片上脑-机接口，是利用体外培养“大脑”（如脑类器官）与电极芯片耦合形成的片上脑，通过编解码及刺激-反馈实现其与外界信息交互的技术。作为脑机接口领域的一个重要新兴分支，片上脑-机接口有望对混合智能、类脑计算等前沿科技领域的发展产生革命性的推动。
当前，片上脑-机接口这一新型混合智能体的构建技术尚处于起步阶段，涉及智能基础、智能通讯、智能迁移、智能融合等多个关键环节。其中智能基础作为智能体的中央处理器CPU，是实现片上脑智能的核心，旨在能高效地模拟大脑、解析大脑。目前被视为最有潜力的智能基础模型——脑类器官，尽管具有与人脑类似的结构和功能，却仍面临发育成熟度低、营养供给不足等瓶颈问题。
天津大学医学院神经工程团队对该问题深入探索，近日在脑科学领域顶级期刊《Brain》发表相关研究成果。团队研究发现，低强度聚焦超声可显著促进神经祖细胞的增殖和神经元的分化、皮质板的厚度增加和分层清晰、以及突触结构和功能成熟，最终构成复杂度高、具有存储计算能力的三维神经网络，从而可为片上脑-机接口提供更佳的智能基础。该研究是学术界首次分析物理场对人源性脑类器官生长发育的调控作用，厘清了低强度聚焦超声通过YAP信号通路进行调控的原理机制。
在实验中，团队将人源性脑类器官移植至免疫缺陷小鼠（NOD scid）初级感觉皮层，构建了人-鼠脑嵌合体，并搭建了片上脑体内应用系统。通过综合运用免疫荧光技术、细胞谱系示踪、单细胞RNA测序等实验方法，结果显示低强度聚焦超声可促进脑类器官移植物在宿主脑组织内分化成熟。采用基因敲低和药物干预等手段，阐述了低强度聚焦超声通过影响神经祖细胞YAP的核质比，从而影响皮层类器官增殖的分子机制。
片上脑-机接口体内应用系统的搭建
该研究进一步基于片上脑体内系统，采用移植物电生理-宿主行为学同步捕捉技术，通过分析在宿主痛觉行为学过程中脑类器官移植物的Gamma波段能量与相位，证实了低强度聚焦超声可促进脑类器官与宿主整合交互、以及神经发育缺陷的再生修复，初步显示了片上脑系统在医疗康复领域的应用潜能。
该研究以题为“Low-intensity ultrasound ameliorates brain organoid integration and rescues microcephaly deficits”的论文，发表于国际脑科学顶级刊物、欧洲神经学会会刊《Brain》，依托先进医用材料与医疗器械全国重点实验室、脑机交互与人机共融海河实验室，并获得了“十四五”国家重点研发计划项目“组织工程类脑智能复合体设计与开发”的资助支持。天津大学为论文的唯一作者单位，李晓红教授和明东教授为通讯作者，2021级博士生郭迪和陈力群副教授为共同一作。
片上脑-机接口应用场景之一
利用上述片上脑体内应用系统，天津大学团队与南方科技大学等协同开发了全球首个可开源片上脑智能复合体信息交互系统，实现了培养“大脑”对机器人避障、跟踪、抓握等无人控制任务，完成了多种类脑计算的启发工作。天津大学团队已申请片上脑-机接口方向的国家发明专利15项，实审美国、英国专利2项，举办首届片上脑-机接口国际会议，并主编首部片上脑-机接口教材。未来，团队将进一步深化对片上脑-机接口的智能通讯、智能迁移、智能融合等关键科学问题的探索，推动片上脑-机接口技术早日实现转化应用。