電影《阿凡達》中出現(xiàn)過這樣一個橋段：下身癱瘓的前海軍戰(zhàn)士杰克躺在密封艙中，通過頭上戴著的復雜設(shè)備，利用意念操控阿凡達，行動自如。
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)科學與相關(guān)技術(shù)的不斷突破，腦機接口（BCI）技術(shù)快速發(fā)展，“意念控制”開始照進現(xiàn)實。
大腦是人體最復雜的器官，擁有1000多億個神經(jīng)元，可形成100多萬億個神經(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（EEG）轉(zhuǎn)換為控制指令，實現(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)受損而失去行動或說話能力的人恢復與外界的交流，甚至恢復身體功能。
Paradromics公司致力于開發(fā)高數(shù)據(jù)速率的侵入性BCI技術(shù)，讓具有嚴重連通性障礙的患者恢復與外界的交流和身體功能。
動脈網(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)療器械認定，該設(shè)備可用于治療不可逆轉(zhuǎn)的衰弱性疾病。同時，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Connexus DDI的首次人體臨床試驗。
結(jié)合微線陣列和猶他陣列，同時記錄6萬多個通道數(shù)據(jù)
BCI技術(shù)試圖為計算機和大腦間的運行搭橋，但比起計算機的運行速度，神經(jīng)元在大腦中的運行速度非常慢，幾乎比計算機慢一百萬倍。換句話說，大腦和外界之間真正順暢的通信需要一個高帶寬的連接。
強行提高大腦的運行速度顯然是不可能實現(xiàn)的。一種可行的解決方法是：在短時間內(nèi)讀取更多的神經(jīng)元，進而提高與計算機之間的數(shù)據(jù)傳輸效率。
較為先進的一種系統(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個電極，定制多達1024個通道。猶他陣列已獲得FDA的商業(yè)許可，被證明可以治療中風患者和脊髓損傷患者。
Paradromics團隊認為，在電極通道為百個、千個的時候已經(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。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
微線陣列的一個端面對接到背板上的放大器陣面上后，就形成了一個類似猶他陣列的記錄裝置。相較于猶他陣列，Argo的優(yōu)勢表現(xiàn)在較大的數(shù)據(jù)吞吐量上，可在32kHZ單通道采樣率和12位的信號分辨率下，同時記錄65536個通道數(shù)據(jù)。
信號傳輸速率達30Gbps，首次人體臨床試驗即將啟動
基于Argo系統(tǒng)，Paradromics通過與大腦建立直接數(shù)據(jù)接口，設(shè)計了一種完全植入式裝置——Connexus DDI。該裝置是一個智能手機大小的微型模塊，可以植入顱骨下方，包含一個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)信號處理芯片。
Connexus DDI是一種輔助通信設(shè)備，主要由三個內(nèi)部組件進行神經(jīng)信號解碼。皮層模塊記錄來自1600多個單個神經(jīng)元的信號；顱骨樞紐為皮層模塊供電并完成信號處理；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，信號傳輸速率可達30Gbps。
Connexus DDI 圖源：Paradromics官網(wǎng)
從應用場景來看，Connexus DDI最初是為腦卒中、脊髓損傷、漸凍癥等嚴重運動障礙患者設(shè)計。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、使用計算機等。Connexus DDI可以將大腦信號實時轉(zhuǎn)換為語音和動作，使患者恢復與外界的溝通和獨立生活的能力。
Connexus DDI應用場景 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用場景，爭取把所有芯片、傳感器陣列和微絲電極陣列全部集成在1cm×1cm的芯片上，達到可植入設(shè)備的尺寸和性能要求。
目前，Paradromics正在進行動物安全試驗，有望于2024年上半年啟動Connexus DDI的首次人體臨床試驗。
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是海德堡大學神經(jīng)科學博士，隨后在斯坦福大學獲得了材料科學博士后職位，專注于設(shè)計與細胞間進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研究計劃局(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)的軍事應用，主要對非侵入式和侵入式兩類BCI技術(shù)領(lǐng)域進行長期投入。其中比較具有代表性的資助項目是對Paradromics投入的1830萬美元，同一時期DARPA共斥資6500萬美元資助了6家機構(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，不能超過硬幣大小，且必須要把信號返還給大腦。
Paradromics的第一筆風險投資來自硅谷投資人——張璐，“中國人”、“年輕女性”、“斯坦福學霸”、“深科技投資”都是她身上的標簽。她所領(lǐng)導的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。
政策驅(qū)動BCI發(fā)展，非侵入式占主導地位
據(jù)動脈橙《2022年腦機接口行業(yè)研究報告》數(shù)據(jù)顯示，2020年全球BCI的市場規(guī)模達到14.6億美元，預計到2027年市場規(guī)模達36億美元，年復合增長率約為14%，行業(yè)市場規(guī)模大、增速快，BCI行業(yè)未來具有很大發(fā)展空間。
近年來，腦科學研究已經(jīng)上升到國家科學發(fā)展戰(zhàn)略層面，美國、歐盟、日本等多個國家和地區(qū)紛紛布局BCI，推出了針對BCI技術(shù)的研發(fā)計劃和投資項目。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。
中國各地腦機接口盤點 圖源：動脈橙
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，市場上的企業(yè)以非侵入式為主導，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)品尚處臨床試驗階段，還未進入臨床應用。國外Neuralink、BrainGate 、Blackrock Neurotech等企業(yè)都在加速進行BCI產(chǎn)品的臨床試驗。2023年5月26日，Neuralink宣布已獲得FDA批準，將啟動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，信號質(zhì)量較非侵入式更高。2023年5月4日南開大學宣布，全球首例非人靈長類動物介入式BCI試驗在北京取得成功。這對推動腦科學領(lǐng)域研究具有重要意義。
雖然取得進展，但BCI技術(shù)本身仍有不少障礙要克服，要真正走到臨床應用，還有一段漫漫的鉆研之路。