4 月 9 日，由 Elon Musk 擔(dān)任 CEO 的侵入式腦機(jī)接口公司 Neuralink 發(fā)布了最新進(jìn)展。一只名叫 Pager 的 9 歲獼猴于 6 周前在腦內(nèi)植入了兩個(gè)腦機(jī)接口設(shè)備，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后，它可以用大腦控制光標(biāo)在屏幕上移動(dòng)。隨后 Elon Musk 在社交媒體 Twitter 上評(píng)論：“ Neuralink 的第一款產(chǎn)品可能是幫助癱瘓病人用大腦操作智能手機(jī)，甚至比普通人用手指操作還快”，“之后的產(chǎn)品形式可能是將顱內(nèi)的神經(jīng)電信號(hào)轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)/感官刺激，從而（舉個(gè)例子）幫助癱瘓病人重新行走”。

成立不到 5 年的 Neuralink 每次進(jìn)展發(fā)布都會(huì)吸引世界的目光。我們也觀察到在中國(guó)陸續(xù)有腦機(jī)接口方向的創(chuàng)業(yè)公司涌出，并獲得了資本市場(chǎng)的關(guān)注。

在剛剛過(guò)去的 3 月份，博?？担∟euracle）獲得紅杉資本中國(guó)等機(jī)構(gòu)的過(guò)億元人民幣 B 輪融資，寧矩科技（NeuraMatrix）獲得經(jīng)緯中國(guó)數(shù)百萬(wàn)美元 Pre-A 輪融資；去年 12 月，腦陸科技披露完成近億元人民幣戰(zhàn)略融資。

然而腦機(jī)接口究竟是什么？這項(xiàng)探索背后的底層驅(qū)動(dòng)邏輯是什么？有哪些技術(shù)路徑？有哪些應(yīng)用前景？目前科研與產(chǎn)業(yè)的前沿概況是怎樣的？哪些方向最先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化落地的突破？本文將從腦機(jī)接口技術(shù)分類路線、應(yīng)用方向、商業(yè)化落地案例等角度嘗試為讀者撥開(kāi)這項(xiàng)技術(shù)的賽博科幻表象，并梳理出一條理解其發(fā)展脈絡(luò)與產(chǎn)業(yè)化探索的主線。

1. 腦機(jī)接口的底層驅(qū)動(dòng)邏輯

1924 年，德國(guó)精神病學(xué)家 Hans Berger 發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)電的活動(dòng)并記錄成了腦電圖（electroencephalogram, EEG）。1970 年代，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）開(kāi)始發(fā)力探索大腦潛力。1973 年，美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校教授 Jacques Vidal 首次提出了腦機(jī)接口概念（Brain-Computer Interface, BCI）。直至進(jìn)入二十一世紀(jì)，腦機(jī)接口開(kāi)始受到學(xué)術(shù)界關(guān)注。近十年來(lái)，腦機(jī)接口真正成為學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，并逐步走向商業(yè)化。

隨著現(xiàn)代科技和醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，人類預(yù)期壽命不斷提高，目前是 80-90 歲，在本世紀(jì)后半葉甚至有望突破 100 歲。未來(lái) 50 年，30% – 60% 的人群有望活到超過(guò) 90 歲。然而，當(dāng)下現(xiàn)實(shí)情況是，絕大多數(shù)人群在 50-70 歲開(kāi)始出現(xiàn)腦功能下降帶來(lái)的問(wèn)題，比如記憶力下降、癡呆、抑郁、癲癇、腦腫瘤、腦萎縮等等。如果這些與大腦相關(guān)的問(wèn)題得不到根本性的改善，一個(gè)人群普遍壽命延長(zhǎng)的社會(huì)將會(huì)面臨著文化、倫理和經(jīng)濟(jì)等層面的巨大挑戰(zhàn)。這是人類平均壽命快速增長(zhǎng)與大腦工作壽命有限之間的矛盾。

