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西湖大学Mohamad Sawan教授当选加拿大皇家学会院士
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分类:  创建于:2022-09-29 被查看:1277次

近日,西湖大学微系统与生物工程讲席教授Mohamad Sawan,当选加拿大皇家学会院士。该学会成立于1882年,是加拿大最高国家学术机构。

此前,Sawan教授已是加拿大工程院院士、加拿大工程研究院院士、IEEE Fellow。作为国际知名的智慧生物医疗器械领域科学家,他在基于智能微系统技术的可植入式、可穿戴式智慧医疗器械方面作出了重要贡献。

自2018年全职加入西湖大学之后, Sawan教授将团队的研究方向聚焦于人类最复杂也最精妙的器官——大脑。他将实验室命名为CenBrain Neurotech,专注于神经退行性疾病以及与大脑相关的各种疾病的诊断、预测和治疗,并已在人工智能与脑机接口等新兴研究领域取得不错的进展。

如果你见过显微镜下的大脑神经元,在那片葳蕤的“森林”里,藏着无穷无尽的生命信号。本期LabShow,我们跟着Sawan教授团队的研究,前往这片森林里探索——定位错误的信号,重建丢失的信号,甚至创造新的信号。

用1平方毫米“看见”世界

在Sawan教授的办公桌上,有一个塑料收纳盒,巴掌大小,盒身已经磨花了。这个看上去普普通通的盒子里,装着一枚枚比小拇指甲盖还要小的芯片,那是可以改变一部分人生活的“黑科技”。

9月初,加拿大皇家学会公布了2022年度新当选院士名单,Sawan教授因其在生物医学工程方面的多项突破性成果,被列入这102名新院士的名单中。

Sawan教授曾在加拿大蒙特利尔大学任教27年,历任助理教授、副教授和教授。其间的2001~2015年,他还担任智慧医疗器械领域的加拿大研究主席。在加拿大皇家学会的介绍中,特别提到Sawan教授在多年前的一项代表性研究成果——一种能够帮助盲人恢复视觉的技术。

他从塑料盒里拿出其中几枚封装好的集成电路芯片,其核心是中间那不足1平方毫米见方的区域。这里规则排布着一根根极细的金属针头,有的呈4×4排列,有的呈8×8排列。这些针头,是用来刺激大脑中视觉皮层的电极。

理论上,电极越多,重建的视觉图像就越清晰,类似我们评价电子设备画面的“分辨率”。但实际上,需要纳入考虑的因素要复杂得多,更多电极意味着更高的功耗,而更高的功耗意味着芯片供电更加复杂,伤害到脑组织的风险也更高。


根据Sawan教授团队的设计,需要在安全可控的范围内,在盲人的大脑视觉皮层植入多枚这样的芯片,然后与外部的摄像头、电源等部件构成一套完整的微系统,能够解决因各种神经传导障碍导致的失明。

“直到现在,人类也没有完全搞清楚关于视觉的一切,但我们至少可以通过生物医学工程的办法重新‘看见’世界。”Sawan教授说,尽管这项技术无法帮助盲人重获正常的视力,但起码能让他们恢复部分视力,可以自主生活、工作。“比如,他能看到坐在这里的是我,而不是别人。”

必须扼止的头脑“风暴”

如果说关于视力的研究是在重建丢失的信号,有着相对明确的路径和方向,那么接下来Sawan教授介绍的这项工作,则是在茫茫“脑海”中捕捉错误信号。

癫痫,俗称“羊癫疯”,是一种常见的慢性神经性疾病。癫痫的发作具有反复性和未知性,但目前已知的发病过程,往往是大脑中某一个位置的神经元异常放电,然后从局部扩散至部分脑区,甚至全部脑区,导致不同程度的症状,严重时会抽搐、晕厥。

“就像在人脑中掀起了一场风暴。”Sawan教授说。

如何能够提前预知这场风暴的来临,或者更进一步,能够找到引发这场风暴的元凶,甚至及时给药预防发作?

2018年,Sawan教授来到中国,全职加入西湖大学工学院,任微系统与生物工程讲席教授。他将团队的工作重点,全面转向了研发用于癫痫诊断和预警的微系统。

挑战在于,癫痫发作的信号具有很强的隐蔽性。

Sawan教授团队的研究人员向我们展示了一段真实病人在癫痫发作前的脑电信号。用肉眼看,它们和健康状态下的脑电信号几乎是一样的。


癫痫患者脑电图

再来看脑电信号本身,不论是正常还是异常状态下,它的信号都极弱。具体来说,脑电信号的电压在微伏级别,只是常见电池电压的百万分之几。因此,收集脑电信号的过程,极易受到外部环境和检测设备本身电磁场、电子噪声的干扰。

他们研究的芯片,可以帮助在一片嘈杂之中,去定位那一个微弱的声音。


癫痫发作检测芯片

Sawan实验室自2018年开始建设以来,目前已经完成了癫痫预测的算法开发、芯片设计、样品制造与数据测试。他们让芯片做了三件事:记录脑电信号,尽可能清晰;智能检测和预测,尽可能准确;释放电刺激或药物,尽可能精准。

这样一整套智能的闭环脑机系统,是他们的目标——帮助癫痫病人获得独立生活能力。

如果神经退行性疾病都能这么治

作为一名兼具生物医学和电子工程两方面学术背景的教授,Sawan在看待神经退行性疾病的诊断与治疗时,多了一种工科的视角:

我们把大脑想象成一部机器,当某个功能不好用了,可能是因为某个零部件坏了,也可能是因为零部件之间接触不良。解决办法之一,是通过收集信号、处理信号、刺激干预的一套微系统,去替换坏掉的那个零部件。

基于这样一个相似的逻辑,Sawan实验室围绕帕金森、阿尔茨海默症等多种神经退行性疾病开展研究。

以预测癫痫的解决方案为例,Sawan实验室的智慧医疗器械涉及微电子集成电路、无线通信、信号处理、微流控、微纳米光子学、微加工、微系统集成等多学科交叉领域,应用于包括体外诊断、疾病预测、人体功能恢复等多个方面。

这也是这个落地在中国的科研团队,在未来想要聚焦的研究方向。

在中国四年,Sawan教授由于出色的科研工作,获得了杭州市钱江友谊使者奖、浙江省西湖友谊奖。他曾在获奖感言里写下这样一段话:

来自社会方方面面的支持,让西湖大学的梦想得以实现,也让我的梦想得以实现。我的梦想,就是用前沿科学研究与技术,帮助神经退行性疾病患者回归正常生活,提升生活质量。

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