文/本刊記者 郭瀟雅

復(fù)旦大學(xué)腦科學(xué)研究院聚焦“腦機接口”技術(shù)最前沿，研發(fā)的“腦電驅(qū)動變色龍”系統(tǒng)獲得了國內(nèi)外專家的認可。

將某種設(shè)備植入大腦以實現(xiàn)人類和計算機之間的快速通信，這是《黑客帝國》等經(jīng)典科幻電影中的情節(jié)，“腦機接口”也是很多人津津樂道的話題。近日，有“硅谷鋼鐵俠”之稱的埃隆·馬斯克宣布，他旗下的腦機接口初創(chuàng)公司Neuralink已經(jīng)找到了高效實現(xiàn)腦機接口的方法，這套高寬帶腦機接口（BMI）系統(tǒng)可快速讀取腦信號，并有望在明年年底之前開始對人類進行試驗。

據(jù)悉，Neuralink的腦機接口系統(tǒng)，是利用一臺神經(jīng)手術(shù)機器人向人腦中植入被稱為“線”的專有技術(shù)芯片和信息條，然后可直接通過USB-C接口讀取大腦信號，甚至可以通過蘋果手機的應(yīng)用程序進行控制。Neuralink公司已開始在老鼠身上進行測試，并與加州大學(xué)戴維斯分校合作用猴子試驗。

事實上，除了馬斯克的團隊，國內(nèi)外還有不少致力于研究侵入式和非侵入式的腦電控制方面的科研人員?！吨袊t(yī)院院長》獲悉，復(fù)旦大學(xué)腦科學(xué)研究院張嘉漪課題組與復(fù)旦大學(xué)高分子系的彭慧勝課題組合作，于2016年開始該領(lǐng)域研究，相關(guān)研究成果以《用于電子及腦機接口交流的織物顯示》為題，在線發(fā)表于《先進材料》（Advanced Materials）上。

100 毫秒 “腦電驅(qū)動變色龍”系統(tǒng)從視皮層神經(jīng)元放電活動記錄到顏色信息的解碼，再到發(fā)光皮膚顏色的切換，全部在100ms內(nèi)完成。

筑實科研基礎(chǔ)

復(fù)旦大學(xué)腦科學(xué)研究院（以下簡稱“復(fù)旦腦研院”）于2006年4月成立，是復(fù)旦大學(xué)全校性的神經(jīng)科學(xué)研究實體機構(gòu)、教育部“985工程”二期重點建設(shè)的科技創(chuàng)新平臺之一，與醫(yī)學(xué)神經(jīng)生物學(xué)國家重點實驗室“兩位一體”。

復(fù)旦腦研院自成立以來，研究人員主持了一系列重大科研項目，包括科技部“973計劃”項目、“863計劃”項目、國家重點研發(fā)計劃課題、國家科技重大專項“重大新藥創(chuàng)制”項目、國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項課題、國家自然科學(xué)基金委重大重點項目等?？蒲锌偨?jīng)費近5億元。

在各項研究中，科研人員在基礎(chǔ)和臨床神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域取得了一批原創(chuàng)性重大科研成果，有88篇文章在Nature、Cell、Nature Genetics、Nature Neuroscience、Neuron等高影響力的SCI雜志上發(fā)表。研究成果獲得國家自然科學(xué)二等獎1項、國家科學(xué)技術(shù)進步二等獎3項、省部級一等獎7項，先后入選2011年中國科技十大進展新聞和2014年中國十大科學(xué)進展。

復(fù)旦腦研院副院長鄭平表示，近年來，通過引進海外杰出人才，整合校內(nèi)各學(xué)科力量，組建了跨學(xué)科的研究團隊。復(fù)旦腦研院現(xiàn)有29個研究組，研究人員來自生物學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、中西醫(yī)結(jié)合、數(shù)學(xué)等一級學(xué)科。以人才為基礎(chǔ)，打造了腦科學(xué)前沿科學(xué)中心、腦科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、腦科學(xué)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)平臺三個多學(xué)科交叉研究平臺，聯(lián)合生命科學(xué)、腦醫(yī)學(xué)、數(shù)學(xué)、信息科學(xué)、材料科學(xué)、微電子、類腦智能等多學(xué)科研究力量共同發(fā)展。

同時，復(fù)旦腦研院不斷完善平臺建設(shè)，先后組建了“復(fù)旦大學(xué)腦科學(xué)研究院-尼康生物影像中心”和“復(fù)旦大學(xué)神經(jīng)科學(xué)轉(zhuǎn)基因動物共享體系”，并緊貼神經(jīng)科學(xué)前沿學(xué)科及技術(shù)發(fā)展的需求，不斷引進具有技術(shù)先進性與實用性的高端科研儀器，實現(xiàn)了核心儀器的互聯(lián)網(wǎng)預(yù)約管理，穩(wěn)步提升各項技術(shù)支撐能力。隨著復(fù)旦神經(jīng)科研體量與水平同步提升，研究院公共技術(shù)平臺更高效地做好科研服務(wù)工作，為復(fù)旦神經(jīng)科學(xué)研究提供了優(yōu)質(zhì)技術(shù)支撐。

