IoN团队提出一套两级无线架构，并完成其中“跨硬膜”链路的原型验证。系统利用人体组织传导电信号，在人类尸体头部离体实验中实现最高500 Mbps传输、20%占空比和低于10⁻⁵的误码率；事件驱动编码将神经数据压缩约7—12倍。相关工作由imec、埃因霍温理工大学、鹿特丹伊拉斯谟医学中心等机构共同完成，发表于Nature Portfolio旗下期刊《Communications Engineering》。
千通道记录带来300 Mbps级数据量
侵入式脑机接口的电极通道数已经从几十、几百向上扩展。记录端获得更多信号后，采样、编码和传输端也要处理同步增长的数据量。按1000个通道、每通道30 kS/s、每个样本10 bit计算，原始数据率达到300 Mbps。同步、寻址和协议字段还会继续增加链路负担。与此同时，植入模块只能占用有限空间，功耗需要控制在毫瓦级，组织吸收能量和局部温升也有明确约束。因此，高通道数电极不能脱离遥测链路单独设计。带宽、功耗、封装、机械结构和生物安全需要在同一套系统预算内协调。 图1 分布式皮层内脑机接口构想：多个植入节点通过跨硬膜BCC链路汇聚至颅内接收单元，再由神经中枢向体外转发。图片来源：Shi等，Communications Engineering（2026），Fig. 1，IoN采用两级通信架构。第一段位于颅内：硬脑膜下方的植入单元负责采集和压缩神经信号，再通过经硬膜的电耦合体通道通信（galvanic-coupled BCC）把数据送到硬脑膜上方的颅内接收单元。第二段由“神经中枢”把汇聚后的数据穿过皮肤转发到体外设备。此次实验覆盖第一段，即硬脑膜下到硬脑膜上的短距离链路。从皮层电极到体外计算机的完整无线闭环尚未搭建，第二级穿皮通信也未进入本次验证。BCC不是让植入物通过传统天线向远处辐射信号，而是在发射端和接收端分别设置一对耦合电极，以生物组织作为电信号的传输介质。这里的“无线”指两个模块之间没有物理导线连接，并不意味着系统不使用电信号，也不意味着数据可以不经接收单元直接传到体外。跨硬膜短距离通信避开了传统射频方案中天线尺寸与组织衰减之间的部分矛盾，也不依赖高Q值线圈。发射和接收ASIC已做到亚毫米尺度，但尸体验证使用的完整亚硬膜单元仍装在约19.4 × 21.5 mm²的外壳中，并放入两枚纽扣电池。芯片已经缩小，供电、封装和外围电路仍占据主要体积。传统系统常用导线把皮层内电极阵列连接到固定在颅骨附近的遥测模块。大脑会随呼吸、血流和姿态发生微小运动，而颅骨相对固定；导线形成的机械约束可能加剧电极与组织之间的相对位移，进而带来炎症、瘢痕包裹和长期信号衰减。IoN把硬脑膜下的电极单元设计为“自由漂浮”结构，只通过组织传递数据；颅内接收单元固定在微创钻孔位置。两者之间取消物理导线后，跨越软组织与固定结构的牵拉随之减少。慢性植入条件下是否能降低组织反应，仍需在体实验确认。 图2 跨硬膜BCC系统原型。硬膜下单元集成事件编码与BCC发射端，硬膜上方单元负责接收并连接评估模块。图片来源：Shi等，Communications Engineering（2026），Fig. 2系统同时提高链路的瞬时传输能力，并在植入端减少待发送的数据。数据压缩由SODA（Send-on-Delta）编码器完成。动作电位持续时间短，神经元在大多数时刻并不产生需要完整上报的新变化。传统等间隔采样会连续输出大量相近数值。SODA使用Δ调制：只有当输入信号相对上一次记录的变化超过设定阈值时，编码器才产生事件；变化很小时，不发送新的数据。接收端再根据事件序列重建波形。事件还需要标明来自哪个通道。三值地址事件表示（AER）协议利用相邻电极常同时记录到同一神经元活动的空间相关性，把同组事件装进一个数据包，避免重复发送ADC标识，最多可把协议开销降低约一半。综合时间戳等信息后，SODA实现约7—12倍压缩，最高报告值为11.4倍。公开在体神经数据集上的测试包含6074个尖峰：重建后尖峰恢复率为97.71%，精确率为96.0%，召回率为97.7%；波形重建均方根误差低于6.3 μVrms。这些结果反映的是重建误差和尖峰检测表现，不是逐比特一致的无损压缩。压缩阈值提高后，数据率和发射时间会下降，但波形细节也可能发生变化。不同运动、语音或临床任务需要分别检查这种误差是否影响最终输出。 图3 SODA事件编码流程：信号变化触发事件，无事件时停止发送；实验中数据率最高降低11.4倍，并评估了重建波形与尖峰时间偏差。图片来源：Shi等，Communications Engineering（2026），Fig. 3，CC BY 4.0。 在人类尸体头部上，跨硬膜链路传到了500 Mbps在人类尸体头部离体实验中，亚硬膜发射单元放置在皮层表面，随后将硬脑膜复位；接收单元位于硬脑膜上方，并连接评估模块。实验过程中使用生理盐水维持组织湿润和导电性。