另一方面，近 50 年的信息技術(shù)革命給人類社會(huì)帶來(lái)了指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的信息增量，然而人類學(xué)的相關(guān)證據(jù)表明，過(guò)去 2000 年來(lái)人類的個(gè)體大腦并未發(fā)生顯著的生物學(xué)進(jìn)化。這意味著人類文明知識(shí)的爆炸式發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)生物大腦的進(jìn)化速度，二者之間也存在顯著矛盾。

人類本體和生物大腦的兩大矛盾將長(zhǎng)期伴隨我們存在。腦科學(xué)與腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展或許將幫助我們發(fā)現(xiàn)解決這兩大矛盾的關(guān)鍵問(wèn)題，從而獲得變革性的解決方案。我們認(rèn)為，這是腦機(jī)接口近年來(lái)獲得快速發(fā)展的底層驅(qū)動(dòng)邏輯。

上一個(gè)十年是全球腦科學(xué)和神經(jīng)工程方面發(fā)展最為快速的十年。一方面，包括中國(guó)在內(nèi)的全球主要經(jīng)濟(jì)體在主動(dòng)推進(jìn)腦科學(xué)研究，紛紛提出 Brain Project；另一方面，在神經(jīng)工程領(lǐng)域也涌現(xiàn)出一批初創(chuàng)企業(yè)。在這些力量的推動(dòng)下，腦機(jī)接口技術(shù)不斷自我迭代，正在創(chuàng)造出一個(gè)又一個(gè)令人激動(dòng)的里程碑。

圖3｜世界主要經(jīng)濟(jì)體腦科學(xué)研究計(jì)劃（數(shù)據(jù)來(lái)源：張學(xué)博等，神經(jīng)科學(xué)和類腦人工智能發(fā)展：新進(jìn)展、新趨勢(shì)，生命科學(xué)，2020）

圖4｜神經(jīng)工程領(lǐng)域初創(chuàng)公司涌現(xiàn)（數(shù)據(jù)來(lái)源：張學(xué)博等，神經(jīng)科學(xué)和類腦人工智能發(fā)展：新進(jìn)展、新趨勢(shì)，生命科學(xué)，2020）

2.腦機(jī)接口技術(shù)路線分類

我們拆解開(kāi)腦機(jī)接口的關(guān)鍵組成部分來(lái)理解腦機(jī)接口的定義。腦（brain），是指有機(jī)生命形式的腦或者神經(jīng)系統(tǒng)，而并非抽象的心智（mind）；機(jī)（computer或者machine），是指任何處理或計(jì)算的設(shè)備，其形式可以從簡(jiǎn)單電路到硅基芯片到外部的計(jì)算或運(yùn)動(dòng)設(shè)備；接口（interface）是一種用于信息交換的中介。

這種中介在 PC 時(shí)代是以鍵盤(pán)+鼠標(biāo)+圖形顯示為代表，在智能手機(jī)時(shí)代以觸摸屏為代表，在 5G 萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代以各種智能傳感器為代表。在人機(jī)互聯(lián)的時(shí)代，腦機(jī)接口代表著人與外部設(shè)備間建立的直接連接通路。

簡(jiǎn)單理解，腦機(jī)接口是一個(gè)閉環(huán)的神經(jīng)信息通信和控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)神經(jīng)信息通信和控制的閉環(huán)離不開(kāi) 4 個(gè)步驟：信號(hào)采集、信號(hào)分析解碼成指令、將指令編碼成行為、實(shí)時(shí)反饋回大腦。

以前文中提到的猴子用大腦玩電子游戲的案例來(lái)理解，這 4 步分別對(duì)應(yīng)著：1）植入大腦中的電極采集到神經(jīng)元發(fā)出的電信號(hào)，2）將該信號(hào)解析成操控光標(biāo)運(yùn)動(dòng)的指令，3）用指令控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的光標(biāo)移動(dòng)，4）猴子用肉眼觀察到光標(biāo)移動(dòng)（獲得視覺(jué)反饋），然后開(kāi)始思考下一次光標(biāo)移動(dòng)的位置。

