清華新聞網(wǎng)9月17日電 近年來(lái)，腦機(jī)接口技術(shù)作為信息科學(xué)與神經(jīng)科學(xué)等多學(xué)科交叉融合的前沿領(lǐng)域，在康復(fù)醫(yī)學(xué)、醫(yī)療電子等領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注與應(yīng)用，Neuralink、BrainCo、Neuracle等公司都積極投入實(shí)用化腦機(jī)接口的研發(fā)。目前，主流的腦機(jī)接口中的神經(jīng)信號(hào)分析模塊由硅CMOS電路構(gòu)成，但隨著腦機(jī)接口中的信號(hào)采集通道數(shù)的增加，系統(tǒng)面臨著功耗和延時(shí)等方面的巨大挑戰(zhàn)，這是制約腦機(jī)接口技術(shù)在植入式或便攜式醫(yī)療系統(tǒng)中應(yīng)用的重要瓶頸之一。
日前，清華大學(xué)微納電子系、未來(lái)芯片技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心的錢(qián)鶴、吳華強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)與醫(yī)學(xué)院洪波教授團(tuán)隊(duì)利用憶阻器的仿生與存算一體特性，合作提出了基于憶阻器陣列的新型腦機(jī)接口，構(gòu)建了高效智能的腦電神經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)，演示了大腦癲癇狀態(tài)的識(shí)別，實(shí)現(xiàn)了93.46%的高準(zhǔn)確率，并將系統(tǒng)功耗降低了400多倍。這是兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)學(xué)科交叉的最新研究成果。
圖1 基于憶阻器陣列神經(jīng)信號(hào)分析系統(tǒng)的新型腦機(jī)接口
憶阻器是一種新型信息處理器件，其工作機(jī)理與人腦中的神經(jīng)突觸、神經(jīng)元等具有一定的相似性，基于憶阻器的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算可以突破傳統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)高并行度的同時(shí)顯著降低功耗。受此啟發(fā)，錢(qián)鶴、吳華強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)與洪波教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了兩年多的交叉學(xué)科緊密合作，提出了基于憶阻器陣列的新型腦機(jī)接口，實(shí)驗(yàn)制備了具有模擬阻變特性的憶阻器陣列，并構(gòu)建了基于憶阻器的神經(jīng)信號(hào)分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含用于神經(jīng)信號(hào)高效預(yù)處理的憶阻器濾波器組和用于智能分類(lèi)識(shí)別的憶阻器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性，研究團(tuán)隊(duì)演示了癲癇相關(guān)的神經(jīng)信號(hào)濾波與分類(lèi)，憶阻器系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)了93.46%的大腦癲癇狀態(tài)識(shí)別準(zhǔn)確率，相較于傳統(tǒng)CMOS硬件，具有400倍以上的功耗優(yōu)勢(shì)。上述成果近期以“面向高效腦機(jī)接口的憶阻器陣列神經(jīng)信號(hào)分析系統(tǒng)”（Neural signal analysis with memristor arrays towards high-efficiency brain–machine interfaces）為題在線(xiàn)發(fā)表在《自然?通訊》（Nature Communications）上。
圖2 用憶阻器神經(jīng)信號(hào)分析系統(tǒng)識(shí)別癲癇相關(guān)大腦狀態(tài)
圖3 憶阻器陣列濾波結(jié)果示例與網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確率和功耗的對(duì)比
清華大學(xué)微納電子系教授吳華強(qiáng)、助理教授唐建石和醫(yī)學(xué)院教授洪波是本論文的共同通訊作者，清華大學(xué)微納電子系博士生劉正午為論文的第一作者，論文合作者包括微納電子系博士生周穎、醫(yī)學(xué)院博士生劉定坤等人。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家研究中心等支持。
錢(qián)鶴、吳華強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于基于憶阻器的存算一體芯片技術(shù)研究，從器件性能優(yōu)化、工藝集成、電路設(shè)計(jì)及架構(gòu)與算法等多層次實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新突破，相關(guān)研究成果已在《自然》（Nature）、《自然?納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）、《自然?電子》（Nature Electronics）、《自然?通訊》（Nature Communications）、《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）等頂級(jí)期刊以及國(guó)際電子器件會(huì)議（IEDM）、國(guó)際固態(tài)半導(dǎo)體電路大會(huì)（ISSCC）等領(lǐng)域內(nèi)頂級(jí)國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表。
洪波教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期專(zhuān)注于微創(chuàng)腦機(jī)接口開(kāi)發(fā)和人腦語(yǔ)言神經(jīng)機(jī)制研究。團(tuán)隊(duì)與臨床神經(jīng)外科、微電子、材料等學(xué)科合作，發(fā)展了人腦功能定位與腦網(wǎng)絡(luò)分析新方法，提出并實(shí)現(xiàn)了基于顱內(nèi)腦電的微創(chuàng)腦機(jī)接口技術(shù)，在解析人腦語(yǔ)音語(yǔ)言編碼機(jī)制方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果在《自然?神經(jīng)科學(xué)》（Nature Neuroscience）,《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）,《自然?通訊》（Nature Communications）等期刊上發(fā)表。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-18105-4
供稿：微納電子系
編輯：李華山
審核：程曦
