柔性深部电极,植入之后采集到高质量的LFP场电位以及单个神经元的电位。最右边我们记录到26号神经元超过2000次Spike,平均每秒钟3-4个Spike。
使用了脑虎科技的深部电极+脑电仪跟软件来完成整个术式,这是非常有重大突破的一次临床进展,也达到了有效性跟安全性的初步验证。脑虎科技表示,后续会继续围绕这个场景做更多的科研临床尝试,这是在深部电极重要的科研成果。
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至此,此次脑虎科技最新科研进展的七项成果已全部发布,脑虎科技表示,“前两项是来自我们科学家团队的学术沉淀,脑虎虽然很年轻,但在产品研发上一直在努力迭代,我们在这些动物实验跟临床层面上的进展还是非常快的,这是我们自豪的一点。”

本次论坛上,脑虎科技还针对科研及医疗市场发布了新产品,分别是两款柔性电极植入手术机器人FlexShuttle、FlexShuttle Mini和脑电采集芯片M2。

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柔性电极植入手术机器人—FlexShuttle拥有高精度多级精度视觉模块设计,深度学习结合双目定位,智能识别、精准锁定;借助5+1自由度机械臂,可以满足大范围全方位覆盖颅骨,末端动作最高5g加速度,操控更容易;多模态传感检测实现自动安全停止的颅骨开孔;可兼容兼容钨针穿刺柔性电极、蚕丝蛋白电极操作。

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柔性电极植入手术机器人—FlexShuttle Mini可以基于标准大小鼠脑定位图谱的3D脑区模型,最优化计算手术路径,实现“所想即所得”的定制化;双目视觉识别定位结合360°全方位串联机械臂,实现“所见即所达”的易操作;系统精度达200μm,最小步尽量50μm,实现可指定脑区的精准到位;统一接口快换装置,自由切换颅钻、植入仪、光纤、微型注射器。

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去年脑虎科技发布了第一代芯片M1,脑虎称是基础技术的积累,并没有正式出货。此次的脑电采集芯片M2,是脑虎科技自主研发的64通道数模混合芯片,采用全自研16bit高精度ADC模块,裸片面积比国外竞品减小30%,兼容主流信号采集设备,据脑虎科技透露,M2产品已经与医院方、高校机构等达成了商业化落地意向,M2预计将在明年第二季度推向市场。

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脑科学经历了50多年的发展,也出现了一些痛点,这些痛点跟人工智能AI的主场面对的痛点是非常类似的。对于产品的多样化和软硬件不统一、数据和算法的不统一等问题,脑虎科技还发布了面向全球脑科学家的开放平台,将软硬件产品线进行统一架构。


脑虎科技联合创始人兼CEO彭雷在现场介绍,平台将涉及到信号处理、频谱动捕、通道选择、神经网络解码、运动轨迹预测的算法未来都将会开放开源。希望通过开放平台,让全球脑科家学实现数据的可累计、算法的可分享,然后让整个生态的迭代速度变快。

此外,彭雷呼吁,希望更多从事脑科学领域的,无论是科学家、医生、学者或者行业伙伴,一起加入建设开放平台,通过打造BCI生态圈,让脑科学也能像AI赋能于千行百业一样,以AI的迭代速度快速跑起来。

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脑机接口的未来,无论是侵入式、非侵入式,都会具备多方向可延展的想象空间,好比蜂窝网格一般,逐步渗透到我们的熟悉的领域,打造BCI+的生态圈,如同本次论坛上涉及到的脑机+类器官、脑机+脊髓等,终将会形成一座闭环的神经桥。BCI的未来有无限可能,生态圈的边界需要不断探索。

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近期AGI大火,很多人会将脑机接口与之关联。脑机接口(BCI)与通用人工智能(AGI)是一个互相融合的过程,碳基生命跟硅基生命未来一定会走到一起。

这两件事可以看成是一座桥的两端,AGI用全人类的数据、语料库、反复训练成一个超大语言模型,最终这个模型不会产生意识和认知。而脑机接口的本质是将人类如星辰大海般的大脑进行解析,尝试将它变成电脑可以理解的算法跟数据。

发布会的最后,中科院上海微系统所副所长、脑虎科技创始人兼首席科学家陶虎表示,脑机接口是在做把病人变回正常人的过程,这就意味着要做更多的临床研究,做更大的重大脑疾病诊治。而脑机接口的天花板,就是想把正常人变成超人,希望通过脑机接口把我们大脑跟外界更加强大的感知器和执行器联合起来,把我们的五官、四肢做更多的延续。
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人类大脑是宇宙中目前已知最复杂的事物,探索大脑本身是一项⾮常艰巨且充满挑战的事业,2023年的WAIC已圆满落幕,随着脑机接口科研成果的发布,这项技术势必掀起新一轮的科技浪潮。明年脑虎科技将会持续探索更多的科技进步,期待关注!

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