電影《阿凡達(dá)》中出現(xiàn)過這樣一個(gè)橋段：下身癱瘓的前海軍戰(zhàn)士杰克躺在密封艙中，通過頭上戴著的復(fù)雜設(shè)備，利用意念操控阿凡達(dá)，行動(dòng)自如。
這種出現(xiàn)在科幻片中的“意念控制”在許多年前還只是天方夜譚。近些年來，隨著神經(jīng)科學(xué)與相關(guān)技術(shù)的不斷突破，腦機(jī)接口（BCI）技術(shù)快速發(fā)展，“意念控制”開始照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。
大腦是人體最復(fù)雜的器官，擁有1000多億個(gè)神經(jīng)元，可形成100多萬億個(gè)神經(jīng)元連接。BCI技術(shù)指的是在大腦與外部設(shè)備之間建立通信和控制通道，將腦電信號(hào)（EEG）轉(zhuǎn)換為控制指令，實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備與大腦的信息交流。通過BCI技術(shù)可以幫助腦卒中(CVA)、脊髓損傷(SCI)、漸凍癥(ALS)等因神經(jīng)受損而失去行動(dòng)或說話能力的人恢復(fù)與外界的交流，甚至恢復(fù)身體功能。
Paradromics公司致力于開發(fā)高數(shù)據(jù)速率的侵入性BCI技術(shù)，讓具有嚴(yán)重連通性障礙的患者恢復(fù)與外界的交流和身體功能。
動(dòng)脈網(wǎng)獲悉，2023年5月18日，Paradromics的設(shè)備Connexus直接數(shù)據(jù)接口（Connexus DDI）獲得了美國FDA突破性醫(yī)療器械認(rèn)定，該設(shè)備可用于治療不可逆轉(zhuǎn)的衰弱性疾病。同時(shí)，Paradromics還獲得了3300萬美元的A輪融資，此輪融資由Prime Movers Lab領(lǐng)投。這筆新資金將用于啟動(dòng)Connexus DDI的首次人體臨床試驗(yàn)。
結(jié)合微線陣列和猶他陣列，同時(shí)記錄6萬多個(gè)通道數(shù)據(jù)
BCI技術(shù)試圖為計(jì)算機(jī)和大腦間的運(yùn)行搭橋，但比起計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度，神經(jīng)元在大腦中的運(yùn)行速度非常慢，幾乎比計(jì)算機(jī)慢一百萬倍。換句話說，大腦和外界之間真正順暢的通信需要一個(gè)高帶寬的連接。
強(qiáng)行提高大腦的運(yùn)行速度顯然是不可能實(shí)現(xiàn)的。一種可行的解決方法是：在短時(shí)間內(nèi)讀取更多的神經(jīng)元，進(jìn)而提高與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸效率。
較為先進(jìn)的一種系統(tǒng)是猶他陣列（Utah Array），該系統(tǒng)是用于腦皮層內(nèi)植入的電極陣列，一次可以在大腦中安裝128個(gè)電極，定制多達(dá)1024個(gè)通道。猶他陣列已獲得FDA的商業(yè)許可，被證明可以治療中風(fēng)患者和脊髓損傷患者。
Paradromics團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，在電極通道為百個(gè)、千個(gè)的時(shí)候已經(jīng)具有如此良好的性能，如果電極通道更多，那性能或許可以更好。于是他們專門設(shè)計(jì)了Argo系統(tǒng)，Argo是迄今為止構(gòu)建的通道數(shù)最高的體內(nèi)神經(jīng)記錄系統(tǒng)。
Argo是微線陣列和猶他陣列的結(jié)合，由每平方厘米超過10000個(gè)通道的可植入微線電極陣列組成。微線電極是使用歷史最悠久的電極，如果要在大規(guī)模記錄中使用，需要解決將大量微線構(gòu)成的電極陣列連接到放大器陣列的問題。
如下圖，Argo微線的尖端直徑小于200nm，藍(lán)色部分為絕緣的氧化鋁涂層，白色部分為去絕緣之后裸露的記錄位點(diǎn)。使用犧牲涂層將絕緣的微線段增粗，然后將它們捆扎成一束，這束絕緣微線存在間隔距離，剛好垂直配合大型CMOS放大器陣列的平面。
Argo電極 圖源：J Neural Eng
微線陣列的一個(gè)端面對(duì)接到背板上的放大器陣面上后，就形成了一個(gè)類似猶他陣列的記錄裝置。相較于猶他陣列，Argo的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在較大的數(shù)據(jù)吞吐量上，可在32kHZ單通道采樣率和12位的信號(hào)分辨率下，同時(shí)記錄65536個(gè)通道數(shù)據(jù)。
信號(hào)傳輸速率達(dá)30Gbps，首次人體臨床試驗(yàn)即將啟動(dòng)
基于Argo系統(tǒng)，Paradromics通過與大腦建立直接數(shù)據(jù)接口，設(shè)計(jì)了一種完全植入式裝置——Connexus DDI。該裝置是一個(gè)智能手機(jī)大小的微型模塊，可以植入顱骨下方，包含一個(gè)256×256、總共65536根微絲的電極陣列，CMOS神經(jīng)傳感器陣列以及神經(jīng)信號(hào)處理芯片。
Connexus DDI是一種輔助通信設(shè)備，主要由三個(gè)內(nèi)部組件進(jìn)行神經(jīng)信號(hào)解碼。皮層模塊記錄來自1600多個(gè)單個(gè)神經(jīng)元的信號(hào)；顱骨樞紐為皮層模塊供電并完成信號(hào)處理；皮下注射的無線發(fā)射器提供電源和安全、高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸，信號(hào)傳輸速率可達(dá)30Gbps。
Connexus DDI 圖源：Paradromics官網(wǎng)
