4 月 9 日，由 Elon Musk 擔任 CEO 的侵入式腦機接口公司 Neuralink 發(fā)布了最新進展。一只名叫 Pager 的 9 歲獼猴于 6 周前在腦內植入了兩個腦機接口設備，經(jīng)過訓練后，它可以用大腦控制光標在屏幕上移動。隨后 Elon Musk 在社交媒體 Twitter 上評論：“ 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，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的神經(jīng)電信號轉化為運動/感官刺激，從而（舉個例子）幫助癱瘓病人重新行走”。

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

在剛剛過去的 3 月份，博?？担∟euracle）獲得紅杉資本中國等機構的過億元人民幣 B 輪融資，寧矩科技（NeuraMatrix）獲得經(jīng)緯中國數(shù)百萬美元 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。

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

1. 腦機接口的底層驅動邏輯

1924 年，德國精神病學家 Hans Berger 發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)電的活動并記錄成了腦電圖（electroencephalogram, EEG）。1970 年代，美國國防高級研究計劃局（DARPA）開始發(fā)力探索大腦潛力。1973 年，美國加州大學洛杉磯分校教授 Jacques Vidal 首次提出了腦機接口概念（Brain-Computer Interface, BCI）。直至進入二十一世紀，腦機接口開始受到學術界關注。近十年來，腦機接口真正成為學術研究的熱點領域，并逐步走向商業(yè)化。

隨著現(xiàn)代科技和醫(yī)療技術的發(fā)展，人類預期壽命不斷提高，目前是 80-90 歲，在本世紀后半葉甚至有望突破 100 歲。未來 50 年，30% – 60% 的人群有望活到超過 90 歲。然而，當下現(xiàn)實情況是，絕大多數(shù)人群在 50-70 歲開始出現(xiàn)腦功能下降帶來的問題，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的問題得不到根本性的改善，一個人群普遍壽命延長的社會將會面臨著文化、倫理和經(jīng)濟等層面的巨大挑戰(zhàn)。這是人類平均壽命快速增長與大腦工作壽命有限之間的矛盾。

另一方面，近 50 年的信息技術革命給人類社會帶來了指數(shù)級增長的信息增量，然而人類學的相關證據(jù)表明，過去 2000 年來人類的個體大腦并未發(fā)生顯著的生物學進化。這意味著人類文明知識的爆炸式發(fā)展遠遠超過生物大腦的進化速度，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期伴隨我們存在。腦科學與腦機接口技術的發(fā)展或許將幫助我們發(fā)現(xiàn)解決這兩大矛盾的關鍵問題，從而獲得變革性的解決方案。我們認為，這是腦機接口近年來獲得快速發(fā)展的底層驅動邏輯。

上一個十年是全球腦科學和神經(jīng)工程方面發(fā)展最為快速的十年。一方面，包括中國在內的全球主要經(jīng)濟體在主動推進腦科學研究，紛紛提出 Brain Project；另一方面，在神經(jīng)工程領域也涌現(xiàn)出一批初創(chuàng)企業(yè)。在這些力量的推動下，腦機接口技術不斷自我迭代，正在創(chuàng)造出一個又一個令人激動的里程碑。

圖3｜世界主要經(jīng)濟體腦科學研究計劃（數(shù)據(jù)來源：張學博等，神經(jīng)科學和類腦人工智能發(fā)展：新進展、新趨勢，生命科學，2020）

圖4｜神經(jīng)工程領域初創(chuàng)公司涌現(xiàn)（數(shù)據(jù)來源：張學博等，神經(jīng)科學和類腦人工智能發(fā)展：新進展、新趨勢，生命科學，2020）

2.腦機接口技術路線分類

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

這種中介在 PC 時代是以鍵盤+鼠標+圖形顯示為代表，在智能手機時代以觸摸屏為代表，在 5G 萬物互聯(lián)時代以各種智能傳感器為代表。在人機互聯(lián)的時代，腦機接口代表著人與外部設備間建立的直接連接通路。

