作者：潘少穎 來源：IT時報

2008年，匹茲堡大學(xué)的科學(xué)家通過在大腦運(yùn)動皮層植入微電極陣列，構(gòu)建起了一套腦控機(jī)械臂系統(tǒng)，并證明猴子可以利用該系統(tǒng)連續(xù)控制機(jī)械臂給自己喂食；2012年，布朗大學(xué)科學(xué)家利用開發(fā)出的BrainGate神經(jīng)接口系統(tǒng)使四肢癱瘓的患者成功實(shí)現(xiàn)腦控機(jī)械臂，并在沒有護(hù)理人員幫助的情況下喝到咖啡；2020年，浙江大學(xué)研究人員借助手術(shù)機(jī)器人將微電極陣列植入到脊髓損傷患者大腦運(yùn)動皮層，使患者可控制機(jī)械臂完成吃、喝、握手等三維運(yùn)動；2023年，華山醫(yī)院、上海科技大學(xué)、天津大學(xué)通過建立適用于漢語聲調(diào)的深度學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，在國際上首次實(shí)現(xiàn)了從大腦神經(jīng)活動到漢語單音節(jié)聲調(diào)語音的端到端合成。

中國人一直都有一個美好的夙愿——心想事成，在天津大學(xué)醫(yī)工院副院長徐敏鵬看來，腦機(jī)接口就可以實(shí)現(xiàn)思想與外物的互聯(lián)互通預(yù)計生物智能和機(jī)器智能的交互融合，“智能的高階形態(tài)就是‘人機(jī)混合智能’，下一代人機(jī)交互的方式就是意念控制?！?/p>

在2023世界人工智能大會“腦機(jī)智能與數(shù)字生命”主題論壇上，多位專家認(rèn)為，人類正在進(jìn)入人、機(jī)、物三元互融的時代，腦機(jī)接口被認(rèn)為是元宇宙的入口之一。在更長遠(yuǎn)的未來，腦機(jī)接口必將成為大眾消費(fèi)級產(chǎn)品。

動物“腦控”運(yùn)動和游戲

“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彭雷透露，通過信息解碼，腦機(jī)接口設(shè)備可以早于恒河猴動作本身提前獲取它將如何操作手柄，并且在拔掉手柄控制線后實(shí)現(xiàn)它“腦控”游戲，其中，解碼準(zhǔn)確性上，預(yù)測軌跡和真實(shí)軌跡相關(guān)性達(dá)到85%以上，而延遲性則控制在30ms以內(nèi)，并且連續(xù)14天實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)解碼。

恒河猴實(shí)驗(yàn)顯示，通過全套的自研設(shè)備，可實(shí)時采集256通道的皮層腦電信號，完成恒河猴運(yùn)動意圖的連續(xù)解碼，并利用實(shí)時解碼數(shù)據(jù)讓猴子通過意念控制繼續(xù)游戲，達(dá)到“腦控”效果，這是邁向臨床實(shí)驗(yàn)的第一步。

除了7歲的恒河猴“悟空”完成了腦機(jī)接口的電極植入手術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)通過意念打游戲的實(shí)驗(yàn)效果，還有一條2歲的拉布拉多犬“尼奧”，也進(jìn)行了電極植入手術(shù)，并成功實(shí)現(xiàn)運(yùn)動解碼。“我們要預(yù)測尼奧的腿部運(yùn)動軌跡和腦電解碼出來的軌跡之間的相關(guān)性?！迸砝渍f。

同樣也是通過256通道皮層電極，植入在尼奧的初級運(yùn)動M1區(qū)，并在尼奧的腿部關(guān)節(jié)綁了九軸傳感器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，預(yù)測軌跡和真實(shí)軌跡相關(guān)性達(dá)到80%以上，延遲性同樣控制在30ms以內(nèi)。

犬類實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)動軌跡高精度解碼，已成功完成了多模態(tài)信號采集及復(fù)雜系統(tǒng)建模，實(shí)時解碼實(shí)現(xiàn)腦電控制，未來將在醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域有更多的應(yīng)用場景。