按照信息采集的方式，腦機(jī)接口可以分為侵入式和非侵入式兩種技術(shù)路徑。

侵入式腦機(jī)接口，是將收集顱內(nèi)神經(jīng)信號(hào)的電極等傳感設(shè)備植入到大腦皮層中，或者貼合到大腦硬膜上。以這種方式采集到的信號(hào)具有較高的信噪比和時(shí)空分辨率，這是侵入式腦機(jī)接口相比于非侵入式腦機(jī)接口最大的優(yōu)勢(shì)。

然而，侵入式腦機(jī)接口無(wú)可避免的會(huì)對(duì)腦組織造成損傷，因此一般首選以動(dòng)物作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。目前只有極少數(shù)實(shí)驗(yàn)用于患有嚴(yán)重神經(jīng)或精神疾病的病人，旨在部分或者全部恢復(fù)實(shí)驗(yàn)參與對(duì)象的因?yàn)榧膊』蛞馔馐鹿蕟适У母兄X(jué)或運(yùn)動(dòng)能力，這也是當(dāng)下侵入式腦機(jī)接口研究的重點(diǎn)方向之一。我們將在后文中列舉幾項(xiàng)有關(guān)方面的突破性進(jìn)展。

過(guò)去 50 年中的大部分時(shí)間里，集成電路遵循著摩爾定律的指引向前發(fā)展，侵入式腦機(jī)接口領(lǐng)域也存在著一個(gè)類似于摩爾定律的發(fā)展規(guī)律：平均每 7.4 年可同時(shí)被記錄的神經(jīng)元數(shù)量翻倍。2010 年代，這一數(shù)據(jù)量在 200-300 個(gè)左右。進(jìn)入 2020 年，Neuralink 展示的電極已經(jīng)達(dá)到了 1024 通道，大大提升了可同時(shí)記錄的神經(jīng)元的數(shù)量，這也是 Neuralink 對(duì)當(dāng)前侵入式腦機(jī)接口研究的重要貢獻(xiàn)。

人類大腦中大約有 850 億個(gè)神經(jīng)元，我們了解到，當(dāng)能夠同時(shí)被記錄的神經(jīng)元數(shù)量達(dá)到 10 萬(wàn)量級(jí)的時(shí)候，或許人類對(duì)腦疾病和腦活動(dòng)會(huì)有較清晰的認(rèn)知。目前我們還在從 1,000 量級(jí)邁向 10,000 量級(jí)的階段。

然而，侵入式腦機(jī)接口目前還只作用在局部大腦皮層，在相近地區(qū)植入太多的電極或采集更精準(zhǔn)的信號(hào)帶來(lái)的邊際效應(yīng)是遞減的。更可行的辦法是采集多個(gè)區(qū)域的信號(hào)，就像我們看到 Neuralink 的猴子實(shí)驗(yàn)中使用了兩個(gè)接口，但帶來(lái)的問(wèn)題是大腦被暴露在更多的風(fēng)險(xiǎn)中，這是一個(gè)兩難的選擇。

圖7｜平均 7.4 年侵入式腦機(jī)接口電極可同時(shí)記錄的神經(jīng)元數(shù)量翻倍（圖片來(lái)源：Stevenson & Kording, Nature Neuroscience, 2011）

非侵入式腦機(jī)接口，是目前最常采用的腦信號(hào)采集路徑，也是在商業(yè)化探索中更有望率先落地的技術(shù)路徑。雖然采集的信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于侵入式腦機(jī)接口方案，信噪比低，時(shí)空分辨率更模糊，但因?yàn)檫@種方案不會(huì)對(duì)腦組織造成創(chuàng)口傷害，因此在普惠式應(yīng)用方面更有潛力。非侵入式腦機(jī)接口當(dāng)下的研究重點(diǎn)，一方面在于信號(hào)監(jiān)測(cè)和分析設(shè)備及算法的改進(jìn)，另一方面在于與多種潛在應(yīng)用場(chǎng)景深度結(jié)合，探索應(yīng)用潛力。后文中也會(huì)列舉一些例證。