簡單理解，腦機接口是一個閉環(huán)的神經(jīng)信息通信和控制系統(tǒng)。實現(xiàn)神經(jīng)信息通信和控制的閉環(huán)離不開 4 個步驟：信號采集、信號分析解碼成指令、將指令編碼成行為、實時反饋回大腦。

以前文中提到的猴子用大腦玩電子游戲的案例來理解，這 4 步分別對應著：1）植入大腦中的電極采集到神經(jīng)元發(fā)出的電信號，2）將該信號解析成操控光標運動的指令，3）用指令控制計算機系統(tǒng)內的光標移動，4）猴子用肉眼觀察到光標移動（獲得視覺反饋），然后開始思考下一次光標移動的位置。

按照信息采集的方式，腦機接口可以分為侵入式和非侵入式兩種技術路徑。

侵入式腦機接口，是將收集顱內神經(jīng)信號的電極等傳感設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具有較高的信噪比和時空分辨率，這是侵入式腦機接口相比于非侵入式腦機接口最大的優(yōu)勢。

然而，侵入式腦機接口無可避免的會對腦組織造成損傷，因此一般首選以動物作為實驗對象。目前只有極少數(shù)實驗用于患有嚴重神經(jīng)或精神疾病的病人，旨在部分或者全部恢復實驗參與對象的因為疾病或意外事故喪失的感知覺或運動能力，這也是當下侵入式腦機接口研究的重點方向之一。我們將在后文中列舉幾項有關方面的突破性進展。

過去 50 年中的大部分時間里，集成電路遵循著摩爾定律的指引向前發(fā)展，侵入式腦機接口領域也存在著一個類似于摩爾定律的發(fā)展規(guī)律：平均每 7.4 年可同時被記錄的神經(jīng)元數(shù)量翻倍。2010 年代，這一數(shù)據(jù)量在 200-300 個左右。進入 2020 年，Neuralink 展示的電極已經(jīng)達到了 1024 通道，大大提升了可同時記錄的神經(jīng)元的數(shù)量，這也是 Neuralink 對當前侵入式腦機接口研究的重要貢獻。

人類大腦中大約有 850 億個神經(jīng)元，我們了解到，當能夠同時被記錄的神經(jīng)元數(shù)量達到 10 萬量級的時候，或許人類對腦疾病和腦活動會有較清晰的認知。目前我們還在從 1,000 量級邁向 10,000 量級的階段。

然而，侵入式腦機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的信號帶來的邊際效應是遞減的。更可行的辦法是采集多個區(qū)域的信號，就像我們看到 Neuralink 的猴子實驗中使用了兩個接口，但帶來的問題是大腦被暴露在更多的風險中，這是一個兩難的選擇。

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

非侵入式腦機接口，是目前最常采用的腦信號采集路徑，也是在商業(yè)化探索中更有望率先落地的技術路徑。雖然采集的信號強度遠遠弱于侵入式腦機接口方案，信噪比低，時空分辨率更模糊，但因為這種方案不會對腦組織造成創(chuàng)口傷害，因此在普惠式應用方面更有潛力。非侵入式腦機接口當下的研究重點，一方面在于信號監(jiān)測和分析設備及算法的改進，另一方面在于與多種潛在應用場景深度結合，探索應用潛力。后文中也會列舉一些例證。

圖8｜不同腦機接口信號采集路徑的時空分辨率對比（數(shù)據(jù)來源：龔怡宏等，認知科學與腦機接口概率，西南電子科技大學出版社，2020；絡繹知圖整理）

3.腦機接口的三大應用層面

我們將腦機接口的應用按照從單向輸出到形成閉環(huán)回路、技術難度從低到高、商業(yè)化落地從已落地到探索中的邏輯劃分為三個層面：狀態(tài)識別與監(jiān)測、信息交流與控制、感知/運動功能康復與增強。