這是腦虎科技最近取得的兩項(xiàng)科研成果，今年以來，團(tuán)隊還陸續(xù)進(jìn)行了3例臨床科研下的患者人體試驗(yàn)。

比如其中一例是將皮層電極用于患者術(shù)中的語言解碼，這是一位44歲的女性患者，腦部放入了256通道的高密度柔性電極，記錄患者在發(fā)音過程中的腦電信號?！皣庥泻芏嗫茖W(xué)家做過語言解碼的探索，都采用英語，這次我們的實(shí)驗(yàn)采用漢語，因?yàn)樵跐h語中，四聲音調(diào)會很明顯地影響所要表達(dá)的意思，但英語中音調(diào)并沒有那么重要，通過語言解碼實(shí)驗(yàn)，研究不同的音調(diào)發(fā)音在腦部語言區(qū)的工作方式?！迸砝捉忉尅?/p>

人體試驗(yàn)近在眼前

腦機(jī)接口聽起來很科幻，但是它背后的原理其實(shí)是非常樸素的，徐敏鵬解釋說，大腦每時每刻都在產(chǎn)生思維意圖，其背后的物質(zhì)基礎(chǔ)就是神經(jīng)活動，神經(jīng)活動會產(chǎn)生神經(jīng)信號，如果能夠用算法將其解碼出來，就能夠?qū)崿F(xiàn)意圖的識別。

根據(jù)電極放置的位置不同，腦機(jī)接口分成侵入式腦機(jī)接口和非侵入式腦機(jī)接口。侵入式腦機(jī)接口需要做開顱手術(shù)，把電極埋到腦部，優(yōu)點(diǎn)是能夠獲得高質(zhì)量的信號，但是手術(shù)會帶來一定的風(fēng)險；非侵入式腦機(jī)接口是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，但是由于電極和目標(biāo)神經(jīng)元離得較遠(yuǎn)，所以獲取到的信號非常微弱、模糊，為后續(xù)解碼帶來巨大挑戰(zhàn)。

彭雷透露，不久前，埃隆·馬斯克的Neuralink公司獲得了美國FDA的批準(zhǔn)，可以對人體進(jìn)行首次臨床試驗(yàn)。從正面來看，這有可能改變醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和人類社會，為阿茨海默癥、帕金森氏癥、癲癇等數(shù)以億計的患者帶來福音。同時，也面臨著許多挑戰(zhàn)和風(fēng)險，比如如何確保植入式設(shè)備的安全性、穩(wěn)定性、耐久性、可靠性，如何保護(hù)用戶的隱私、自主權(quán)、身份等?！癗euralink做了八年,花了3億美元，才允許首次臨床試驗(yàn)。這種技術(shù)路線的躍遷需要深厚的技術(shù)積累，而且法規(guī)和倫理的要求也非常嚴(yán)格，但這對整個行業(yè)是重大的利好和加速?！?/p>

以馬斯克為代表的柔性電極系統(tǒng)，用MEMS技術(shù)來做高通量電極，能夠?qū)崿F(xiàn)從幾十通道到上千通道、到未來上萬通道的跨越，腦虎選擇了跟馬斯克一樣的技術(shù)路線來做柔性電極。

柔性電極是最長期可持續(xù)的路徑，論壇上，彭雷介紹了腦虎科技近期得兩項(xiàng)學(xué)術(shù)成果，分別是“絲蛋白神經(jīng)光電極”實(shí)現(xiàn)大腦神經(jīng)解析與調(diào)控和“類蚊口器仿生柔性神經(jīng)探針電極”實(shí)現(xiàn)硬腦膜外微創(chuàng)植入。

“絲蛋白神經(jīng)光電極”是用蠶絲蛋白做的光纖，在一定強(qiáng)度之內(nèi)的光耗控制得非常好，植入的時候比較硬，但是放入體內(nèi)之后就會變軟，還能夠支持128通道的信號采集?！耙?yàn)樗挠捕仁强勺兓?，植入之前比較硬，能夠插入腦組織，插入之后它水化，剛度會慢慢變軟，對于在腦組織這么脆弱的環(huán)境里面，柔軟的電極是非常重要的。”

