陳冰

腦機(jī)接口通過在人腦植入電極，將大腦內(nèi)容變成電腦可以理解的數(shù)據(jù)跟算法。

《黑客帝國》中，男主角尼奧通過在腦后插入一根線纜實(shí)現(xiàn)與“母體”系統(tǒng)的連接就可進(jìn)入一個(gè)虛擬世界，用大腦意念獲得知識(shí)和發(fā)出指令。電影《阿凡達(dá)》中，雙腿癱瘓的前海軍陸戰(zhàn)隊(duì)員杰克“入艙”并頭戴非侵入式腦機(jī)接口裝置進(jìn)入潘多拉星。以往科幻片中的腦洞大開的想象，正在靠著打開的腦洞一步步變成現(xiàn)實(shí)。

“腦機(jī)接口和AI是一座橋的兩邊，我們各自在向?qū)Ψ桨l(fā)展。AI正在通過大模型+千億級(jí)的參數(shù)+所有被數(shù)字化的文本變得越來越像人腦，而腦機(jī)接口通過在人腦植入電極，將大腦內(nèi)容變成電腦可以理解的數(shù)據(jù)跟算法。這是一個(gè)互相融合的過程?！?月6日，在世界人工智能大會(huì)“腦機(jī)智能與數(shù)字生命”主題論壇上，腦虎科技聯(lián)合創(chuàng)始人彭雷表示，碳基生命和硅基生命未來一定會(huì)走到一起。

腦機(jī)接口（brain-computer interface，BCI），這個(gè)誕生了50年的概念，如今不再高冷。腦機(jī)接口市場的打開將為商用芯片/通信IP廠商打開全新的市場空間。根據(jù)Mckinsey研究報(bào)告顯示，預(yù)計(jì)腦機(jī)接口相關(guān)市場規(guī)模在2030—2040年期間可達(dá)700億—2000億美元。長期來看，人腦或?qū)崿F(xiàn)與智能家居、計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，未來或形成新型人機(jī)互聯(lián)網(wǎng)形態(tài)，帶來相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施需求。

腦機(jī)接口，正在成為下一個(gè)“風(fēng)口”。

搶占先機(jī)：從手機(jī)到腦機(jī)

腦機(jī)接口是生物技術(shù)（BT）與信息技術(shù)（IT）的跨界融合，隨著腦機(jī)接口、生物芯片、人造器官、AR手術(shù)等技術(shù)正在從理論走向應(yīng)用，生物層面的人類將與數(shù)字化的生活模式結(jié)合起來，也許未來的人類將是硅基器件與碳基生命融合。在這場數(shù)字生命的技術(shù)革命中，世界各國都在搶占先機(jī)。

腦機(jī)接口聽起來很科幻，但是它背后的原理其實(shí)非常樸素。人類的大腦每時(shí)每刻都產(chǎn)生思維意圖，其背后的物質(zhì)基礎(chǔ)就是神經(jīng)活動(dòng)，神經(jīng)活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生神經(jīng)信號(hào)，這些信號(hào)背后蘊(yùn)藏著跟我們意圖相關(guān)的特征。如果我們能夠用算法將其解碼出來，就能夠?qū)崿F(xiàn)意圖的識(shí)別。

所以說，腦機(jī)接口是一種直接建立在大腦與計(jì)算機(jī)之間的通信接口，能夠?qū)崿F(xiàn)思想與外物的互聯(lián)互通，能夠?qū)崿F(xiàn)生物智能與機(jī)器智能交互融合，整個(gè)過程包括腦信號(hào)的采集、特征的提取、模式的識(shí)別以及最后轉(zhuǎn)化為機(jī)器指令，與外部進(jìn)行通信。

根據(jù)電極放置的位置不同，腦機(jī)接口分成兩大類，侵入式腦機(jī)接口和非侵入式腦機(jī)接口。

非侵入式腦機(jī)接口將電極和傳感器放置在頭皮表面，它的優(yōu)勢是安全、無創(chuàng)、低成本，可監(jiān)測大規(guī)模的神經(jīng)活動(dòng)，但是由于電極與目標(biāo)神經(jīng)元離得比較遠(yuǎn)，所以獲取到的信號(hào)非常微弱、模糊，為后續(xù)的解碼帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