发射端在芯片上生成模拟神经记录的数据，经SODA处理后通过BCC链路发送。结果显示，系统实现最高500 Mbps的数据传输速率，采用20%占空比，接收信号的信噪比约9.6 dB，误码率低于10⁻⁵。用于这次验证的亚硬膜单元功耗为2.4 mW，依靠纽扣电池可连续工作约一小时。20%占空比意味着发射端不是持续工作，而是在五分之一的时间发送数据，其余时间关闭传输。这样既降低平均功耗和组织吸收的能量，也为电极上的残余电荷重新分布留出时间。SODA减少待传数据量，使这种间歇工作方式成为可能。 图4 人类尸体头部离体实验：发射端位于皮层与硬脑膜之间，接收端位于硬脑膜上方；系统以20%占空比完成500 Mbps传输，误码率低于10⁻⁵。图片来源：Shi等，Communications Engineering（2026），Fig. 5BCC通过组织传递电流，因此必须回答两个问题：电荷是否会累积并损伤电极或组织，以及高频通信是否会意外改变神经活动。团队从电路和生物实验两方面进行了初步验证。在电路层面，系统采用差分曼彻斯特编码和双相调制，使正负电荷尽量平衡；每个数据包结束后，电荷再分布电路会短接耦合电极，释放由器件偏差造成的残余电荷。0.6 μm厚的Parylene-C涂层既承担绝缘和封装作用，也形成约10 MHz截止频率的高通特性，进一步抑制低频和直流成分。每相电荷估算约5 pC，电荷密度约6 × 10⁻⁴ μC/cm²，低于文中采用的0.5 μC/相和8 μC/cm²安全限值。这些数值只覆盖单次脉冲的电荷安全余量，不能替代慢性植入评估。材料老化、局部温升、炎症和纤维包裹需要更长时间尺度的数据。体外神经培养实验用钙成像比较通信前、通信中和通信后的神经活动，整体归一化峰值率没有显著变化。连续传输达到15分钟或更久后，耦合电极正上方出现局部抑制，局部升温可能是原因之一。实际植入时电极朝向硬脑膜而不是直接面对皮层，但这一布置能否消除长期影响尚无实验数据。 图5 体外神经培养安全性实验。整体神经活动在通信前后未见显著变化，但长时间传输后，耦合电极正上方观察到局部抑制现象。图片来源：Shi等，Communications Engineering（2026），Fig. 4，CC BY 4.0。电极通道数不是孤立指标。通道增加后，采样、模数转换、编码、传输、供能和散热的负担会同步上升。遥测链路容量不足时，只能降低采样率、减少有效通道，或在植入端舍弃更多数据。IoN把高密度记录与高吞吐传输放进同一套功耗和热预算。SODA位于植入端，不是体外服务器上的后处理算法。编码结果直接决定链路需要开启多长时间，因此数据表示、无线协议、功耗和热负荷相互关联。前端采集、事件提取、压缩和通信需要共同设定参数。自由漂浮式MEA减少了导线约束，可降低电极与固定颅骨结构之间的机械牵拉。当前实验没有进行慢性在体植入，也没有评估纤维包裹对链路和信号质量的影响，因此尚不能判断其长期稳定性。第一，尸体实验使用的是芯片生成的模拟数据，并非一套微电极阵列实时记录、压缩、跨硬膜传输和体外解码的完整闭环。下一步需要用真实神经记录验证端到端性能。第二，尸体模型无法重现正常的脑脊液循环、血流、组织反应和长期植入环境。跨硬膜链路在活体中的衰减、稳定性和安全性仍需验证。第三，系统方案包含无线供能，但本次实验仍依赖纽扣电池，无线供能没有集成进当前原型。供能效率、对准容差、热管理和封装后的整体尺寸都会影响最终形态。第四，两级架构目前只验证了第一段。颅内接收单元如何汇聚多个植入节点、如何穿皮传输，以及如何处理多节点时钟与数据冲突，还需要系统级整合。第五，事件压缩的参数需要针对不同脑区、任务和疾病状态调整。波形误差是否影响运动解码、语音解码或临床诊断，必须通过具体应用验证，不能只用单一公开数据集上的尖峰恢复率代替。这套原型把亚毫米收发芯片、SODA事件编码、20%占空比传输、电荷平衡和自由漂浮式结构组合在一起。分布式植入节点先在脑内完成采集和初步编码，再通过短距离组织通信把数据送到颅内接收端。现有结果限于离体尸体样本和体外神经培养。尸体实验使用芯片生成的模拟神经数据，未集成无线供电，也未验证第二级穿皮链路。下一阶段需要在活体和长期植入条件下测量链路衰减、温升、组织反应、封装老化和纤维包裹，并用真实神经记录检查压缩误差对运动、语音和临床分析的影响。完成这些环节后，才能判断该架构能否进入持续数年的植入式系统。来源：An Event based Body Coupled Transdural Telemetry for Intracortical Brain Computer Interfaces
期刊：Communications Engineering（Nature Portfolio旗下期刊），2026，5:140
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