通過在腦后插入一根線纜，我們就能夠暢游計算機世界；只需一個意念我們就能改變“現(xiàn)實”；學習知識不再需要通過書本、視頻等媒介，只需直接將知識傳輸?shù)酱竽X中即可……科幻電影《黑客帝國》中的這些橋段相信不少影迷都記憶猶新。這些畫面并非是天馬行空的想象，而是基于“腦機接口”技術(shù)的合理設(shè)想。如今，腦機接口技術(shù)正逐步從科幻世界滲透到現(xiàn)實生活。

       12月1日，世界首富埃隆·馬斯克表示，自己的腦機接口公司Neuralink將在6個月內(nèi)開展人體試驗，即把一款無線設(shè)備植入受試者大腦中。目前，這項實驗所需的大部分材料已提交至美國FDA。

       Neuralink成立于2016年。最初，Neuralink公司要開發(fā)一種芯片，將人類大腦和電子設(shè)備相連，最終治愈帕金森癥、阿爾茲海默癥等腦部疾病，甚至是讓大腦和人工智能相融合。去年12月底，馬斯克公開表示，希望在2022年完成首 個腦機接口人體試驗。不過，截至目前為止，Neuralink最大的成就是訓練一只猴子通過心靈感應(yīng)玩電子游戲。

       在發(fā)布會上，馬斯克表示，Neuralink設(shè)計了一種將大腦信號轉(zhuǎn)化為行動的設(shè)備，預計這項技術(shù)將首先應(yīng)用于恢復視力。據(jù)外媒報道，Neuralink在材料上做出了很大的突破，公司的植入材料由一種只有4到6微米粗的“線”構(gòu)成，大概是頭發(fā)絲的1/10粗細，更為柔軟，損傷也更小。

       那么，世界首富都在押注的腦機接口到底是什么技術(shù)？它的研發(fā)現(xiàn)狀如何？未來前景又怎樣呢？

       腦機接口的前世今生

       腦機接口（Brain-Computer Interface,BCI或Brain-Machine Interface,BMI）是指在人或動物大腦與外部設(shè)備之間創(chuàng)建的直接連接，從而實現(xiàn)腦與設(shè)備的信息交互。按照BCI信息的傳送方向，分為狹義BCI和廣義BCI。

       狹義BCI指輸出式BCI，在大腦與外部設(shè)備之間建立直接的交流和控制通道，利用中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生的信號，在不依賴外周神經(jīng)或肌肉的條件下，把被試者的感知覺、意念、思維等轉(zhuǎn)化為外部設(shè)備的動作指令。廣義BCI除了輸出式BCI，還包含輸入式BCI和雙向閉環(huán)BCI。輸入式BCI主要指外部設(shè)備向大腦輸入電、磁、聲、光等，以調(diào)控大腦中樞神經(jīng)活動。雙向閉環(huán)BCI主要指大腦向外部設(shè)備輸出通信或控制指令，外部設(shè)備在執(zhí)行指令過程中把結(jié)果反饋給大腦，從而完成腦-機信號交互的閉環(huán)。

       人類對大腦的探索由來已久。不過直到19世紀，人類對大腦的基礎(chǔ)研究才取得突破性進展。同時，影像學、生物工程、材料科學、人工智能等關(guān)聯(lián)學科的進步，為腦機接口的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。眼下，腦機接口作為當前神經(jīng)工程領(lǐng)域中最活躍的研究方向之一，在生物醫(yī)學、神經(jīng)康復和智能機器人等領(lǐng)域具有重要的研究意義和巨大的應(yīng)用潛力，近10年來，腦機接口技術(shù)得到了長足的進步和飛速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也在逐漸擴大。

       2004年，Cyberkinetics公司的“猶他電極”獲得FDA批準上市，開展了首次關(guān)于運動皮層腦機接口臨床試驗，嘗試通過運動意圖來完成對機械臂的控制，這標志著BCI技術(shù)正式由科研走向臨床。

       2009年，美國南加州大學的Theodore Berger小組研制出能夠模擬海馬體功能的神經(jīng)芯片。這種神經(jīng)芯片植入大鼠腦內(nèi)，使其成為第一種高級腦功能假體。

       2020年，浙醫(yī)二院與浙江大學團隊對一位高位截癱患者植入猶他電極，通過意念控制機械臂實現(xiàn)進食和飲水等動作，實現(xiàn)中國侵入式BCI臨床零的突破。2021年7月，Synchron公司的經(jīng)血管植入式腦機接口產(chǎn)品Stentrode獲得FDA的IDE（試驗用醫(yī)療器械豁免）批準，成為全球首家可對永 久性植入式腦機接口進行人體臨床試驗的公司。

       腦機接口技術(shù)原理

       腦機接口技術(shù)是通過信號采集設(shè)備從大腦皮層采集腦電信號，之后經(jīng)過放大、濾波等處理轉(zhuǎn)換為可以被計算機識別的信號，然后對信號進行預處理，提取特征信號，再利用這些特征進行模式識別，最后轉(zhuǎn)化為控制外部設(shè)備的具體指令，實現(xiàn)對外部設(shè)備的控制。