第一個層面，狀態(tài)識別與監(jiān)測

腦機接口正在切入教育、文娛、專業(yè)培訓等領域，在這類商業(yè)落地場景中，非侵入式腦機接口方案是主流。這種應用實現(xiàn)的前提是通過便攜化、可穿戴的設備實現(xiàn)對腦電信號的精準獲取。以往，腦電波信號獲取依賴復雜的外部儀器設備，要求被測試者在頭上涂抹導電膠，并佩戴笨重的、布滿線纜的帽子。得益于近年來材料學、信號處理算法等方面的突破，可穿戴的腦電檢測設備已經(jīng)成熟。

在教育方面，可以利用可穿戴腦電檢測設備對學生的注意力水平進行實時評測，幫助教師獲得教學效果的實時反饋，并為改進教學內容安排提供參考。在游戲文娛方面，可以用來監(jiān)測電競選手訓練期間的時序性表現(xiàn)作為提升訓練效果的參考。在專業(yè)培訓工作管理方面，由于宇航員、飛行員、航空空中交通管制員等特殊作業(yè)崗位人員的認知負荷、疲勞程度對于工作安全、績效十分重要，實時取得監(jiān)測數(shù)據(jù)可以作為工作管理的重要客觀依據(jù)。

圖10｜被 Facebook 收購的 CTRL-labs 與 Facebook 原有 AR 眼鏡開發(fā)部門融合，探索將可穿戴神經(jīng)電信號檢測設備與 AR 結合，創(chuàng)造游戲文娛領域新的應用形式（圖片來源于網(wǎng)絡，絡繹知圖整理）

第二個層面，信息交流與控制

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

2008 年，美國匹茲堡大學和卡內基梅隆大學的研究人員在猴子大腦中植入了 100 個電極，實現(xiàn)了讓猴子通過意念控制機械臂喂食，這是侵入式腦機接口應用探索中的重要里程碑。

2012 年，美國布朗大學研究團隊（BrainGate）在 Nature 期刊發(fā)表論文，報告了他們成功幫助中風 15 年的病人通過機械臂完成抓取和進食動作。實驗對象全程沒有依賴外界幫助，通過意念遙控了機械臂。

圖11｜2012 年，BrainGate 團隊成功讓中風 15 年的病人通過腦控機械臂實現(xiàn)抓取和進食動作（圖片來源：Hochberg et al., Nature, 2012）

中國在這一領域也取得了重要突破。2020 年，浙江大學完成了中國首例侵入式腦機接口臨床轉化研究，一位 72 歲的高位截癱老人通過植入式電極控制機械臂同樣實現(xiàn)了抓取和喂食的動作。相比于 BrainGate 早些時候取得的成績，中國的這次腦機接口研究的對象年齡更大，挑戰(zhàn)也更大。

圖12｜2020 年，浙江大學宣布完成中國首例侵入式腦機接口臨床轉化研究（圖片來源于網(wǎng)絡，絡繹知圖整理）

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

圖13｜2020 年，美國約翰霍普金斯大學宣布實現(xiàn)同時控制兩條機械臂（圖片來源于網(wǎng)絡，絡繹知圖整理）

以上三個案例都是基于侵入式腦機接口，神經(jīng)信號的采集也是通過硬質的、針狀的猶他電極植入腦內。采用這種電極的問題是，除了長期不可避免的損傷，大腦的排異反應會在電極周邊產(chǎn)生膠質瘢痕，影響信號強度。因此，采用柔性電極替代猶他電極是侵入式腦機接口發(fā)展的必然趨勢，以最大程度上降低對人體傷害，目前 Neuralink 已經(jīng)將這方面進展向前推進了一大步，我們后文中將會提到。

非侵入式腦機接口應用以智能肌電假肢為代表。前面幾項實驗研究的目標是，通過侵入式腦機接口方案，讓四肢健全但后天原因導致中風、癱瘓的病人獲得控制外部設備的能力，而假肢的任務是讓肢體殘疾、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。