圖8｜不同腦機(jī)接口信號(hào)采集路徑的時(shí)空分辨率對(duì)比（數(shù)據(jù)來(lái)源：龔怡宏等，認(rèn)知科學(xué)與腦機(jī)接口概率，西南電子科技大學(xué)出版社，2020；絡(luò)繹知圖整理）

3.腦機(jī)接口的三大應(yīng)用層面

我們將腦機(jī)接口的應(yīng)用按照從單向輸出到形成閉環(huán)回路、技術(shù)難度從低到高、商業(yè)化落地從已落地到探索中的邏輯劃分為三個(gè)層面：狀態(tài)識(shí)別與監(jiān)測(cè)、信息交流與控制、感知/運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)與增強(qiáng)。

第一個(gè)層面，狀態(tài)識(shí)別與監(jiān)測(cè)

腦機(jī)接口正在切入教育、文娛、專業(yè)培訓(xùn)等領(lǐng)域，在這類商業(yè)落地場(chǎng)景中，非侵入式腦機(jī)接口方案是主流。這種應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的前提是通過(guò)便攜化、可穿戴的設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)腦電信號(hào)的精準(zhǔn)獲取。以往，腦電波信號(hào)獲取依賴復(fù)雜的外部?jī)x器設(shè)備，要求被測(cè)試者在頭上涂抹導(dǎo)電膠，并佩戴笨重的、布滿線纜的帽子。得益于近年來(lái)材料學(xué)、信號(hào)處理算法等方面的突破，可穿戴的腦電檢測(cè)設(shè)備已經(jīng)成熟。

在教育方面，可以利用可穿戴腦電檢測(cè)設(shè)備對(duì)學(xué)生的注意力水平進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)測(cè)，幫助教師獲得教學(xué)效果的實(shí)時(shí)反饋，并為改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容安排提供參考。在游戲文娛方面，可以用來(lái)監(jiān)測(cè)電競(jìng)選手訓(xùn)練期間的時(shí)序性表現(xiàn)作為提升訓(xùn)練效果的參考。在專業(yè)培訓(xùn)工作管理方面，由于宇航員、飛行員、航空空中交通管制員等特殊作業(yè)崗位人員的認(rèn)知負(fù)荷、疲勞程度對(duì)于工作安全、績(jī)效十分重要，實(shí)時(shí)取得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以作為工作管理的重要客觀依據(jù)。

圖10｜被 Facebook 收購(gòu)的 CTRL-labs 與 Facebook 原有 AR 眼鏡開(kāi)發(fā)部門(mén)融合，探索將可穿戴神經(jīng)電信號(hào)檢測(cè)設(shè)備與 AR 結(jié)合，創(chuàng)造游戲文娛領(lǐng)域新的應(yīng)用形式（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)，絡(luò)繹知圖整理）

第二個(gè)層面，信息交流與控制

在這一層，我們觀察到有越來(lái)越多的腦控外部設(shè)備等成果的出現(xiàn)，典型場(chǎng)景如腦控機(jī)械臂、假肢，這一場(chǎng)景也是侵入式和非侵入式腦機(jī)接口兩種技術(shù)路徑都在發(fā)力探索的場(chǎng)景。

2008 年，美國(guó)匹茲堡大學(xué)和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究人員在猴子大腦中植入了 100 個(gè)電極，實(shí)現(xiàn)了讓猴子通過(guò)意念控制機(jī)械臂喂食，這是侵入式腦機(jī)接口應(yīng)用探索中的重要里程碑。

