探索脑机接口 造福生物医学——记复旦大学光电研究院青年研究员宋恩名

卫婷婷

宋恩名

2022年8月，在2022年“上海科技青年35人引领计划”颁奖典礼中，一位来自复旦大学的青年科研人员进入了公众的视野。作为一名青年科研工作者，他从博士后阶段真正进入脑机接口领域，而后辗转国内外求学，在生物医学工程领域的植入式柔性电子系统研究中潜心探索，特别是在基于万级通道的硅薄膜放大微电极阵列的脑电传感技术中取得了一系列亮眼的科研成果。他就是复旦大学光电研究院青年研究员宋恩名。

“人脑的机能是一个未知的领域，其实还有很多新奇的方向亟待探索。”宋恩名说。近些年来，材料科学和生物科学发生碰撞，使得利用柔性半导体材料探索人类大脑深层奥秘在今天成为可能。在他看来，侵入式脑机接口是未来重要的发展趋势，植入式器件可以直接得到最原始、最清晰的脑电信号。在这一研究趋势下，他下定决心要在生物医学工程领域的植入式柔性电子系统研究中不断深耕，为中国的脑计划研究作出更多力所能及的贡献，在脑机接口领域发出属于中国科学家铿锵有力的声音。

筑梦——海内外的科研奠基之路

俗话说：“父母是最好的老师。”从小生长在书香之家的宋恩名，父母分别是复旦大学和上海海洋大学的教授。沐浴在良好的家庭氛围与教育环境中，宋恩名的学习成绩始终名列前茅，初中毕业时就以优异的成绩从复旦二附中考入复旦附中。从小对物理科学有着浓厚兴趣的他，高考时毅然决然报考了自己心心念念的复旦大学材料物理专业，并在这里度过了自己的本科与硕博研究生涯。

硕博阶段，宋恩名师从梅永丰教授进行半导体材料的分析研究，特别是在单晶硅的研究工作中积累了丰富的经验，相关研究基础为他日后学术方向的拓展起到了至关重要的作用。

2014年年底，美国四院院士、“柔性电子之父”约翰·罗杰斯（John A.Rogers）教授来到复旦大学进行学术演讲，宋恩名慕名前往现场聆听。演讲结束后，有许多复旦大学的科研学子留在现场久久不肯离开，希望得到和约翰·罗杰斯进行学术交流的机会。和众多科研学子一样，宋恩名也被他的学术思想深深触动，并对他所致力的研究领域产生了浓厚的兴趣。在导师梅永丰教授的推荐下，宋恩名给约翰·罗杰斯留下了深刻的印象，并在之后顺利前往美国伊利诺伊大学厄班纳-香槟分校，以联合培养博士身份进行学习。两年后，他又跟随导师转到美国西北大学开启了同脑机接口应用相关的博士后工作生涯，其研究主要聚焦于神经工程领域的植入式柔性电子系统。

在美国从事科研工作的几年间，宋恩名几乎每天清晨五六点钟就会起床，准备去实验室，晚上11点多才能回到家中。他几年如一日地保持着这样的工作节奏，只有在家里亲人来时才出过一次自己工作的小镇。虽然那几年从事科研工作异常辛苦，但宋恩名始终乐在其中。在这一阶段，宋恩名的研究工作围绕用于全脑维度的大规模脑电成像技术，在面向脑机接口应用的柔性电子系统研究上取得了一系列进展，尤其是在动物皮层脑电传感领域积累了丰富的经验。这一切都为其今后深入到脑机接口领域前沿奠定了坚实的基础。

回国——推动脑机接口与生物医学结合

脑机接口技术被称作是人脑与外界沟通交流的“信息高速公路”，是公认的新一代人机交互和人机混合智能的关键核心技术，是各国技术博弈的重点领域。为了加强中国在相关领域的国际竞争力，2021年9月，宋恩名满载着沉甸甸的科研硕果从海外回国。受到复旦大学褚君浩院士的召唤，他回到了自己的母校复旦大学的光电研究院开展研究工作。“在脑机接口领域，国内的学科环境和学科发展水平并不比国外逊色，我希望能扎根在祖国的土地上，做出更多自主创新的科研成果。”他说。

