基于MEMS超聲波方案的“真”無線植入式腦機接口技術

2024年1月30日，埃隆·馬斯克通過社交平臺發布消息，聲稱Neuralink公司成功進行了首例腦機接口人體植入手術，被植入者恢復狀況良好；3年前，Neuralink公司將芯片植入獼猴大腦，獼猴在沒有控制器或鍵盤的情況下也能玩視頻游戲。腦機接口技術的快速發展讓這項“未來技術”顯得距離我們并非如此遙遠：讓癱瘓患者用意念控制假肢、治療老年癡呆和抑郁癥等神經系統疾病、讓盲人恢復視力、對記憶進行存儲等。

理想很豐滿，現實卻很骨感。人腦擁有上百億個腦細胞，但目前即使國外最先進的腦機接口技術也達到3000多個通道，只能夠局部地處理腦部信息，類似于盲人摸象。為了能夠實現與腦部更精細、更大范圍的通信，處理更大量的信息，大幅提高通道數是必經之路。腦機接口方案可以粗略地分為非植入式和植入式兩類：非植入式腦機接口不需要將神經電極植入大腦，但信號強度和分辨率非常有限，僅靠大幅增加通道數量無法進一步提高信號質量；植入式腦機接口將神經電極“插入”大腦中，會增加免疫反應和損傷神經細胞的風險，卻擁有極佳的信號強度和分辨率，通道數量至關重要，這也是目前大多數腦機接口公司采用的技術方案。

在植入式腦機接口方案中，將微型電極植入腦部神經元附近對其電信號進行檢測與激勵以實現雙向通信，類似電腦存儲信息的讀取和寫入；為了和深度植入大腦的微型電極取得聯系，通常需要柔性連接線將微型電極和位于大腦外部的數據處理芯片相連。柔性連接線的數量和長度在一定程度上限制了腦機接口的通道數和微型電極的植入深度，同時其有限的生物兼容性和抗電磁干擾能力也影響著腦機接口的安全性和使用壽命。圖1展示了Neuralink公司的腦機接口方案，雖然整個植入裝置與人體外部“無線連接”，但植入大腦的1024個微型電極依然需要通過64根柔性連接線與芯片連接，嚴重限制了通道數量。人們需要找到一種不需要柔性連接線的“真”無線植入式腦機接口技術方案，大幅提高通道數量。

圖1 Neuralink公司的腦機接口植入裝置（左）及其腦部植入方案（右）

據麥姆斯咨詢報道，近日，天津大學精密測試技術及儀器全國重點實驗室MEMS課題組和劍橋大學電子工程系Bioelectronics課題組的研究人員組成跨國科研團隊，首次提出基于MEMS超聲波方案的神經電刺激技術路線，為不需要柔性連接線的“真”無線植入式腦機接口鋪平了道路。相關研究成果以“A mm-Sized Acoustic Wireless Implantable Neural Stimulator Based on a Piezoelectric Micromachined Ultrasound Transducer”為題，發表在Sensors and Actuators B: Chemical期刊上。

圖2 基于MEMS超聲波方案的無線神經電刺激

研究人員通常使用電磁線圈近場耦合的方式實現無線連接，但這種電磁方案在體內的微型化和傳輸效率方面并不令人滿意。超聲波的波長遠小于電磁波，有利于無線設備的小型化；另外，超聲波在人體組織中的傳播損耗遠小于電磁波，傳輸效率更高，而且超聲波有較高的安全功率限值，相對更加安全。認識到超聲波在體內實現無線傳輸的獨特優勢，科研團隊提出了基于MEMS超聲波方案的無線神經電刺激植入裝置WINS（wireless implantable neural stimulator）。WINS通過超聲波實現微型電極的無線連接，如圖2所示。WINS包含壓電式MEMS超聲換能器、阻抗匹配電路、整流電路以及目標神經負載。其中，MEMS超聲換能器采用AlN薄膜作為壓電材料，相比PZT薄膜而言，AlN的生物兼容性已經得到廣泛驗證；另一方面，相比傳統PZT塊體超聲換能器，AlN薄膜MEMS超聲換能器的尺寸更小，并且可以和CMOS處理電路單片集成。封裝后的整個WINS大小約為5 mm × 5.5 mm ×2.5 mm，如圖3所示。

圖3 （a）壓電式MEMS超聲換能器陣列；（b）超聲換能器陣列中的一個陣元；（c）WINS正面照片；（d）WINS側面照片

在動物試驗中，將無線植入裝置WINS埋至大鼠皮下的坐骨神經上，通過在大鼠體外施加超聲波，觀察WINS對坐骨神經的電刺激效果，如圖4所示。WINS在接收到穿透大鼠身體的超聲波后，輸出近100 mV的電壓作用于大鼠的坐骨神經（圖5a），可以明顯觀察到大鼠后腿肌肉的抽動，并通過肌電圖記錄了肌肉的周期性抽動（圖5b）。

圖4 動物實驗現場：大鼠坐骨神經電刺激

圖5 動物實驗結果：（a）WINS輸出的電壓曲線用于神經電刺激；（b）周期性刺激大鼠坐骨神經，其后腿肌肉抽動產生的肌電圖

據本論文通訊作者張孟倫和龐慰教授介紹，該方案利用超聲波在體內的高效傳輸實現了對柔性連接線的替代，并借助MEMS超聲換能器技術展示了mm級大小的微型裝置對坐骨神經的無線神經電刺激；未來通過MEMS+IC單芯片集成技術有望將整個裝置的體積縮小到10?3 mm3甚至10?? mm3，因此可以在大腦中布置上萬甚至百萬顆芯片，并與大腦外部的裝置實現雙向無線通信，為超高通道、深度植入、安全可靠的“真”無線腦機接口鋪平道路。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.snb.2024.135382