2012 年，美國(guó)布朗大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)（BrainGate）在 Nature 期刊發(fā)表論文，報(bào)告了他們成功幫助中風(fēng) 15 年的病人通過(guò)機(jī)械臂完成抓取和進(jìn)食動(dòng)作。實(shí)驗(yàn)對(duì)象全程沒(méi)有依賴外界幫助，通過(guò)意念遙控了機(jī)械臂。

圖11｜2012 年，BrainGate 團(tuán)隊(duì)成功讓中風(fēng) 15 年的病人通過(guò)腦控機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)抓取和進(jìn)食動(dòng)作（圖片來(lái)源：Hochberg et al., Nature, 2012）

中國(guó)在這一領(lǐng)域也取得了重要突破。2020 年，浙江大學(xué)完成了中國(guó)首例侵入式腦機(jī)接口臨床轉(zhuǎn)化研究，一位 72 歲的高位截癱老人通過(guò)植入式電極控制機(jī)械臂同樣實(shí)現(xiàn)了抓取和喂食的動(dòng)作。相比于 BrainGate 早些時(shí)候取得的成績(jī)，中國(guó)的這次腦機(jī)接口研究的對(duì)象年齡更大，挑戰(zhàn)也更大。

圖12｜2020 年，浙江大學(xué)宣布完成中國(guó)首例侵入式腦機(jī)接口臨床轉(zhuǎn)化研究（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)，絡(luò)繹知圖整理）

在這一方向全球最新的成果是，2020 年美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)宣布首次實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制兩條機(jī)械臂。根據(jù)研究人員的介紹，控制兩條機(jī)械臂并非簡(jiǎn)單的動(dòng)作求和，難度相比于控制單條機(jī)械臂有了數(shù)倍的提升。

圖13｜2020 年，美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)宣布實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制兩條機(jī)械臂（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)，絡(luò)繹知圖整理）

以上三個(gè)案例都是基于侵入式腦機(jī)接口，神經(jīng)信號(hào)的采集也是通過(guò)硬質(zhì)的、針狀的猶他電極植入腦內(nèi)。采用這種電極的問(wèn)題是，除了長(zhǎng)期不可避免的損傷，大腦的排異反應(yīng)會(huì)在電極周邊產(chǎn)生膠質(zhì)瘢痕，影響信號(hào)強(qiáng)度。因此，采用柔性電極替代猶他電極是侵入式腦機(jī)接口發(fā)展的必然趨勢(shì)，以最大程度上降低對(duì)人體傷害，目前 Neuralink 已經(jīng)將這方面進(jìn)展向前推進(jìn)了一大步，我們后文中將會(huì)提到。

非侵入式腦機(jī)接口應(yīng)用以智能肌電假肢為代表。前面幾項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究的目標(biāo)是，通過(guò)侵入式腦機(jī)接口方案，讓四肢健全但后天原因?qū)е轮酗L(fēng)、癱瘓的病人獲得控制外部設(shè)備的能力，而假肢的任務(wù)是讓肢體殘疾、但并未因此癱瘓的人士重新站立行走或者自如地使用雙手。

在科學(xué)家將腦機(jī)接口技術(shù)應(yīng)用于假肢研發(fā)之前，傳統(tǒng)的平價(jià)假肢通常是木質(zhì)或者硅膠等材料制成的機(jī)械假肢，沒(méi)有任何的智能屬性。一些海外高端品牌如冰島的奧索（Ossur）、德國(guó)的奧托博克（Ottobock）價(jià)格高昂，讓大部分真正需要的殘疾人群體無(wú)緣受益，且智能化水平依然不足。

2019 年《時(shí)代》周刊評(píng)選的“2019 全球百大發(fā)明”中包括了一款基于非侵入式腦機(jī)接口技術(shù)的智能肌電（electromyogram，EMG）假肢——BrainRobotics。該假肢由 BrainCo（強(qiáng)腦科技）公司研發(fā)（見(jiàn)下文），采用人工智能算法處理神經(jīng)電和肌電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了仿生神經(jīng)肌肉通路的構(gòu)建。