基于在美国留学5年间在面向脑机接口应用的柔性电子系统研究上取得的研究进展，以及近些年来脑机接口在各领域应用中所取得的成果，回国后，宋恩名就把工作的重点放在了脑机接口与生物医学工程的结合中，展开了一系列探索。

2020年8月，硅谷“技术狂人”马斯克投资的公司，将极小的电极植入大脑，通过这种方式，让一只猴子利用意念，玩起了电脑游戏。这一事件让脑机接口成功“出圈”，其后续在相关领域的拓展应用也被寄予厚望，特别是其与疾病治疗的结合，成为近年来领域内的研究热点，甚至有的已进入临床阶段。

虽然领域内的各项研究进展得如火如荼，但至今仍有一些因素困扰着脑机接口在生物医学领域的应用。目前，最主流的植入电极为20世纪90年代发明的犹他阵列电极，但其质地脆硬，长期植入人体，容易引起组织排异反应，信号质量会随时间逐渐下降，在人体内的寿命有限。

此外，传统电极还存在封装挑战。“脑机接口是微电子设备，需要进行封装才能植入。如果封装做得不好，电极通电后，脑脊髓液就会导电，伤害大脑器官。”宋恩名说。

在这一背景下，宋恩名和团队成员们开展了一系列科研攻关工作。针对植入式脑机接口的硅基质地脆硬的特性，宋恩名及团队创新了半导体器件柔性转移技术，研发出柔性电极阵列。同时，和传统电极相比，这种柔性电极不受尺寸的限制，可根据大脑应用需要定制。“最大采集面积可以包裹全脑皮层。”宋恩名说。

目前，这项技术研发出的柔性电极阵列已完成猴、鼠的脑电信号监测成像，验证了动物实验的安全有效性。未来，他希望这项技术也可面向癫痫等相关脑疾病的诊断与治疗。

此外，在器件封装方面，宋恩名和团队还研发出了性能稳定的超薄封装材料。这种封装材料基于热氧化SiO2（二氧化硅），用它封装的植入器件能够进行皮层脑电图成像，并且可够稳定工作数年之久。“目前我们所做的小鼠活体实验，相关植入器件在小鼠的大脑中可以存活的封装时间大概在一年以上。”他说。

坚守——步履不停的创新之路

近些年来，国家“十四五”规划部署5项研究重点领域，其中脑机融合纳入重点技术研究范畴；2021年，我国正式启动了科技创新2030重大项目“脑科学与类脑研究”，当前中国脑计划研究已进入实际落地阶段。面对祖国在脑机接口领域的发展大环境，宋恩名始终认为未来有着广阔的发展机遇。

科学研究始终在路上，回国1年多来，在光电研究院院长褚君浩院士、博士生导师梅永丰教授，以及复旦大学科研平台的支持与帮助下，宋恩名的科研工作始终在有条不紊地展开，现如今已经组建了10人左右的科研团队。“学校对于公共实验平台、仪器水平的建设，以及学生的整体素质的培养都很重视，让我对今后开展科研工作充满了信心。”宋恩名说。

宋恩名（左）和梅永丰教授（摄于复旦大学）

万石谷，粒粒积累；千丈布，根根织成。结合在复旦大学，以及美国伊利诺伊大学厄班纳-香槟分校、美国西北大学的研究经验，宋恩名一直希望能够在脑机接口领域做出自己的科研成果。在他看来，半导体集成电路和脑电信号传感相挂钩，是未来的研究趋势。从材料研究到器件研究再到系统研究，只要将这条研究道路上的各个环节链条式地往前推进，就能最终将其推向应用。而他的研究征途，正好形成了这样一条系统的路径。宋恩名坚信：“只要扎根在这条道路上，每一步都走好、走得扎实，我相信我们之后会走得更快。”

始于兴趣，终于热爱。一路走来，宋恩名始终认为：“兴趣是自己最好的老师。”在他看来，自己很幸运能投身在挚爱的科研工作中，在脑机接口领域书写自己的人生奋斗价值。未来三到五年，他还将抓住我国在脑机接口领域的发展机遇，争取在脑机接口领域取得更多新的发明与突破。“我相信如果我们做得好的话，一定能帮助我国在脑机接口技术的相关领域占得一席之地。”宋恩名坚定地说。