向“消費(fèi)級”進(jìn)軍

7月5日晚，歌手李玟因抑郁癥離世消息傳遍全網(wǎng)，一時間，抑郁癥又受到全社會的關(guān)注。

在上海市精神衛(wèi)生中心院長趙敏看來，心理精神上是屬于腦疾病的一種，腦機(jī)智能、數(shù)字生命在精神心理健康當(dāng)中具有非常廣泛的應(yīng)用前景?！叭ツ?，我們獲批國家精神醫(yī)學(xué)中心以后，把人工智能和數(shù)字醫(yī)學(xué)、智慧醫(yī)療作為重要發(fā)展方向?！壁w敏說，精神科疾病包括比較難治的抑郁、毒品成癮等，治療方法有侵入式的DBS深部腦調(diào)控技術(shù)以及非侵入式的磁治療、光治療、電治療等，但定位不精準(zhǔn)，需要找到關(guān)鍵靶點(diǎn)，才能更好地干預(yù)患者。

成為消費(fèi)級產(chǎn)品，一直是腦機(jī)接口業(yè)內(nèi)的一大方向。在徐敏鵬看來，消費(fèi)級的腦機(jī)接口產(chǎn)品目前主要的兩大技術(shù)問題：不自然的腦機(jī)交互方式和不友好的腦機(jī)硬件形態(tài)?！皩τ诓蛔匀坏哪X機(jī)交互方式，尤其是非侵入式腦機(jī)接口，科研人員投入了太多的注意力在傳統(tǒng)的三大腦機(jī)接口范式上面，但是三大腦機(jī)接口范式能力已經(jīng)到天花板了，需要從原來的范式里面跳出來，尋找更高效、更自然的腦機(jī)交互的通訊協(xié)議；不友好的腦機(jī)硬件形態(tài)，是指如果作為一款消費(fèi)級產(chǎn)品，如果用戶要帶一個體積龐大的腦電帽，肯定是不愿意的，因此一定要向微型化、即插即用的腦電采集裝置發(fā)展?！?/p>

《上海打造未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新高地 發(fā)展壯大未來產(chǎn)業(yè)集群行動方案》指出，到2030年，在未來健康、未來智能、未來能源、未來空間、未來材料等領(lǐng)域涌現(xiàn)一批具有世界影響力的硬核成果、創(chuàng)新企業(yè)和領(lǐng)軍人才。在上海加速布局的未來健康產(chǎn)業(yè)集群中，“腦機(jī)接口”位居首位，引發(fā)市場高度關(guān)注。

目前腦機(jī)接口技術(shù)依然如一個襁褓中的嬰兒，還處在成長期。

腦機(jī)接口三大亟待突破的問題是高通量、創(chuàng)口和植入?！叭祟惔竽X有860個神經(jīng)元，但現(xiàn)在腦機(jī)接口只有幾十通道上百通道的神經(jīng)元采集和刺激，不能滿足精確解析大腦的要求，在這個領(lǐng)域里，通道數(shù)一定要越來越高。”彭雷認(rèn)為。

去掉顱骨、硬腦膜，植入腦機(jī)接口，再縫合，這是一個相當(dāng)大創(chuàng)傷的手術(shù)。未來，腦機(jī)接口的手術(shù)創(chuàng)傷一定會小到普通人都能接受。彭雷說：“當(dāng)腦機(jī)接口植入的創(chuàng)傷能夠和做一個激光近視眼手術(shù)相近的時候，這個技術(shù)就有機(jī)會能夠普及了?！?/p>

當(dāng)腦機(jī)接口植入腦部，植入的電極要跟生物體能夠共存，長期有效地記錄信號，這對材料、植入術(shù)式都有非常高的要求，植入的技術(shù)能力也是需要攻關(guān)的。