其原理是通過(guò)表面肌電傳感器檢測(cè)殘疾患者殘余肢體的肌肉活動(dòng)，訓(xùn)練患者通過(guò)主動(dòng)收縮肌肉來(lái)實(shí)現(xiàn)讓假肢做出多種操作的控制。隨著這款假肢產(chǎn)品向市場(chǎng)的推廣普及，我們已經(jīng)看到諸如寫(xiě)毛筆字、彈鋼琴、攀巖這類難度極高的挑戰(zhàn)也得以實(shí)現(xiàn)。

以上介紹中，癱瘓病人通過(guò)腦機(jī)接口技術(shù)獲得了控制外部設(shè)備的能力，以及截肢患者得以自如的使用假肢，但這種將信號(hào)反饋回大腦的方式是視覺(jué)，而不是觸覺(jué)。接下來(lái)，我們討論腦機(jī)接口的第三個(gè)應(yīng)用層面——感知/運(yùn)動(dòng)功能的康復(fù)或重建。

第三個(gè)層面，感知/運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)與重建

2014 年，在巴西舉辦的世界杯開(kāi)幕式上，全身癱瘓的小伙 Juliano Pinto 在腦機(jī)接口和機(jī)械外骨骼的幫助下踢出了當(dāng)年世界杯的第一球。這項(xiàng)研究成果的背后是美國(guó)杜克大學(xué)神經(jīng)工程學(xué)教授 Miguel Nicholelis，他是腦機(jī)接口領(lǐng)域享有世界聲望的科學(xué)家、《腦機(jī)穿越》著作者、Walk Again Project 的發(fā)起人。

2016 年，Miguel 教授研究團(tuán)隊(duì)在 Scientific Reports 期刊發(fā)表論文，長(zhǎng)期癱瘓的病人在借助非侵入式腦機(jī)接口和外骨骼的幫助下，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練恢復(fù)了部分身體功能。其原理是通過(guò)腦機(jī)接口將大腦對(duì)截癱以下部位肢體的運(yùn)動(dòng)指令傳遞給外骨骼，通過(guò)外骨骼帶動(dòng)肢體運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到主動(dòng)訓(xùn)練目的。經(jīng)過(guò)世界杯開(kāi)幕式前后 10 個(gè)月的訓(xùn)練，Juliano 的癱瘓登記從 T4 變?yōu)?T11 一下，這意味著他有 7 節(jié)脊椎恢復(fù)了感知和運(yùn)動(dòng)控制功能。

在隨后的長(zhǎng)期跟蹤過(guò)程中，研究人員指出，有 4 名癱瘓病人在接受 12 個(gè)月的訓(xùn)練后，他們的下肢感知能力和肌肉控制能力發(fā)生了顯著變化，以至于醫(yī)生把診斷結(jié)果從一年前的“完全癱瘓”修改成“部分癱瘓”；28 個(gè)月后，8 名實(shí)驗(yàn)對(duì)象中的 7 名得到了顯著改善?；謴?fù)最好的患者甚至能夠不再依靠機(jī)械外骨骼行走。

這是目前腦機(jī)接口在脊髓損傷康復(fù)治療領(lǐng)域取得的令世人矚目的成就。Miguel 教授也曾表示，這項(xiàng)研究未來(lái)有可能轉(zhuǎn)化成為脊髓損傷導(dǎo)致的癱瘓的康復(fù)治療手段，為全世界約 2,500 萬(wàn)有需求的人群帶來(lái)希望。

圖15｜Miguel Nicholelis 教授團(tuán)隊(duì)采用腦機(jī)接口+機(jī)械外骨骼方式幫助癱瘓病人恢復(fù)部分身體功能，此為訓(xùn)練流程圖（圖片來(lái)源：Donati et al., Scientific Reports, 2016）