侵入式腦機(jī)接口需要做開顱手術(shù)，將電極埋到腦子，它的優(yōu)點(diǎn)是能夠獲得高空間分辨率的信號(hào)，獲得的信號(hào)質(zhì)量比較高，但是手術(shù)會(huì)帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)。

目前，科學(xué)家已經(jīng)可以通過腦機(jī)接口幫助四肢癱瘓的病人用自己的大腦意念完成許多復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)任務(wù)。除了解碼運(yùn)動(dòng)意圖，科學(xué)家們還可以解碼語言信息。2022年《自然》（Nature）公布數(shù)據(jù)表示，人類用意念打字可以實(shí)現(xiàn)99%準(zhǔn)確率。全球腦機(jī)接口技術(shù)已然推進(jìn)至產(chǎn)業(yè)發(fā)展期。

如果說手機(jī)作為一款消費(fèi)級(jí)的電子產(chǎn)品被大家廣為接受，但是應(yīng)該沒幾個(gè)人愿意在自己的腦袋上打個(gè)洞、埋一個(gè)電極，從而擁有強(qiáng)大的“腦機(jī)”，所以，侵入式腦機(jī)接口也正向著小型化、安全化的方向發(fā)展。

目前，侵入式腦機(jī)接口有三大技術(shù)路線并行，分別是：

硅基硬質(zhì)電極系統(tǒng)，也是目前唯一獲美國食品藥品監(jiān)督局（FDA）批準(zhǔn)可應(yīng)用于人體植入的腦機(jī)接口產(chǎn)品；血管支架電極，美國公司Synchron已于去年獲批人體臨床試驗(yàn)，雖然采集通道數(shù)較少，但該路線侵入窗口小，安全性較高；柔性電極系統(tǒng)，通過MEMS技術(shù)做高通量電極，腦電采集通道可實(shí)現(xiàn)成千上萬的跨越，也是“科技狂人”馬斯克的腦機(jī)接口公司Neuralink，與國內(nèi)腦虎科技、階梯醫(yī)療、微靈醫(yī)療等多家腦機(jī)接口公司選擇的技術(shù)路徑。

非侵入式腦機(jī)接口產(chǎn)品也在快速發(fā)展中。

馬斯克的Neuralink公司開發(fā)的微型侵入式腦機(jī)接口系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了微創(chuàng)的侵入性。2021年，Neuralink成功利用1024通道柔性電極實(shí)現(xiàn)猴子打游戲。

就在今年5月4日，南開大學(xué)段峰教授團(tuán)隊(duì)也實(shí)現(xiàn)了微創(chuàng)介入。研究人員將腦電傳感器貼附在猴腦血管壁上，因此無需開顱即可采集到腦電信號(hào)，讓猴子通過大腦意念來控制機(jī)械臂。這種方式的創(chuàng)傷較侵入式腦機(jī)接口更小，信號(hào)質(zhì)量較非侵入式腦機(jī)接口更高。這也是全球首例成功的非人靈長類動(dòng)物微創(chuàng)腦機(jī)接口試驗(yàn)。

天津大學(xué)醫(yī)工院副院長許敏鵬教授在“腦機(jī)智能與數(shù)字生命”主題論壇上指出，手機(jī)是我們這一代人最主要的交流方式，也許下一代人的交流就是靠意念控制。而用意念控制離不開腦機(jī)接口，未來腦機(jī)接口將從經(jīng)典的腦機(jī)接口逐漸演變?yōu)槟X機(jī)交互最后到腦機(jī)智能的模式。

最終，腦機(jī)接口將實(shí)現(xiàn)“心之所想，隨意而動(dòng)”，并成為元宇宙的終極入口。

探索性人體臨床試驗(yàn)? ??

