——记中国科学院上海微系统与信息技术研究所青年研究员孙鎏炀

李白薇  李志岸

　　大脑，是人体最复杂、最重要但又最脆弱的器官，也是人类身体上最后一个“黑匣子”，如何借鉴和利用好大脑的优势对未来泛智能时代的发展意义重大。2021年，《科学》（Science）杂志发布了125个最具挑战性的科学问题，而这其中十分之一都与脑科学相关。

　　“这些脑科学问题有的包括了大脑记忆是如何形成又消失的，有的涉及重大脑疾病，比如阿尔茨海默病、睡眠障碍等。”中国科学院上海微系统与信息技术研究所青年研究员孙鎏炀介绍，“到目前为止，这些问题都没有被很好地回答，其中有一个底层的原因就在于缺乏一个有效的探索大脑、治疗大脑的工具，而脑机接口将会是一个重要的突破口。”

从物理到生物医学

　　令人感到惊异的是，如今在脑机接口未来科技前沿领域不断深耕且成果接连涌现的孙鎏炀，就在几年前，他的学习研究方向还是物理学。“对我来说，不管是物理还是生物医学，最重要的其实就是兴趣驱动，找到让你早上醒来迫不及待想做的事情。”

　　在孙鎏炀记忆中，对物理的兴趣从很小的时候就已经有迹可循。那会儿还是小学生的他，就已经跟着读中学的表哥一起做一些趣味性的物理实验，比如观察并试验玻璃杯表面的张力、物体表面的摩擦力等。每个日常生活中司空见惯的物理现象都会让他觉得神奇不已，并不断追问背后的原因。就这样，在报考大学的时候孙鎏炀自然而然选择了物理专业。

　　本科期间，孙鎏炀就已经开始跟着导师进入实验室学习，并自此打开了一扇通往更加广阔的物理世界的大门。在他眼中，师兄师姐们做的实验都非常高级而且也更加前沿，尤其在光学研究方面的实验给他留下了深刻的印象，他希望自己有一天也能研究一些特别精密的仪器去测量光的性质。就是在这样持续的好奇心驱使下，孙鎏炀一路从南京大学物理学本科、硕士，读到了美国得克萨斯大学奥斯汀分校物理学博士。

　　博士时期，孙鎏炀重点聚焦超材料与低维材料的奇异光电性质与微观机理，围绕非对称结构设计与先进光谱探测展开系统研究，通过构建金纳米颗粒等离激元微腔，大幅提高了纳米材料的量子效率与偏振控制能力，并深入揭示二维材料能谷激子的选择激发与输运机制，为高灵敏生物检测与量子信息调控提供了新思路。同时他自主开发的锁相瞬态相干光谱系统可在单光子尺度精确表征红外量子点的相干寿命，阐明声子-激子散射在非平衡态动力学中的核心作用，为高效红外光电器件设计与纳米级集成化奠定了扎实的实验基础。相关成果以第一作者发表于《自然·光子学》（Nature Photonic）、《纳米快报》（Nano Letters）等期刊，并入选美国光学学会（OSA）2019年度光学进展（Optics in 2019）。

　　十几年与物理打交道的日子就这样在一个接一个实验中缓缓流淌而过，创新的火花也结出了多项科研硕果。彼时，可能谁也没想到有一天孙鎏炀会突然改变方向。

　　“为什么会进入到脑机接口领域？最初的契机其实就是因为一场讲座。”孙鎏炀介绍，得克萨斯大学奥斯汀分校学习研究氛围非常开放、自由，经常鼓励大家和各个学科研究者进行交流。博士期间，他就经常会去听产学研不同背景的讲座，包括机械工程、生物医学工程等不同的专业，开阔自己的研究视野。有一次，孙鎏炀记得杜克大学的一个教授过来作了一场讲座，而他的报告就是关于脑机接口的。“在报告中他介绍了大脑是如何工作的，听完后我就对脑科学产生了非常浓厚的兴趣。”

