最新综述 | 皮层内外，无线自由——无线神经记录系统是脑机接口重要爆发点

脑机接口社区 2023-01-21

The following article is from 中国科学信息科学 Author SCIS

脑机接口技术是在大脑和外部设备之间建立直接通讯和控制通道的高级人机交互技术，其中，脑机接口器件系统是支撑脑机接口基础研究和实际应用的重要工具。然而，现有研究报道多数集中在整个系统的某一方面，如电极，电路或数据传输等，同时只有很少一部分系统实现了无线数据传输和无线供能。直到2021年，BrainGate团队才首次实现了人类大脑信号与计算机之间的无线高带宽传输。因此，一个微型、轻量、无线、可植入的神经记录微系统，是实现对自由移动的动物或人进行长期、实时、稳定监测的关键。其中，由于工程上的困难，无线神经记录系统的研究还处于起步阶段，需要在低功耗、高带宽和实时传输之间取得平衡，一系列突出问题亟待突破解决。

近日，西北工业大学常洪龙教授团队的无人系统技术研究院吉博文副教授和上海交通大学刘景全教授团队，联合撰文从系统层面剖析了植入皮层表面和深脑的无线神经记录系统现状，指明了脑机接口器件发展趋势和关键挑战。综述文章发表于《中国科学信息科学》（SCIENCE CHINA Information Sciences）。

文章全面总结了皮层外和皮层内无线脑电信号记录系统的最新进展，贯穿了高密度神经采集电极、低功耗专用集成电路芯片、无线数据传输方式、供电方式和高可靠系统封装的全技术链条。其中，采集电极主要阐述了皮层电极、犹他电极/类犹他电极阵列和密西根探针三类典型代表，在植入区位上由皮层外向皮层内逐步递进；集成电路部分包括信号处理单元、控制器和其他必要的基础电路，根据系统集成度可分为模块化分布式、折叠式、专用集成电路式和超紧凑式等结构方案；无线通讯方案包括射频、红外、超声等，而数据传输速率与脑电信号采样率和通道数直接相关；供电方案包括普通电池、无线充电电池、无线供电等，具体采用何种供电方式，需要综合考虑系统功耗，通道数，信号质量，传输方式和设备体积等因素；系统封装不可忽略，需通过防水性和气密性测试以保证系统稳定运行，同时外壳需采用生物相容性材料以保证植入安全性。

皮层内外无线神经记录系统的组成、趋势和应用。图片来源及版权：《中国科学：信息科学》及论文作者。

由于人脑有超过800亿的神经元，现有系统面对如此大规模的细胞数量还远远不够，因此无线植入式神经记录系统的发展仍面临诸多挑战。作者总结了六大关键性挑战：

（1）高密度电极与电路如何稳固连接，高通量神经信号如何高保真放大滤波、模数转换和进行算法处理；

（2）高通量数据无线传输存在巨大挑战，常用射频技术往往受到功耗和发热的限制；

（3）信号处理和无线传输需要消耗大量电能，同时上万通道无线神经记录系统的安全无线充电功率还远远不够；

（4）高通量无线传输和高功率供电导致发热问题严重；

（5）高密度无线神经记录系统还需要在结构和系统组件集成化方面进一步发展以实现小型化；

（6）无线神经记录系统寿命受多方面因素影响，长期植入人体缺乏可靠性验证。

植入式无线神经记录系统，是一个综合性强，多学科融合交叉的新兴研究领域，涉及微纳制造、微电子、通信、能源、生物医学、脑科学和人工智能等学科。系统级无线神经记录工具正朝着微型化，集成化，智能化方向发展，有望在医疗健康、人机交互、教育娱乐、军事应用等领域大有作为，必将成为下一代脑机接口重要爆发点。

论文的共同第一作者为西北工业大学吉博文副教授和研究生梁泽凯；西北工业大学常洪龙教授和上海交通大学刘景全教授为共同通讯作者。

吉博文

西北工业大学副教授

研究方向：

包括植入式柔性脑机接口器件，可穿戴柔性传感与人机交互。

论文信息：

Ji, B., Liang, Z., Yuan, X. et al. Recent advancesin wireless epicortical and intracortical neuronal recording systems. Sci.China Inf. Sci. 65, 140401 (2022).

DOI链接：

https://doi.org/10.1007/s11432-021-3373-1

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