以優(yōu)質(zhì)的人才、前沿的技術(shù)、高效的平臺為基礎(chǔ)，復(fù)旦腦研院在腦機接口技術(shù)研發(fā)方面已取得階段成果。該院院長助理張嘉漪教授告訴記者，《用于電子及腦機接口交流的織物顯示》課題的核心是“腦電驅(qū)動變色龍”系統(tǒng)。該系統(tǒng)能通過對腦電信號的解碼，有效提取環(huán)境中的顏色信息，并用以實時控制可穿戴發(fā)光織物的顏色變化。

系統(tǒng)主要包括“腦電實時解碼系統(tǒng)”和“發(fā)光皮膚”兩個部分，前者主要由多通道電極記錄系統(tǒng)、自主開發(fā)的腦電解碼程序以及與之連接的控制系統(tǒng)組成，后者則是由可被編織成毛衣等織物的柔性多色發(fā)光纖維構(gòu)成。“腦電驅(qū)動變色龍”系統(tǒng)通過實時提取視皮層神經(jīng)元中具有顏色選擇性的信號，進行實時解碼并控制發(fā)光皮膚的顏色變化，實現(xiàn)腦電驅(qū)動的變色功能。

研發(fā)腦電驅(qū)動

對于該腦電驅(qū)動系統(tǒng)的研發(fā)靈感，張嘉漪表示，變色龍的皮膚顏色會隨著環(huán)境顏色的變化而變化，起到隱蔽和保護的作用。大部分動物的皮膚不具備感受顏色信息和變色功能，但視網(wǎng)膜中存在感知不同顏色的光感受器。在試驗中，小鼠的光感受器可以感知綠光、藍光和紫外光，在小鼠初級視皮層中也存在對藍光或綠光特異性反應(yīng)的顏色選擇性神經(jīng)元。隨后他們開始了三個階段的研發(fā)過程。

第一個階段是對小鼠視皮層具有顏色選擇性神經(jīng)元的篩選，主要是將多通道電極植入視皮層，在給予黃光和藍光刺激的同時，記錄視皮層神經(jīng)元的放電活動，發(fā)現(xiàn)對黃光和藍光刺激有不同放電頻率的顏色選擇性神經(jīng)元。

第二個階段是發(fā)光皮膚的制作，主要是通過針筒結(jié)構(gòu)制作包含外電子發(fā)光層和兩條內(nèi)平行凝膠電極的黃色和綠色發(fā)光纖維，并將雙色發(fā)光纖維編織到毛衣中，制備可發(fā)出黃色和綠色光的可穿戴器件。

第三個階段是神經(jīng)元放電活動的實時解碼與發(fā)光皮膚系統(tǒng)的控制。主要用Matlab程序?qū)崟r讀入顏色選擇性神經(jīng)元的放電頻率，并在100ms之內(nèi)，通過解碼程序向發(fā)光皮膚發(fā)出點亮對應(yīng)顏色發(fā)光纖維的指令。其間著重解決如何在100ms內(nèi)完成從神經(jīng)元放電活動到驅(qū)動發(fā)光皮膚顏色改變的動作，團隊通過RS232接口，將腦電系統(tǒng)記錄到的信息直接通過Matlab程序轉(zhuǎn)換為數(shù)字化命令，實現(xiàn)了切換電子皮膚的發(fā)光顏色。

復(fù)旦大學(xué)腦科學(xué)研究院科研人員正在研發(fā)腦電驅(qū)動技術(shù)。

張嘉漪認為，大自然的環(huán)境往往引起輕松愉悅的感受，肉食類動物或者自然災(zāi)害的場面往往引起恐懼的反應(yīng)，這是由于視皮層的不同神經(jīng)元分別投射到負責(zé)不同情感的腦區(qū)。此外，視皮層神經(jīng)元會對環(huán)境突然出現(xiàn)的變化產(chǎn)生異常強烈的反應(yīng)，如飛鳥從靜止起飛，或者汽車運動方向或速度的突然變化，都可能導(dǎo)致視覺感受范圍內(nèi)的神經(jīng)元放電發(fā)生顯著變化，從而將視覺注意力轉(zhuǎn)移到發(fā)生變化的 區(qū)域。

因而，“腦電驅(qū)動變色龍”系統(tǒng)對于不同的視覺圖景會引起不同的情感反應(yīng)，有望啟發(fā)可穿戴系統(tǒng)、仿生電子和柔性機器人等領(lǐng)域的智能化發(fā)展。未來，通過對視皮層細胞神經(jīng)元相關(guān)情感反應(yīng)的記錄，以及放電頻率變化對應(yīng)視覺區(qū)域的定位，可以促進多元化的腦電驅(qū)動可穿戴織物的發(fā)展，從而使人們穿的衣服不僅能融入環(huán)境，還能反映出周圍環(huán)境的利害特征。更進一步，可以進行環(huán)境探索過程中的精確定位，從而更多地將大腦中發(fā)生的情景和諸多變化，反映到可穿戴的智能織物上。

據(jù)介紹，“腦電驅(qū)動變色龍”系統(tǒng)目前已完成在動物模型上的實驗。下一步將重點開展基于人腦電驅(qū)動的可穿戴智能織物的開發(fā)工作，計劃用非侵入性方法記錄腦電對環(huán)境光變化的響應(yīng)，用于驅(qū)動發(fā)光皮膚的顏色切換。