1973年，美國科學(xué)家第一次提出了腦機(jī)接口的概念。在這一概念誕生50周年之際，腦機(jī)接口公司Neuralink在今年5月獲得了美國食品和藥物管理局的批準(zhǔn)，將啟動(dòng)首次人體臨床研究，在四肢癱瘓或截肢的患者身上植入設(shè)備。

與此同時(shí)，在中國，腦機(jī)接口如今也已經(jīng)走過了20周年的歷程，并與美國同行站在了同一條起跑線上。

在剛剛結(jié)束的2023世界人工智能大會(huì)（WAIC）“腦機(jī)智能數(shù)字生命”主題論壇上，成立僅僅兩年的侵入式腦機(jī)接口公司腦虎科技，一口氣發(fā)布了七項(xiàng)階段性科研新成果，橫跨學(xué)術(shù)、科研、醫(yī)療臨床等領(lǐng)域，其中不少是全球首例。

“我們在今年5月，完成了全球首例將半侵入式腦機(jī)接口設(shè)備植入恒河猴進(jìn)行打乒乓游戲的實(shí)驗(yàn)?！蹦X虎科技聯(lián)合創(chuàng)始人兼CEO彭雷表示，該腦機(jī)接口植入恒河猴打游戲?qū)嶒?yàn)，在解碼準(zhǔn)確性上，預(yù)測軌跡和真實(shí)軌跡相關(guān)性85%以上，延遲性則控制在30ms以內(nèi)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)14天以上的穩(wěn)定解碼。

這項(xiàng)科研成果的實(shí)驗(yàn)對象是腦虎科技的動(dòng)物員工——7歲的恒河猴“悟空”。首先，猴子經(jīng)過幾個(gè)月的訓(xùn)練，學(xué)會(huì)了打乒乓球，科學(xué)家同步完成相關(guān)信息采集。5月26日，“悟空”完成了電極植入手術(shù)，在植入256通道皮層電極后，可采集到LFP信號(hào)，并利用實(shí)時(shí)解碼數(shù)據(jù)讓猴子通過意念控制繼續(xù)游戲，達(dá)到“腦控”效果。

腦虎科技的另一個(gè)動(dòng)物員工——2歲的拉布拉多犬“尼奧”也完成了一次電極植入手術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)解碼。彭雷表示，他們將電極放置在尼奧腦部的M1運(yùn)動(dòng)區(qū)，后端通過數(shù)字腦電圖機(jī)來做信號(hào)采集跟處理，并配合以算法跟解碼軟件，以預(yù)測它的腿部運(yùn)動(dòng)軌跡跟腦電解碼出來軌跡之間的相關(guān)性。結(jié)果顯示：兩者軌跡相關(guān)性為80%以上，解碼延遲在30毫秒內(nèi)。通過兩項(xiàng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示，腦虎科技目前已實(shí)現(xiàn)了腦機(jī)接口系統(tǒng)從電極制備、信號(hào)采集、神經(jīng)解碼的全鏈條100%自研。

腦虎科技表示，在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)上取得了進(jìn)展之后，在3項(xiàng)探索性人體臨床試驗(yàn)上也有新的突破。

2023年2月完成一項(xiàng)256通道柔性深部電極的植入手術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)對單神經(jīng)元信號(hào)的有效記錄。5月，基于柔性皮層腦機(jī)接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)漢語言解碼與合成。6月，基于柔性皮層腦機(jī)接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)重要腦功能區(qū)定位，指導(dǎo)外科醫(yī)生切除腦區(qū)病灶，保留患者的重要腦功能。

侵入式腦機(jī)接口當(dāng)前還存在一系列待突破的挑戰(zhàn)和問題。第一面對大腦860億神經(jīng)元，腦機(jī)接口能夠采集的通道數(shù)在高通量的情況下也僅能采集上千通道的神經(jīng)元，尚且不能滿足精確解析大腦的要求，信號(hào)采集的“高通量”依然是各家正在跨越的難題；第二則是侵入式技術(shù)不得不面對的“創(chuàng)口”問題，開顱手術(shù)帶給患者的創(chuàng)傷是植入者必須考慮的問題，微創(chuàng)的探索也一直在持續(xù)；第三則是植入體的長期在體問題，除了解決生物相容性的問題，還需在長期在體的情況下仍能保持采集、讀寫信號(hào)的準(zhǔn)確度。

