脑机接口芯片是集成电路领域的国际研究热点，埃隆·马斯克创立的Neuralink公司推动了这种芯片的商业化进程。在近日举行的IEEE（电气与电子工程师协会）国际电路与系统年会上，复旦大学类脑芯片与片上智能系统研究院发表的无线脑机接口芯片设计论文荣获“最佳学生论文奖”。
这款芯片已流片4次，是国内首款无线脑机接口芯片。以它为核心部件的无线脑机接口系统正在接受上海脑科学家的测试，有望今年下半年投入商用。
“无人区”探索两度获国际最佳
大脑的很多奥秘尚有待人类破解，近年来，中、美、欧等国家和地区纷纷启动了脑科学计划。采集并分析大脑活动的电信号，是研究大脑的一种重要手段，而脑机接口芯片是相关科研仪器的核心部件。2016年，在上海市科委基础研究重大项目支持下，华东师大脑功能基因组学教育部重点实验室与复旦类脑芯片与片上智能系统研究院开始合作研发“芯片式无线脑活动记录系统”。这个系统由无线脑机接口芯片、天线、接收机、计算机等组成，用于采集、储存和分析实验动物的脑部神经元活动信号。“目前，国外的有线脑机接口芯片是买得到的，但能记录实验动物在自由活动状态下脑活动的无线脑机接口芯片非常稀缺，我们要研发的就是国产无线脑机接口芯片。”华东师大脑功能基因组学教育部重点实验室主任、脑科学与教育创新研究院常务副院长林龙年教授说。
复旦科研团队的目标，是研制出国产无线64通道无线脑机接口芯片。获得“最佳学生论文奖”的论文第一作者吕良剑博士介绍，大脑对温度的升高十分敏感，一般不能超过1摄氏度，同时为了实现较长时间的无线信号传输，这款脑机接口芯片的功耗必须很低。此外，它的信号抗干扰能力必须很强，因为脑活动的电信号十分微弱，采集时要去除各种环境噪音的影响。
为了解决一系列芯片设计的技术难题，吕良剑、叶大蔚等科研人员从2016年起，开始探索新型芯片电路设计架构。在这个领域，国际上没有很好的成熟先例，各国科研人员都在“无人区”探索。在IEEE国际电路与系统2019年会上，复旦团队发表的无线脑机接口芯片设计论文荣获“生物医疗方向最佳论文奖”。近日，他们再度在这一国际顶级科技会议上获奖，标志着沪研无线脑机接口芯片达到了国际先进水平。
戴帽小鼠脑电信号转化为波形图
这款64通道脑机接口芯片以每秒54兆比特的无线数据传输，同时支持使用13.56兆赫兹频段进行无线能量充电与指令传输。在使用15毫安小时纽扣电池且保持每秒54兆比特数据传输率的情况下，这款芯片模组的续航时间超过24小时。它的每个神经元采集通道的输入参考噪声只有6.7微伏，每个通道的功耗仅为340纳瓦（1纳瓦等于10的负9次方瓦）。整颗芯片面积小于16平方毫米，模组体积小于3立方厘米，总重量不超过3克，能很好满足不同活体实验的需求。
在华东师大脑功能基因组学教育部重点实验室，解放日报·上观新闻记者看到了几只头戴电极帽的小鼠。每个电极帽有64根电极植入小鼠大脑，将其信号引导至脑机接口芯片模组。“大脑神经元活动的电信号属于模拟信号，这颗芯片能把模拟信号转化成数字信号，这样电脑才能进行存储和分析。”林龙年解释说，芯片每个通道每秒能采集4万个数据点，最终在电脑屏幕上呈现出活动神经元的电信号波形图。
根据计划，无线64通道脑机接口芯片即将进行第五次定型流片。今年下半年，“芯片式无线脑活动记录系统”有望投入商用，成为我国脑科学与类脑研究的利器。脑科学研究正在逐步揭开大脑的奥秘，具有重要的科学和临床医疗价值。其成果还可应用于计算机科学等领域，将人工智能升级为类脑智能，让机器学习像人一样分析问题。
在上海市“脑与类脑智能基础转化应用研究”科技重大专项支持下，复旦团队正在脑机接口芯片上集成深度学习技术，模拟大脑认知能力。他们还在与复旦大学附属中山医院合作，探索如何自动预测帕金森病、阿尔茨海默病等神经功能认知障碍疾病。
