人類的大腦隻有三磅重
卻是已知世界中最複雜的物質
目前，在新一代生命體
與非生命體融合互動的浪潮下
如何通過幹細胞技術體外培養的“大腦”
實作“意念控制”
“片上腦-機接口”研究
正在引起學術界的廣泛關注
片上腦-機接口，是利用體外培養“大腦”（如腦類器官）與電極晶片耦合形成的片上腦，通過編解碼及刺激-回報實作其與外界資訊互動的技術。作為腦機接口領域的一個重要新興分支，片上腦-機接口有望對混合智能、類腦計算等前沿科技領域的發展産生革命性的推動。
目前，片上腦-機接口這一新型混合智能體的建構技術尚處于起步階段，涉及智能基礎、智能通訊、智能遷移、智能融合等多個關鍵環節。其中智能基礎作為智能體的中央處理器CPU，是實作片上腦智能的核心，旨在能高效地模拟大腦、解析大腦。目前被視為最有潛力的智能基礎模型——腦類器官，盡管具有與人腦類似的結構和功能，卻仍面臨發育成熟度低、營養供給不足等瓶頸問題。
天津大學醫學院神經工程團隊對該問題深入探索，近日在腦科學領域頂級期刊《Brain》發表相關研究成果。團隊研究發現，低強度聚焦超聲可顯著促進神經祖細胞的增殖和神經元的分化、皮質闆的厚度增加和分層清晰、以及突觸結構和功能成熟，最終構成複雜度高、具有存儲計算能力的三維神經網絡，進而可為片上腦-機接口提供更佳的智能基礎。該研究是學術界首次分析實體場對人源性腦類器官生長發育的調控作用，厘清了低強度聚焦超聲通過YAP信号通路進行調控的原理機制。
在實驗中，團隊将人源性腦類器官移植至免疫缺陷小鼠（NOD scid）初級感覺皮層，建構了人-鼠腦嵌合體，并搭建了片上腦體内應用系統。通過綜合運用免疫熒光技術、細胞譜系示蹤、單細胞RNA測序等實驗方法，結果顯示低強度聚焦超聲可促進腦類器官移植物在宿主腦組織内分化成熟。采用基因敲低和藥物幹預等手段，闡述了低強度聚焦超聲通過影響神經祖細胞YAP的核質比，進而影響皮層類器官增殖的分子機制。
片上腦-機接口體内應用系統的搭建
該研究進一步基于片上腦體内系統，采用移植物電生理-宿主行為學同步捕捉技術，通過分析在宿主痛覺行為學過程中腦類器官移植物的Gamma波段能量與相位，證明了低強度聚焦超聲可促進腦類器官與宿主整合互動、以及神經發育缺陷的再生修複，初步顯示了片上腦系統在醫療康複領域的應用潛能。
該研究以題為“Low-intensity ultrasound ameliorates brain organoid integration and rescues microcephaly deficits”的論文，發表于國際腦科學頂級刊物、歐洲神經學會會刊《Brain》，依托先進醫用材料與醫療器械全國重點實驗室、腦機互動與人機共融海河實驗室，并獲得了“十四五”國家重點研發計劃項目“組織工程類腦智能複合體設計與開發”的資助支援。天津大學為論文的唯一作者機關，李曉紅教授和明東教授為通訊作者，2021級博士生郭迪和陳力群副教授為共同一作。
片上腦-機接口應用場景之一
利用上述片上腦體内應用系統，天津大學團隊與南方科技大學等協同開發了全球首個可開源片上腦智能複合體資訊互動系統，實作了培養“大腦”對機器人避障、跟蹤、抓握等無人控制任務，完成了多種類腦計算的啟發工作。天津大學團隊已申請片上腦-機接口方向的國家發明專利15項，實審美國、英國專利2項，舉辦首屆片上腦-機接口國際會議，并主編首部片上腦-機接口教材。未來，團隊将進一步深化對片上腦-機接口的智能通訊、智能遷移、智能融合等關鍵科學問題的探索，推動片上腦-機接口技術早日實作轉化應用。
編輯 / 劉夢圓
底圖制作 / 範逸涵 張亦欣
稽核 / 王鑫 梁紹楠