柔性電極目前被稱為“最長期且可持續(xù)的技術(shù)路徑”，因?yàn)樗梢越鉀Q三個(gè)最核心的問題，同樣也是這項(xiàng)技術(shù)產(chǎn)業(yè)在推廣上的三大核心要素：高通量、低創(chuàng)傷以及長期在體的穩(wěn)定性。

腦虎科技針對這三大核心要素，發(fā)布了兩項(xiàng)學(xué)術(shù)成果——

絲蛋白神經(jīng)光電極。利用絲蛋白與MEMS電極混合的多模態(tài)電極，用來實(shí)現(xiàn)大腦神經(jīng)解析與調(diào)控。在蠶絲蛋白做的光纖外部包裹上MEMS電極，實(shí)現(xiàn)了用光來刺激，同時(shí)用MEMS來采集一個(gè)完整的多模態(tài)的閉環(huán)調(diào)控。其次，因?yàn)樾Q絲原本的柔軟性，可以使其在一定強(qiáng)度內(nèi)的光耗控制很好，植入時(shí)是硬質(zhì)的，植入后就會(huì)變軟，比傳統(tǒng)的石英光纖低4個(gè)數(shù)量級(jí)。

在腦虎科技的恒河猴實(shí)驗(yàn)中，猴子可以“腦控”打乒乓球。

柔性電極植入手術(shù)機(jī)器人適用于腦機(jī)接口的科研和醫(yī)療使用。

類蚊口器仿生柔性神經(jīng)探針電極。利用類似于蚊子獨(dú)特的口器結(jié)構(gòu)，好比是一個(gè)外部較硬的物質(zhì)，撐開結(jié)構(gòu)再用柔性的吸管來吸血。這樣植入的特點(diǎn)是，植入時(shí)能保持較好的硬度，植入之后柔性電極能夠精準(zhǔn)采集，而且可調(diào)節(jié)的梭針長度，能夠?qū)崿F(xiàn)對多個(gè)腦區(qū)的植入，適應(yīng)不同類型大腦表面的形態(tài)。無需進(jìn)行硬腦膜移除手術(shù)且植入避開血管損傷，因?yàn)槊恳桓结槺澈蠖加幸粋€(gè)非常高靈敏度的觸覺傳感器陣列，可以準(zhǔn)確探測到在組織體內(nèi)是碰到腦組織還是碰到血管。術(shù)后信號(hào)采集具有出色表現(xiàn)，12小時(shí)之內(nèi)就能采集到高質(zhì)量的單神經(jīng)元信號(hào)。

彭雷表示，腦虎科技雖然很年輕，但在產(chǎn)品研發(fā)上一直在努力迭代，為此，他們還針對科研和醫(yī)療市場發(fā)布了兩款柔性電極植入的手術(shù)機(jī)器人和腦電采集芯片?！澳X科學(xué)經(jīng)歷了50多年的發(fā)展，也出現(xiàn)了一些痛點(diǎn)，這些痛點(diǎn)跟人工智能面臨的痛點(diǎn)非常類似，那就是對于產(chǎn)品的多樣化和軟硬件不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)和算法的不統(tǒng)一等問題。為此，腦虎科技面向全球腦科學(xué)家開放平臺(tái)，讓全球腦科學(xué)家實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可累計(jì)、算法的可分享，然后讓整個(gè)生態(tài)的迭代速度變快?！?/p>

此外，彭雷呼吁，希望更多從事腦科學(xué)領(lǐng)域的，無論是科學(xué)家、醫(yī)生、學(xué)者或者行業(yè)伙伴，一起加入建設(shè)開放平臺(tái)，通過打造BCI生態(tài)圈，讓腦科學(xué)也能像AI賦能千行百業(yè)一樣，以AI的迭代速度快速跑起來。

當(dāng)然，即使柔性電極被證明在人體中是安全的，但距離實(shí)現(xiàn)商業(yè)化仍然需要數(shù)年甚至是超過十年，因?yàn)閺呐R床到最終上市，侵入式腦機(jī)接口設(shè)備還需要解決安全性、穩(wěn)定性、可靠性等眾多問題。

