新华报业网
想象一下，我们能把大脑这个宇宙中最复杂的“黑匣子”拆开，在显微镜下，以单个神经细胞为精度，实时监听它们之间用“电信号”和“化学语言”进行的“秘密对话”。这听起来像是科幻电影里的情节，但中国科学家们却将其一步步变成了现实。
近日，在第51届日内瓦国际发明展上，东南大学生物科学与医学工程学院、数字医学工程全国重点实验室刘宏、赵超团队凭借一款脑机接口芯片，从全球众多尖端发明中脱颖而出，一举斩获大会发明金奖。这款芯片究竟有多厉害？新华日报·交汇点记者日前对获奖团队进行了专访。
单细胞精度，打造“1080p”大脑观测仪
“简单来说，它就像一个为脑科学研究量身定制的、分辨率极高的‘高速摄像机’。”实验室里，刘宏教授向记者展示了这款仅有小指甲盖大小的芯片。7毫米×7毫米的芯片上，竟然集成了24576个超微电极，且每个电极的大小只有10微米，恰好和单个神经元的尺寸相当。“这意味着我们把观测尺度拉到了单细胞级别，芯片上的每个电极，就像一个微型的‘监听器’，可以独立捕捉到它上方那个神经细胞的动作电位和化学信号，时间精度可以达到毫秒级。”
以前科学家们研究神经网络，好比在看一部模糊的老电视，只能看到大概的轮廓；而这块芯片提供的，是一幅细节惊人、信息量巨大的“1080p高清画面”。团队里负责芯片设计的赵超教授打了一个生动比方：“它让你看到的不再是整条马路的车流，而是能追踪到每一辆车在每一个路口的轨迹，从而真正理解一个复杂的城市交通网络是如何运行的。”
这项技术被称为“片上脑机接口”，它并非直接植入人脑，而是一个强大的体外研究平台。研究人员可以将培养的脑类器官（由干细胞分化而来的微型大脑）、心脏或视网膜组织等放在芯片上，以前所未有的精度观察神经网络如何发育和工作。
“双模态”记录，性能反超国际巨头
这项突破的背后，还有一个关于“不服气”和“坚持”的故事。
刘宏透露，目前国际上类似的高端科研设备，主要由瑞士、美国等国家的少数几家公司垄断，一套仪器的价格动辄百万人民币，而且芯片本身作为耗材，极易损坏。“当时我们就想，为什么我们自己不能做一个？而且要比他们做得更好、更便宜！”
这一做，就是5年。“研发过程中，我们整个团队的压力都是极大的。”赵超回忆，“光是去台积电流片（即芯片生产）一次就要100万元，这对我们课题组来说是笔‘巨款’，因此必须一次成功。”
然而，更大的挑战还在后面。台积电生产的是标准芯片，出厂时都已封装完好，但为了能“接收”生物信号，他们必须让芯片“敞开”自己。“为此，我们要在芯片上额外增加一道微加工工艺，把它从一辆‘标准车’，改装成‘敞篷赛车’。”主要负责这项核心研发任务的博士生徐静怡坦言，光是这一步，团队就耗费了整整10个月。“那10个月里，我们反复尝试了上百次工艺参数，有时候觉得快成功了，测出来又不行。但每次发现问题，反而更踏实——因为离答案又近了一步。”
功夫不负有心人。最终，团队不仅成功做出了芯片，还实现了“弯道超车”。刘宏介绍：“实验数据显示，我们的芯片性能完全不输国外同类主流产品，而且成本至少能降到他们的一半以下。更重要的是，我们还实现了‘双模态’记录。”
目前主流的国外芯片大多只能记录电生理信号（即物理信号），但人类大脑的工作机制远比电路复杂，大量信息传递是靠多巴胺、血清素这些神经递质（即化学信号）完成的。刘宏告诉记者：“我们的这款芯片可以同时捕捉这两种信号，这对理解大脑的机理，研究阿尔茨海默病等神经疾病至关重要。”
目前，这块“中国芯”已经提供给国内十几家顶尖高校和医院试用，反馈良好。团队透露，下一步计划将整个系统进一步集成化、模块化，让这款脑机接口芯片能更便捷、高效地服务于一线科研工作。
“目前这款芯片所配套使用的分析仪器还较为初级，但考虑到实验过程中，细胞组织需要维持活性，我们计划在仪器上加装活性维持装置，使之能够长时间稳定工作，满足长期观测的需求。”赵超说。
新华日报·交汇点记者 谢诗涵
Android版
iPhone版
