聚焦“脑电驱动变色龙”

文/本刊记者 郭潇雅

复旦大学脑科学研究院聚焦“脑机接口”技术最前沿，研发的“脑电驱动变色龙”系统获得了国内外专家的认可。

将某种设备植入大脑以实现人类和计算机之间的快速通信，这是《黑客帝国》等经典科幻电影中的情节，“脑机接口”也是很多人津津乐道的话题。近日，有“硅谷钢铁侠”之称的埃隆·马斯克宣布，他旗下的脑机接口初创公司Neuralink已经找到了高效实现脑机接口的方法，这套高宽带脑机接口（BMI）系统可快速读取脑信号，并有望在明年年底之前开始对人类进行试验。

据悉，Neuralink的脑机接口系统，是利用一台神经手术机器人向人脑中植入被称为“线”的专有技术芯片和信息条，然后可直接通过USB-C接口读取大脑信号，甚至可以通过苹果手机的应用程序进行控制。Neuralink公司已开始在老鼠身上进行测试，并与加州大学戴维斯分校合作用猴子试验。

事实上，除了马斯克的团队，国内外还有不少致力于研究侵入式和非侵入式的脑电控制方面的科研人员。《中国医院院长》获悉，复旦大学脑科学研究院张嘉漪课题组与复旦大学高分子系的彭慧胜课题组合作，于2016年开始该领域研究，相关研究成果以《用于电子及脑机接口交流的织物显示》为题，在线发表于《先进材料》（Advanced Materials）上。

100 毫秒 “脑电驱动变色龙”系统从视皮层神经元放电活动记录到颜色信息的解码，再到发光皮肤颜色的切换，全部在100ms内完成。

筑实科研基础

复旦大学脑科学研究院（以下简称“复旦脑研院”）于2006年4月成立，是复旦大学全校性的神经科学研究实体机构、教育部“985工程”二期重点建设的科技创新平台之一，与医学神经生物学国家重点实验室“两位一体”。

复旦脑研院自成立以来，研究人员主持了一系列重大科研项目，包括科技部“973计划”项目、“863计划”项目、国家重点研发计划课题、国家科技重大专项“重大新药创制”项目、国家重大科学仪器设备开发专项课题、国家自然科学基金委重大重点项目等。科研总经费近5亿元。

在各项研究中，科研人员在基础和临床神经科学领域取得了一批原创性重大科研成果，有88篇文章在Nature、Cell、Nature Genetics、Nature Neuroscience、Neuron等高影响力的SCI杂志上发表。研究成果获得国家自然科学二等奖1项、国家科学技术进步二等奖3项、省部级一等奖7项，先后入选2011年中国科技十大进展新闻和2014年中国十大科学进展。

复旦脑研院副院长郑平表示，近年来，通过引进海外杰出人才，整合校内各学科力量，组建了跨学科的研究团队。复旦脑研院现有29个研究组，研究人员来自生物学、基础医学、药学、临床医学、中西医结合、数学等一级学科。以人才为基础，打造了脑科学前沿科学中心、脑科学协同创新中心、脑科学转化医学平台三个多学科交叉研究平台，联合生命科学、脑医学、数学、信息科学、材料科学、微电子、类脑智能等多学科研究力量共同发展。

同时，复旦脑研院不断完善平台建设，先后组建了“复旦大学脑科学研究院-尼康生物影像中心”和“复旦大学神经科学转基因动物共享体系”，并紧贴神经科学前沿学科及技术发展的需求，不断引进具有技术先进性与实用性的高端科研仪器，实现了核心仪器的互联网预约管理，稳步提升各项技术支撑能力。随着复旦神经科研体量与水平同步提升，研究院公共技术平台更高效地做好科研服务工作，为复旦神经科学研究提供了优质技术支撑。

以优质的人才、前沿的技术、高效的平台为基础，复旦脑研院在脑机接口技术研发方面已取得阶段成果。该院院长助理张嘉漪教授告诉记者，《用于电子及脑机接口交流的织物显示》课题的核心是“脑电驱动变色龙”系统。该系统能通过对脑电信号的解码，有效提取环境中的颜色信息，并用以实时控制可穿戴发光织物的颜色变化。

系统主要包括“脑电实时解码系统”和“发光皮肤”两个部分，前者主要由多通道电极记录系统、自主开发的脑电解码程序以及与之连接的控制系统组成，后者则是由可被编织成毛衣等织物的柔性多色发光纤维构成。“脑电驱动变色龙”系统通过实时提取视皮层神经元中具有颜色选择性的信号，进行实时解码并控制发光皮肤的颜色变化，实现脑电驱动的变色功能。

研发脑电驱动

对于该脑电驱动系统的研发灵感，张嘉漪表示，变色龙的皮肤颜色会随着环境颜色的变化而变化，起到隐蔽和保护的作用。大部分动物的皮肤不具备感受颜色信息和变色功能，但视网膜中存在感知不同颜色的光感受器。在试验中，小鼠的光感受器可以感知绿光、蓝光和紫外光，在小鼠初级视皮层中也存在对蓝光或绿光特异性反应的颜色选择性神经元。随后他们开始了三个阶段的研发过程。

第一个阶段是对小鼠视皮层具有颜色选择性神经元的筛选，主要是将多通道电极植入视皮层，在给予黄光和蓝光刺激的同时，记录视皮层神经元的放电活动，发现对黄光和蓝光刺激有不同放电频率的颜色选择性神经元。

第二个阶段是发光皮肤的制作，主要是通过针筒结构制作包含外电子发光层和两条内平行凝胶电极的黄色和绿色发光纤维，并将双色发光纤维编织到毛衣中，制备可发出黄色和绿色光的可穿戴器件。

第三个阶段是神经元放电活动的实时解码与发光皮肤系统的控制。主要用Matlab程序实时读入颜色选择性神经元的放电频率，并在100ms之内，通过解码程序向发光皮肤发出点亮对应颜色发光纤维的指令。其间着重解决如何在100ms内完成从神经元放电活动到驱动发光皮肤颜色改变的动作，团队通过RS232接口，将脑电系统记录到的信息直接通过Matlab程序转换为数字化命令，实现了切换电子皮肤的发光颜色。

复旦大学脑科学研究院科研人员正在研发脑电驱动技术。

张嘉漪认为，大自然的环境往往引起轻松愉悦的感受，肉食类动物或者自然灾害的场面往往引起恐惧的反应，这是由于视皮层的不同神经元分别投射到负责不同情感的脑区。此外，视皮层神经元会对环境突然出现的变化产生异常强烈的反应，如飞鸟从静止起飞，或者汽车运动方向或速度的突然变化，都可能导致视觉感受范围内的神经元放电发生显著变化，从而将视觉注意力转移到发生变化的 区域。

因而，“脑电驱动变色龙”系统对于不同的视觉图景会引起不同的情感反应，有望启发可穿戴系统、仿生电子和柔性机器人等领域的智能化发展。未来，通过对视皮层细胞神经元相关情感反应的记录，以及放电频率变化对应视觉区域的定位，可以促进多元化的脑电驱动可穿戴织物的发展，从而使人们穿的衣服不仅能融入环境，还能反映出周围环境的利害特征。更进一步，可以进行环境探索过程中的精确定位，从而更多地将大脑中发生的情景和诸多变化，反映到可穿戴的智能织物上。

据介绍，“脑电驱动变色龙”系统目前已完成在动物模型上的实验。下一步将重点开展基于人脑电驱动的可穿戴智能织物的开发工作，计划用非侵入性方法记录脑电对环境光变化的响应，用于驱动发光皮肤的颜色切换。