此外，2020 年，美國(guó)巴特爾紀(jì)念研究所的研究團(tuán)隊(duì)在 Cell 期刊發(fā)表論文，宣布利用侵入式腦機(jī)接口成功同時(shí)恢復(fù)了一名四肢癱瘓者的運(yùn)動(dòng)功能和觸覺(jué)，這成為癱瘓復(fù)建領(lǐng)域又一項(xiàng)里程碑式的突破。

在我們看來(lái)，通過(guò)非侵入式腦機(jī)接口+機(jī)械外骨骼組合對(duì)癱瘓病人進(jìn)行長(zhǎng)期神經(jīng)反饋訓(xùn)練短時(shí)間看是更現(xiàn)實(shí)的康復(fù)方案，畢竟在長(zhǎng)期訓(xùn)練周期中，目前的侵入式腦機(jī)接口的電極還不能保證足夠安全有效。

感知重建領(lǐng)域的突破不僅在于幫助癱瘓病人重獲觸覺(jué)和運(yùn)動(dòng)功能，還有研究團(tuán)隊(duì)在利用大腦信號(hào)進(jìn)行語(yǔ)言解碼，并在語(yǔ)音合成方面展示出了極大的潛力。

來(lái)自加州大學(xué)舊金山分校的神經(jīng)外科教授 Edward Chang 的課題組于 2019 年在 Nature 期刊發(fā)表論文，他們實(shí)現(xiàn)了基于顱內(nèi)微電級(jí)采集得到的神經(jīng)電活動(dòng)進(jìn)行的語(yǔ)音合成，并且經(jīng)病人顱內(nèi)腦電翻譯合成的語(yǔ)音已經(jīng)達(dá)到了人耳可辨識(shí)的程度。

Edward 教授課題組利用給癲癇病人手術(shù)前定位病灶的機(jī)會(huì)，在病人語(yǔ)音處理相關(guān)的腦區(qū)植入數(shù)百個(gè)微電極，將記錄到的神經(jīng)電信號(hào)先通過(guò)一個(gè)訓(xùn)練好的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型解碼成發(fā)聲器官的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后再將運(yùn)動(dòng)學(xué)特征解碼成聲學(xué)特征。

4.腦機(jī)接口商業(yè)化落地案例

我們介紹兩家腦機(jī)接口領(lǐng)域的代表性公司，Neuralink 和 BrainCo（強(qiáng)腦科技），分別代表侵入式腦機(jī)接口和非侵入式腦機(jī)接口方案提供商。

Neuralink

Neuralink 于 2016 年在美國(guó)舊金山成立。創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)除 Elon Musk 之外，還包括生物相容性材料專家 Vannessa Tolosa、無(wú)線腦電傳輸方案專家 Timothy Gardner、腦和認(rèn)知科學(xué)專家 Philip Sabes 等人。Neuralink 成立的初衷是為了解決與腦科學(xué)相關(guān)的醫(yī)療問(wèn)題，預(yù)期展示的首個(gè)人體應(yīng)用是幫助四肢癱瘓的人用腦操作智能手機(jī)。

2019 年 7 月，Neuralink 發(fā)布第一代腦機(jī)接口設(shè)備 N1 芯片、柔性電極及芯片植入設(shè)備縫紉機(jī)，并在小鼠身上展示。2020 年 8 月，發(fā)布第二代腦機(jī)接口設(shè)備“硬幣” Link V0.9、配套自動(dòng)化手術(shù)機(jī)器人 V2，并在活豬身上展示應(yīng)用。2021 年 4 月 9 日，展示猴子玩電子游戲?qū)嶒?yàn)視頻。目前，Neuralink 尚未進(jìn)入人體實(shí)驗(yàn)階段。