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

2019 年《時代》周刊評選的“2019 全球百大發(fā)明”中包括了一款基于非侵入式腦機接口技術的智能肌電（electromyogram，EMG）假肢——BrainRobotics。該假肢由 BrainCo（強腦科技）公司研發(fā)（見下文），采用人工智能算法處理神經(jīng)電和肌電信號，實現(xiàn)了仿生神經(jīng)肌肉通路的構建。

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

以上介紹中，癱瘓病人通過腦機接口技術獲得了控制外部設備的能力，以及截肢患者得以自如的使用假肢，但這種將信號反饋回大腦的方式是視覺，而不是觸覺。接下來，我們討論腦機接口的第三個應用層面——感知/運動功能的康復或重建。

第三個層面，感知/運動功能康復與重建

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

2016 年，Miguel 教授研究團隊在 Scientific Reports 期刊發(fā)表論文，長期癱瘓的病人在借助非侵入式腦機接口和外骨骼的幫助下，經(jīng)過訓練恢復了部分身體功能。其原理是通過腦機接口將大腦對截癱以下部位肢體的運動指令傳遞給外骨骼，通過外骨骼帶動肢體運動，進而達到主動訓練目的。經(jīng)過世界杯開幕式前后 10 個月的訓練，Juliano 的癱瘓登記從 T4 變?yōu)?T11 一下，這意味著他有 7 節(jié)脊椎恢復了感知和運動控制功能。

在隨后的長期跟蹤過程中，研究人員指出，有 4 名癱瘓病人在接受 12 個月的訓練后，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)生把診斷結果從一年前的“完全癱瘓”修改成“部分癱瘓”；28 個月后，8 名實驗對象中的 7 名得到了顯著改善?；謴妥詈玫幕颊呱踔聊軌虿辉僖揽繖C械外骨骼行走。

這是目前腦機接口在脊髓損傷康復治療領域取得的令世人矚目的成就。Miguel 教授也曾表示，這項研究未來有可能轉化成為脊髓損傷導致的癱瘓的康復治療手段，為全世界約 2,500 萬有需求的人群帶來希望。

圖15｜Miguel Nicholelis 教授團隊采用腦機接口+機械外骨骼方式幫助癱瘓病人恢復部分身體功能，此為訓練流程圖（圖片來源：Donati et al., Scientific Reports, 2016）

此外，2020 年，美國巴特爾紀念研究所的研究團隊在 Cell 期刊發(fā)表論文，宣布利用侵入式腦機接口成功同時恢復了一名四肢癱瘓者的運動功能和觸覺，這成為癱瘓復建領域又一項里程碑式的突破。

在我們看來，通過非侵入式腦機接口+機械外骨骼組合對癱瘓病人進行長期神經(jīng)反饋訓練短時間看是更現(xiàn)實的康復方案，畢竟在長期訓練周期中，目前的侵入式腦機接口的電極還不能保證足夠安全有效。

感知重建領域的突破不僅在于幫助癱瘓病人重獲觸覺和運動功能，還有研究團隊在利用大腦信號進行語言解碼，并在語音合成方面展示出了極大的潛力。

來自加州大學舊金山分校的神經(jīng)外科教授 Edward Chang 的課題組于 2019 年在 Nature 期刊發(fā)表論文，他們實現(xiàn)了基于顱內微電級采集得到的神經(jīng)電活動進行的語音合成，并且經(jīng)病人顱內腦電翻譯合成的語音已經(jīng)達到了人耳可辨識的程度。

Edward 教授課題組利用給癲癇病人手術前定位病灶的機會，在病人語音處理相關的腦區(qū)植入數(shù)百個微電極，將記錄到的神經(jīng)電信號先通過一個訓練好的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡模型解碼成發(fā)聲器官的運動軌跡，然后再將運動學特征解碼成聲學特征。