　　之后，孙鎏炀还专门跑去向这一领域的专家，也是他后来的博士后导师了解相关进展。交流后得知，他们目前正在开发一种柔性神经调控技术，也就是可以长期在体外观测大脑神经活动领域最前沿的技术。孙鎏炀发现，自己一直以来进行的物理研究，尤其在微纳结构和精密光学方面的工作是有可能匹配这项研究的。“我们讨论后就觉得，也许有可能开发一种新的可以植入到动物和人体内的微小传感器，用来探测大脑的信号。”

　　新的研究方向开始出现了一点亮光，但到底要不要就此转向？孙鎏炀也曾为此认真考虑良久。那时他离博士毕业只剩一年时间，绝大部分走科研之路的人到这一时期基本上也都已经确定方向，后期的研究都与博士时期一脉相承，至少在一个大的领域。现在进行较大的研究方向转变，显然对职业生涯并不是那么友好。

　　此外，从物理学跨专业到生物医学，孙鎏炀面临的还有更大的专业难题：一方面来自基础知识的匮乏，另一方面就是实验对象及技能的挑战。“在物理学领域，通过十几年的系统学习，我对物理学整个发展脉络非常清晰，但对于神经科学如何发展、最前沿的方向是什么完全不了解。”孙鎏炀说道，“还有实验对象及技能，我们原来打交道的都是一些材料器件，实验对象都是无生命的物质，但生物医药的实验对象都是动物或者人，对我们来说心理上也是一个很大的挑战，相关的实验技能也很缺乏。”

　　每一个难题其实都足以让人望而却步，但心中的研究热情却促使孙鎏炀向着未知的那个领域不断靠近。他向自己的导师还有科学界的前辈咨询请教，并获得了很多人的鼓励，支持他去做自己真正感兴趣的事情。“我的导师还跟我说了一句让我印象很深刻的话，他说这也许是你人生中最后一次系统性学习一个新领域的机会，你可以考虑一下要不要把握。”

　　最终，兴趣还是战胜了所有现实的挑战。尽管距离博士毕业还有不到一年时间，但下定决心的孙鎏炀决定开始自学，在为物理学专业博士毕业做准备的同时，通过学校内部还有网络课程，系统性学习神经科学、解剖学相关知识。

　　2018年5月，孙鎏炀顺利拿到得克萨斯大学奥斯汀分校物理学博士学位；同年8月，他开始在得克萨斯大学奥斯汀分校生物医学工程系专业进行博士后研究，一段全新的旅途正式开始。

向着人类“终极疆域”进发

　　脑科学研究，其神秘复杂程度可以说是科研界的珠穆朗玛峰，它不仅是当前国际科技前沿的热点领域，也是理解自然和人类本身的“终极疆域”。

　　在真正进入这一领域后，孙鎏炀才发现，这确实是一个需要多学科交叉才能更好发展的领域。“脑科学实际上是一个系统工程，它不仅需要工程的力量、底层物理的前沿知识，还需要先进材料去促进工具的发展。与此同时，对于先进的传感器而言，也迫切需要一个真实场景去应用实践，当双方交汇在一起时才能迸发出最大的能量。”孙鎏炀说道。也因此，2020年9月，他还前往美国莱斯大学进行了为期一年的电气与计算机工程系博士后研究工作。

　　2021年，身怀多个学科专业知识经验的孙鎏炀学成归国，正式加入中国科学院上海微系统与信息技术研究所，并成为该所2020前沿实验室（2020 X-Lab）的一员。对他而言，回国的决定既是个人职业发展的最佳选择，也是科技报国的情怀使然。

　　“目前国内的科研环境及资源已经不亚于美国，而且发展趋势更好，对个人来说发展前景更为广阔。而且经过这么多年的学习研究，我也希望能用自己所学知识为国家发展作一些微薄贡献。”孙鎏炀说，他一直记得2019年在国外通过网络观看“庆祝中华人民共和国70周年阅兵”的场景，那种振奋的心情促使他坚定了未来学成归国的决心。

　　当前，随着神经科学和类脑人工智能的快速发展，脑科学研究正迎来前所未有的历史窗口期。为此，世界大国纷纷推出各自的脑科学计划，包括美国于2013年率先发布的“推进创新神经技术脑研究计划”（BRAIN Initiative）；欧盟随后将“人脑工程计划（HBP）”列入未来新兴旗舰技术项目（2013年）；日本、韩国、加拿大等先后发布大脑发展战略和共识；艾伦研究所、谷歌公司、微软公司等研究机构和企业也纷纷加入。在我国，“脑科学与类脑研究”于2016年被“十三五”规划纲要正式确定为我国重大科技创新项目和工程之一，并于2021年正式启动，科技部、国家自然科学基金委、中国科学院等机构也投入了大量资金，北京市和上海市政府也启动相关战略规划。