Neuralink 于 2020 年 8 月展示的手術(shù)機(jī)器人和柔性電極得到了腦機(jī)接口領(lǐng)域內(nèi)專家的認(rèn)可，通過(guò)手術(shù)機(jī)器人的方式將細(xì)如發(fā)絲、防腐蝕、且高通量的柔性電極植入腦皮層內(nèi)部，已經(jīng)是目前解決植入式腦機(jī)接口創(chuàng)傷問(wèn)題的最優(yōu)解。但實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸是否會(huì)造成電池發(fā)熱以及是否會(huì)因此造成信號(hào)傳輸中斷，我們也將持續(xù)關(guān)注。

BrainCo（強(qiáng)腦科技）

BrainCo（強(qiáng)腦科技）是一家非侵入式腦機(jī)接口底層技術(shù)研發(fā)公司，2015 年孵化于哈佛大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，核心創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)來(lái)自于哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院等高校和研究機(jī)構(gòu)。該公司曾入選《麻省理工科技評(píng)論》“ 50 家聰明公司” 2020 年榜單。

公司率先在腦電信號(hào)檢測(cè)與分析方面取得研發(fā)突破，實(shí)現(xiàn)了腦電檢測(cè)設(shè)備的小型化、便攜化，并將該項(xiàng)技術(shù)封裝成 Focus 智能腦電檢測(cè)頭環(huán)，可應(yīng)用于 ADHD（注意缺陷與多動(dòng)障礙）與自閉癥干預(yù)、兒童與運(yùn)動(dòng)員專注力提升等多個(gè)領(lǐng)域。此外，公司自主研發(fā)的智能肌電假肢—— BrainRobotics，也被評(píng)選為《時(shí)代》周刊“ 2019 年全球百大最佳發(fā)明”，目前已經(jīng)面向全球量產(chǎn)出貨。

目前，BrainCo 團(tuán)隊(duì)分布在杭州、深圳和波士頓。公司已經(jīng)獲得來(lái)自招商局資本、中國(guó)電子、光大控股、賽領(lǐng)資本等投資機(jī)構(gòu)在內(nèi)的多輪總共近 1 億美金融資。

5.展望腦機(jī)接口不遠(yuǎn)的將來(lái)

腦機(jī)接口并非是一個(gè)全新的技術(shù)或概念，從提出至今經(jīng)過(guò) 50 余年的發(fā)展，已經(jīng)逐漸從學(xué)術(shù)界走向創(chuàng)業(yè)圈。雖然目前落地應(yīng)用案例相對(duì)較少，但已經(jīng)表現(xiàn)出明顯的趨勢(shì)和巨大的潛力?，F(xiàn)實(shí)應(yīng)用與大眾對(duì)于腦機(jī)接口概念的預(yù)期或許還存在遙遠(yuǎn)的距離，但短期來(lái)看，其發(fā)展方向是清晰、可執(zhí)行的。

我們認(rèn)為侵入式腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)人體應(yīng)用的物理基礎(chǔ)，短期會(huì)朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展：1）開(kāi)發(fā)生物相容性更高、更柔性的電極材料，2）采用更安全的植入方式，3）神經(jīng)信號(hào)記錄儀器的微型化開(kāi)發(fā)，4）從有線連接向無(wú)線連接過(guò)渡，既要實(shí)現(xiàn)高通量的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)也要兼顧電池功耗、充放電頻率等要求。

非侵入式腦機(jī)接口的潛力在于探索在更多場(chǎng)景中的應(yīng)用，比如游戲娛樂(lè)、專注力提升、解決失眠問(wèn)題、自閉癥干預(yù)治療、阿爾茲海默癥延緩等等。此外，將非侵入式腦機(jī)接口與 VR、機(jī)械外骨骼等外界技術(shù)手段結(jié)合，在癱瘓康復(fù)治療領(lǐng)域也有著巨大的應(yīng)用前景。

來(lái)源：麻省理工科技評(píng)論