4.腦機接口商業(yè)化落地案例

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

Neuralink

Neuralink 于 2016 年在美國舊金山成立。創(chuàng)始團隊除 Elon Musk 之外，還包括生物相容性材料專家 Vannessa Tolosa、無線腦電傳輸方案專家 Timothy Gardner、腦和認知科學專家 Philip Sabes 等人。Neuralink 成立的初衷是為了解決與腦科學相關的醫(yī)療問題，預期展示的首個人體應用是幫助四肢癱瘓的人用腦操作智能手機。

2019 年 7 月，Neuralink 發(fā)布第一代腦機接口設備 N1 芯片、柔性電極及芯片植入設備縫紉機，并在小鼠身上展示。2020 年 8 月，發(fā)布第二代腦機接口設備“硬幣” Link V0.9、配套自動化手術機器人 V2，并在活豬身上展示應用。2021 年 4 月 9 日，展示猴子玩電子游戲實驗視頻。目前，Neuralink 尚未進入人體實驗階段。

Neuralink 于 2020 年 8 月展示的手術機器人和柔性電極得到了腦機接口領域內專家的認可，通過手術機器人的方式將細如發(fā)絲、防腐蝕、且高通量的柔性電極植入腦皮層內部，已經(jīng)是目前解決植入式腦機接口創(chuàng)傷問題的最優(yōu)解。但實現(xiàn)無線傳輸是否會造成電池發(fā)熱以及是否會因此造成信號傳輸中斷，我們也將持續(xù)關注。

BrainCo（強腦科技）

BrainCo（強腦科技）是一家非侵入式腦機接口底層技術研發(fā)公司，2015 年孵化于哈佛大學創(chuàng)新實驗室，核心創(chuàng)始團隊來自于哈佛大學、麻省理工學院等高校和研究機構。該公司曾入選《麻省理工科技評論》“ 50 家聰明公司” 2020 年榜單。

公司率先在腦電信號檢測與分析方面取得研發(fā)突破，實現(xiàn)了腦電檢測設備的小型化、便攜化，并將該項技術封裝成 Focus 智能腦電檢測頭環(huán)，可應用于 ADHD（注意缺陷與多動障礙）與自閉癥干預、兒童與運動員專注力提升等多個領域。此外，公司自主研發(fā)的智能肌電假肢—— BrainRobotics，也被評選為《時代》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 團隊分布在杭州、深圳和波士頓。公司已經(jīng)獲得來自招商局資本、中國電子、光大控股、賽領資本等投資機構在內的多輪總共近 1 億美金融資。

5.展望腦機接口不遠的將來

腦機接口并非是一個全新的技術或概念，從提出至今經(jīng)過 50 余年的發(fā)展，已經(jīng)逐漸從學術界走向創(chuàng)業(yè)圈。雖然目前落地應用案例相對較少，但已經(jīng)表現(xiàn)出明顯的趨勢和巨大的潛力?，F(xiàn)實應用與大眾對于腦機接口概念的預期或許還存在遙遠的距離，但短期來看，其發(fā)展方向是清晰、可執(zhí)行的。

我們認為侵入式腦機接口實現(xiàn)人體應用的物理基礎，短期會朝著以下幾個方向發(fā)展：1）開發(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)信號記錄儀器的微型化開發(fā)，4）從有線連接向無線連接過渡，既要實現(xiàn)高通量的數(shù)據(jù)傳輸，同時也要兼顧電池功耗、充放電頻率等要求。

非侵入式腦機接口的潛力在于探索在更多場景中的應用，比如游戲娛樂、專注力提升、解決失眠問題、自閉癥干預治療、阿爾茲海默癥延緩等等。此外，將非侵入式腦機接口與 VR、機械外骨骼等外界技術手段結合，在癱瘓康復治療領域也有著巨大的應用前景。

來源：麻省理工科技評論