　　“上海是国内最早布局脑机接口研究的城市之一。”孙鎏炀回国这一年，中国科学院上海微系统研究所正好成立了一个创新型国际化基础科研平台——2020前沿实验室（2020 X-Lab），致力于推动研究所前沿基础研究，为青年研究人员提供自主、宽松的科研环境。实验室下设4个平台，其中之一就是智能传感技术及其应用，主攻方向就是要做大脑信号的生物传感器，这与孙鎏炀的目标正好不谋而合。

　　有了平台的支持，回国后的孙鎏炀在脑机接口方面的研究迅速迈入了轨道，并加入了科技创新2030重大项目“面向癫痫诊疗的反应性神经调控脑机交互技术”项目课题组。作为严重影响人类健康的神经系统疾病，传统药物和外科手术对难治性癫痫的治疗效果十分有限。近年来，基于脑机交互技术的癫痫诊疗技术成为世界各国研究的热点。

　　孙鎏炀介绍，该项目是一项非常庞大的工程，由军事医学研究院作为牵头单位，联合了国家纳米科学中心、中国科学院自动化研究所、中国科学院上海微系统所、宣武医院等10家脑机交互相关领域优势单位，涵盖产、学、研、医、用五大领域。其中，有的负责癫痫的机理研究，有的负责临床研究，而他们要做的就是开发硬件设备，重点解决当前癫痫调控交互系统存在的探测通道少、信号模式单一、排异反应强、系统集成度低等重大问题。

　　“如果知道一些与控制癫痫疾病相关的特殊的神经系统，通过刺激它也许就可以有效抑制癫痫的发作。”然而，由于神经网络的复杂性和癫痫发作的不确定性，其对癫痫的预测和调控还存在诸多挑战，如何解决“基于脑机交互技术的癫痫诊疗和神经调控机制”这一关键科学问题，并突破高通量闭环脑机接口微系统集成、癫痫复杂脑网络动力系统表征与难治性癫痫的可解释预测建模、纳米神经调控器件制造工艺与神经调控、高通量闭环脑机接口微系统集成、基于动物癫痫模型的脑机交互、基于特异性癫痫网络的临床脑电数据库标准化等系列关键技术，是提高其预测和干预效果的基础和前提。

　　目前，孙鎏炀团队已开发出更高通量的脑机接口，可以探测并监控更多的神经系统点位；同时开发出的电极触点相较以往缩小了一个数量级，可以更精细地通过神经网络对神经活动进行干预。在此基础上，他们还将制备具有可跨脑区协同检测电生理-递质化学信号、高生物相容性的神经电极，设计并流片信号采集分析和反馈刺激一体化集成低功耗双向神经芯片，研制具有国际领先水平的双向闭环神经调控器件与系统，为癫痫疾病诊治的跨越式发展提供重要基础。

“无创”调控大脑之声

　　“神经调控对于临床医学来说意义十分重大。”孙鎏炀介绍，神经调控简单来讲就是通过调控神经活动来达到治疗的目的。比如癫痫，一些难治的癫痫通过吃药等方法已经无法治疗，那可以尝试通过刺激一些特殊的神经活动去抑制癫痫的发作；还有抑郁症，可以通过刺激一些特定的脑区，让病人产生比如多巴胺等神经递质，从而帮助患者从情绪的深渊中脱离。

　　“从物理学角度来看，所谓的刺激其实就是把能量输入大脑。”孙鎏炀介绍，传统神经调控的方法就是像扎针一样将一根电极输送到脑子里，然后通过电流去刺激大脑，这种方式对大脑的损伤极大。“我们的科研目标就是通过无创或微创的形式把能量输入大脑里面，进而调控大脑的声音。”