       腦機接口系統(tǒng)一般主要包含4個部分：信號采集、信號處理、信號執(zhí)行、神經(jīng)反饋。根據(jù)信號采集的侵入程度，BCI可分為非侵入式、半侵入式和侵入式三類。

       非侵入式是指通過從大腦外部采集信號，主要代表有腦電圖、腦磁圖。其優(yōu)點是避免了手術(shù)風險，但是記錄到的信號強度和分辨率不高；半侵入式是指將腦機接口植入到顱腔內(nèi)，但是在大腦皮層之外。主要基于皮層腦電圖進行信息分析。其獲得的信號強度及分辨率弱于侵入式，優(yōu)于非侵入式。侵入式是指通過手術(shù)等方式直接將電極植入到大腦皮層，這樣可以獲得高質(zhì)量的神經(jīng)信號，但是卻存在著較高的安全風險和成本。在信號采集的過程中，侵入程度越深，信號分辨率越高，但安全性問題不容忽視。

       目前布局侵入式的企業(yè)較少。上文提到的Neuralink公司正在研發(fā)的腦機設(shè)備屬于典型的侵入式接口。我國寧矩科技公司主要研發(fā)對象也為侵入式BCI，公司推出的國內(nèi)首 個無線侵入式腦機接口設(shè)備,一代樣機已開始與臨床合作。

       腦機接口的研發(fā)現(xiàn)狀和未來

       在當前階段，BCI技術(shù)的應(yīng)用主要集中在醫(yī)療健康領(lǐng)域，包括各類神經(jīng)類和精 神類疾病在內(nèi)的腦疾病治療，如癲癇、腦卒中、帕金森病及神經(jīng)退行性疾病等。伴隨技術(shù)的逐漸成熟，BCI的應(yīng)用將能夠在健康人群生活中得到普及。麥肯錫公司在2020年發(fā)布的報告估算，BCI在未來10-20年內(nèi)將產(chǎn)生700億-2000億美元的年市場價值。

       近年來，世界各國都將腦科學研究列入重點規(guī)劃，美國政府與歐盟在2013年先后啟動各自的“腦計劃”，重點開展腦科學研究。特別是美國，早在1989年就發(fā)布了《全國性腦計劃》。日本則在1996年啟動腦科學研究，韓國和加拿大分別在2016年、2017年啟動。

       中國“腦計劃”正式誕生于2016年3月發(fā)布的“十三五”規(guī)劃綱要，將“腦科學與類腦研究”列為“科技創(chuàng)新2030重大項目”。中國腦計劃分為兩大重要方向：以探索大腦秘密并攻克大腦疾病為導向的腦科學研究和以建立并發(fā)展人工智能技術(shù)為導向的類腦研究。“十三五”期間，上海成立了上海腦科學與類腦研究中心，已啟動“腦科學與類腦智能”地區(qū)性計劃，扶持相關(guān)企業(yè)發(fā)展。此后，在“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標中，人工智能和腦科學被明確列為國家戰(zhàn)略科技力量。

       現(xiàn)階段，中國BCI行業(yè)投融資熱度主要集中在非侵入式BCI，包括可穿戴的BCI設(shè)備、腦疾病的影像診斷、腦認知康復等。中國腦科學賽道投資頻次較高的投資機構(gòu)有紅杉中國、荷塘創(chuàng)投、中國電子等。其中紅杉中國目前已完成了相對全面的腦科學產(chǎn)業(yè)賽道布局，其投資標的已覆蓋到腦機接口、腦科專科醫(yī)院、神經(jīng)藥物等細分領(lǐng)域。

       總之，目前的腦機接口技術(shù)還是只能實現(xiàn)一些并不復雜的對于腦電信號的讀取和轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)對于計算機/機器人的簡單控制。要想實現(xiàn)直更為復雜的精細化的交互和功能，實現(xiàn)所想即所得，還有漫長的路要走。而全球范圍內(nèi)對腦科學研究的大量投入有利于大幅增進人類對大腦工作方式以及如何治療腦部疾病的理解，腦機接口作為重要的底層工具之一，未來將大有可為。

       參考：

       1.《馬斯克的腦機接口公司Neuralink將在6個月內(nèi)開始人體試驗》，腦機接口社區(qū)，2022-12-01；

       2.《押注未來！腦機接口接連取得突破，“超人類時代”真的要來了嗎？》，瞪羚社，2019-09-02；

       3.《腦機接口技術(shù)在醫(yī)療健康領(lǐng)域應(yīng)用白皮書》，人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟，2021-7-01；

       4.FDA Authorizes Marketing of Device to Facilitate Muscle Rehabilitation in Stroke Patients, https://www.fda.gov/news-events/press-announcements/fda-authorizes-marketing-device-facilitate-muscle-rehabilitation-stroke-patients (last visited August 2nd, 2022).