從應(yīng)用場(chǎng)景來看，Connexus DDI最初是為腦卒中、脊髓損傷、漸凍癥等嚴(yán)重運(yùn)動(dòng)障礙患者設(shè)計(jì)。這類患者中的大部分都有完整的、高度活躍的大腦，但可能很難與他人交流、使用計(jì)算機(jī)等。Connexus DDI可以將大腦信號(hào)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為語音和動(dòng)作，使患者恢復(fù)與外界的溝通和獨(dú)立生活的能力。
Connexus DDI應(yīng)用場(chǎng)景 圖源：Paradromics官網(wǎng)
在產(chǎn)品上市之前，Paradromics還將繼續(xù)打磨其形態(tài)以及探索更多臨床應(yīng)用場(chǎng)景，爭(zhēng)取把所有芯片、傳感器陣列和微絲電極陣列全部集成在1cm×1cm的芯片上，達(dá)到可植入設(shè)備的尺寸和性能要求。
目前，Paradromics正在進(jìn)行動(dòng)物安全試驗(yàn)，有望于2024年上半年啟動(dòng)Connexus DDI的首次人體臨床試驗(yàn)。
獲美國國防、硅谷華人投資，融資總金額超9000萬美元
Paradromics成立于2015年，總部位于美國“硅丘”奧斯汀，Matt Angle是Paradromics的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官。Matt是海德堡大學(xué)神經(jīng)科學(xué)博士，隨后在斯坦福大學(xué)獲得了材料科學(xué)博士后職位，專注于設(shè)計(jì)與細(xì)胞間進(jìn)行連接和通信的納米材料。
Matt Angle 圖源：Paradromics官網(wǎng)
自成立以來，Paradromics已經(jīng)募集了超過9000萬美元的資金。2017年，Paradromics獲得了1830萬美元的特殊投資，這筆資金是由美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)、美國國家衛(wèi)生研究院(NIH)投出的公共資金。
Paradromics融資歷史 數(shù)據(jù)來源：crunchbase
DARPA隸屬于美國國防部，高度關(guān)注BCI技術(shù)的軍事應(yīng)用，主要對(duì)非侵入式和侵入式兩類BCI技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行長期投入。其中比較具有代表性的資助項(xiàng)目是對(duì)Paradromics投入的1830萬美元，同一時(shí)期DARPA共斥資6500萬美元資助了6家機(jī)構(gòu)，Paradromics是唯一的一家商業(yè)公司。
但這并不意味著Paradromics可以隨意支配這筆資金，他們必須要滿足DARPA提出的一系列技術(shù)要求，比如植入腦內(nèi)的設(shè)備在記錄更多神經(jīng)元的同時(shí)，不能超過硬幣大小，且必須要把信號(hào)返還給大腦。
Paradromics的第一筆風(fēng)險(xiǎn)投資來自硅谷投資人——張璐，“中國人”、“年輕女性”、“斯坦福學(xué)霸”、“深科技投資”都是她身上的標(biāo)簽。她所領(lǐng)導(dǎo)的Fusion Fund主要投資深度科技領(lǐng)域的初創(chuàng)公司，管理基金規(guī)模超3億美元、基金整體平均10倍回報(bào)。
政策驅(qū)動(dòng)BCI發(fā)展，非侵入式占主導(dǎo)地位
據(jù)動(dòng)脈橙《2022年腦機(jī)接口行業(yè)研究報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示，2020年全球BCI的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到14.6億美元，預(yù)計(jì)到2027年市場(chǎng)規(guī)模達(dá)36億美元，年復(fù)合增長率約為14%，行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模大、增速快，BCI行業(yè)未來具有很大發(fā)展空間。
近年來，腦科學(xué)研究已經(jīng)上升到國家科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略層面，美國、歐盟、日本等多個(gè)國家和地區(qū)紛紛布局BCI，推出了針對(duì)BCI技術(shù)的研發(fā)計(jì)劃和投資項(xiàng)目。在中國，BCI已經(jīng)提升為省/直轄市發(fā)展戰(zhàn)略地位，主要省/直轄市將BCI納入五年規(guī)劃。
中國各地腦機(jī)接口盤點(diǎn) 圖源：動(dòng)脈橙
BCI技術(shù)主要分三種，侵入式、非侵入式和介入式（半侵入式）。由于侵入式技術(shù)壁壘較高，市場(chǎng)上的企業(yè)以非侵入式為主導(dǎo)，占比超過60%。歐洲、日本和中國等主要關(guān)注的都是非侵入式BCI，而美國則以侵入式研究為主。
目前侵入式BCI產(chǎn)品尚處臨床試驗(yàn)階段，還未進(jìn)入臨床應(yīng)用。國外Neuralink、BrainGate 、Blackrock Neurotech等企業(yè)都在加速進(jìn)行BCI產(chǎn)品的臨床試驗(yàn)。2023年5月26日，Neuralink宣布已獲得FDA批準(zhǔn)，將啟動(dòng)首次腦植入物人體臨床研究。
國內(nèi)除了博?？?、寧矩科技、腦虎科技等少數(shù)幾家企業(yè)布局侵入式BCI，其他大多數(shù)企業(yè)專注于研究非侵入式BCI產(chǎn)品。
第三種介入式BCI創(chuàng)傷性較侵入式更小，信號(hào)質(zhì)量較非侵入式更高。2023年5月4日南開大學(xué)宣布，全球首例非人靈長類動(dòng)物介入式BCI試驗(yàn)在北京取得成功。這對(duì)推動(dòng)腦科學(xué)領(lǐng)域研究具有重要意義。
雖然取得進(jìn)展，但BCI技術(shù)本身仍有不少障礙要克服，要真正走到臨床應(yīng)用，還有一段漫漫的鉆研之路。