　　就是在这样的初心驱使下，在一次与隔壁实验室新能源团队交流的时候，孙鎏炀灵光乍现，忽然想到是否能通过光去做神经调控——既然新能源电池可以通过光电效应将光变成电，那他们是不是也能利用光电材料，把光变成电去刺激大脑？

　　也许是命中注定，过往十几年的物理学研究，事实证明一直在帮助孙鎏炀更快、更好地走在生物医学的路上。基于过往与“光”多年打交道的经验，孙鎏炀了解了各种各样形态的光，包括可穿透人体组织的红外光。不过，红外光转换效率低，不能直接变成电，后来孙鎏炀想到了博士时期研究过的一种上转换材料——能够将更易穿透生物组织的低频光子转化为能激发光电材料的高频光子，从而实现红外光和神经细胞的相互作用。

　　2024年年初，由孙鎏炀主持的“基于上转换纳米颗粒-表面等离激元复合结构的光学神经调控研究”顺利获得了国家自然科学基金青年科学基金项目支持。相较于电、磁等其他神经调控方式，光神经调控技术具有响应速度快（亚毫秒量级）、靶向性高（单细胞或单细胞类型）、侵入性低（无需有创植入）等独特优势，在神经科学尤其是神经网络活动观测与调控领域引起了人们极大关注，已经在基础神经科学、大脑疾病诊治、大脑功能增强等前沿领域获得了极为成功的示范性应用。

　　在该项目中，孙鎏炀针对当前光学神经调控方法转换效率低、安全与稳定性差等难点，构建一种可以稳定将红外光转化为神经刺激的材料体系，突破过去光学调控往往需要植入光纤或者需要基因编辑的制约，为更高效、更安全的红外光学神经调控提供科学依据和系统模型。

　　“这是一个非常冒险的创新想法，但如果原理可行、技术进一步成熟的话，也许可以开辟一个全新的神经调控方法，取代现在对人脑伤害比较大的植入电极的手术方式。”孙鎏炀说道。

　　就在前不久，孙鎏炀团队在神经细胞光学调控方面的进展传来了好消息——在《科学进展》（Science Advances）上发表研究论文。该研究开发了一种基于混合上转换和光伏纳米颗粒的神经调控技术，无需基因修饰即可在野生型小鼠中实现近红外激活神经元。这种方法将穿透深度大的近红外光转换为局部电刺激，能够在深部脑组织中进行即时精准的神经调控。体外膜片钳实验证实了这一创新的材料体系可以有效激活神经细胞。进一步的在体实验表明，该技术成功实现了对重要深部脑功能区的光学神经调控。

　　尽管回国时间不长，专攻生物医学领域的时间也只有短短几年，但孙鎏炀一路破壁生长的速度令人侧目。而且他不仅在科研领域成果频出，就连团队也从刚回国的仅有两人，发展成如今多学科研究背景、梯度合理的20余人团队。

　　作为一个青年科研工作者，在脑机接口这一新兴前沿领域，无疑还有一个更加广袤无垠的世界等待孙鎏炀去发展、创造。

专家简介

　　孙鎏炀，中国科学院上海微系统与信息技术研究所青年研究员，博士生导师。在南京大学获得物理学士、硕士学位，在得克萨斯大学奥斯汀分校获得物理学博士学位。之后加入得克萨斯大学奥斯汀分校生物医学工程系、莱斯大学电子电气工程与神经工程系从事博士后研究工作。于2021年加入中国科学院上海微系统所任青年研究员。入选中国科学院百人计划（青年）、上海海外高层次人才计划、上海市浦江人才计划等。长期从事微纳传感技术研究，发表高质量学术期刊论文30余篇，包括Nature Photonics，Science Advances，Biosensors and Bioelectronics，Nano Letters，Microsystems & Nanoengineering等第一/通讯作者论文十余篇。申请发明专利11项，授权4项。作为项目或课题负责人主持国家、上海市及中国科学院重大科研攻关任务十余项（总经费概算5000余万元），包括科技部科技创新2030脑计划课题“面向癫痫诊疗的反应性神经调控脑机交互技术”、国家自然科学基金青年科学基金项目“光学神经调控研究”、上海市市级重大项目课题“脑机接口关键技术与核心器件——柔性脑机接口”等。指导研究生获“上海市优秀毕业生”称号。