靠玩游戲治病？

侵入式腦機(jī)接口需通過手術(shù)將電極植入大腦皮層等部位，而非侵入式腦機(jī)接口一般通過附著在頭皮上的可穿戴設(shè)備實(shí)現(xiàn)腦電信號(hào)采集，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，游戲或許是腦機(jī)接口技術(shù)最令人期待的載體之一。游戲企業(yè)，正在向腦機(jī)接口技術(shù)一步步靠近。

靠一款《原神》游戲賺了 200 億的米哈游，從去年開始布局腦機(jī)接口。米哈游宣布投資上海交大附屬瑞金醫(yī)院腦病中心，合作內(nèi)容主要是腦機(jī)接口技術(shù)的開發(fā)和臨床應(yīng)用。雙方共同成立“瑞金腦病中心米哈游聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”，共同攻關(guān)“腦機(jī)接口神經(jīng)療法治療難治性抑郁癥臨床研究”項(xiàng)目中的關(guān)鍵問題。

長期從事難治性抑郁癥腦機(jī)接口神經(jīng)調(diào)控治療臨床研究、在上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院擔(dān)任腦機(jī)接口及神經(jīng)調(diào)控中心共同主任的孫伯民指出，瑞金醫(yī)院難治性抑郁癥腦機(jī)接口神經(jīng)調(diào)控治療臨床研究項(xiàng)目，目前研究已入組23位患者，術(shù)后患者抑郁癥狀的平均改善超過60%。“對于難治性抑郁癥來說，60%的改善率已經(jīng)非常不容易。未來腦機(jī)接口技術(shù)將不僅僅局限于醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展，也將通過游戲等其它載體，為多動(dòng)癥、抑郁癥等疫病患者提供更加多元化的治療方案。”

2020年，陳天橋雒芊芊研究院下的腦科學(xué)前沿實(shí)驗(yàn)室與數(shù)藥智能合作，利用VR設(shè)備破譯和調(diào)節(jié)腦神經(jīng)信號(hào)的傳輸，從而對阿爾茲海默癥進(jìn)行治療。以神經(jīng)科學(xué)及腦機(jī)接口為底層技術(shù)開發(fā)的數(shù)字游戲基本原理是利用了美術(shù)、音樂、故事敘述和獎(jiǎng)勵(lì)循環(huán)來保持患者專注力，促使腦神經(jīng)突觸之間的神經(jīng)遞質(zhì)增加，達(dá)到突觸的修復(fù)，使信息傳遞的傳遞軌跡正?；?。

2021年初，盛趣游戲孵化的生態(tài)公司數(shù)藥智能成立，開始研發(fā)輔助治療兒童多動(dòng)癥的游戲《注意力強(qiáng)化訓(xùn)練軟件》。與此同時(shí)，波克城市也開啟游戲化數(shù)字療法戰(zhàn)略。用于兒童弱視治療訓(xùn)練的《快樂視界星球》游戲于2022年拿到二類醫(yī)療器械注冊證，另一款用于老年輕度認(rèn)知障礙康復(fù)訓(xùn)練的《定制式鏈接記憶游戲》則在臨床實(shí)驗(yàn)過程中。

游戲構(gòu)筑了每個(gè)老年人熟悉的日常世界，通過點(diǎn)擊屏幕，老人在自己虛擬居住的房間里，尋找物品，或者辨別家人的相貌和聲音來通關(guān)。設(shè)計(jì)者希望阿爾茲海默癥患者通過游戲進(jìn)行“康復(fù)訓(xùn)練”，以此增強(qiáng)記憶。

眼下，游戲公司針對多動(dòng)癥、孤獨(dú)癥、自閉癥、阿爾茲海默癥、弱視的游戲療法層出不窮，定位也從嚴(yán)肅醫(yī)療、康復(fù)訓(xùn)練，一路延伸到輔助教育。

接下來，腦機(jī)接口的賽道上還會(huì)出現(xiàn)哪些大咖入場呢？