將大腦拷貝到計(jì)算機(jī)上，似乎遙無可期；但將大腦與計(jì)算機(jī)相連，卻是可行方案。

近日，“科技狂人”埃隆·馬斯克用三只豬展示的Neuralink腦-機(jī)接口新設(shè)備，再次引起人們的狂想。

事實(shí)上，腦-機(jī)接口作為神經(jīng)工程學(xué)的一個(gè)分支，已經(jīng)有20多年的歷史。最早，美國杜克大學(xué)通過在猴子腦中植入電極來控制電腦光標(biāo)的運(yùn)動(dòng)，從而開啟了腦機(jī)接口的研究熱潮。隨后，匹茲堡大學(xué)則進(jìn)一步在猴子和人體上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證明侵入式腦機(jī)接口不僅能控制虛擬光標(biāo)，還可以操縱實(shí)體機(jī)械臂。

整體來說，腦-機(jī)接口本身主要解決兩個(gè)問題：

1. 如何從大腦中輸出正確的信息——記錄神經(jīng)元所表達(dá)的信息。

2. 如何將正確的信息輸入到大腦——如何刺激神經(jīng)元。

輸入及輸出信息是大腦神經(jīng)元的工作，腦-機(jī)接口的目的就是介入到這個(gè)過程當(dāng)中。

針對(duì)Neuralink的研究成果及國際腦機(jī)接口領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，北京智源人工智能研究院組織專家，進(jìn)行了一次深度研討。學(xué)者們一致認(rèn)為，雖然Neuralink此次發(fā)布的腦機(jī)接口設(shè)備在采集信息上實(shí)現(xiàn)了重大突破，也體現(xiàn)了該公司較強(qiáng)的工程能力，但Neuralink的研究離成熟的腦機(jī)接口還有很長的路要走?？傮w上，全球腦機(jī)接口研究目前還處在早期的實(shí)驗(yàn)室階段，想要實(shí)現(xiàn)真正的腦機(jī)接口，未來還需要深入探究大腦的認(rèn)知機(jī)理，建議重點(diǎn)支持相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究及重大設(shè)施的建設(shè)。

整理：智源社區(qū) 賈偉?羅麗?

單寶平 戴一鳴 靳虹博

殷靖東

一、亮點(diǎn)與反思

清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)工程實(shí)驗(yàn)室洪波教授認(rèn)為，Neuralink這次展示的直徑23毫米厚8毫米的微型無線植入器件，讓人眼前一亮。

其核心亮點(diǎn)有兩個(gè)：

1.?植入器件的微型化和無線傳輸設(shè)計(jì)。洪波表示，植入器件設(shè)計(jì)是侵入式腦-機(jī)接口成功的關(guān)鍵，它既要準(zhǔn)確采集神經(jīng)信號(hào)，又要盡量減少對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的創(chuàng)傷，Neuralink團(tuán)隊(duì)展示的微型無線植入器件，可以采集傳輸上千通道的神經(jīng)放電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無線接收和充電功能。

2.?負(fù)責(zé)手術(shù)的機(jī)器人可自動(dòng)植入上千根電極絲。洪波認(rèn)為，如果要植入上千根微絲電極，還要精確地避開毛細(xì)血管，人工是無法完成的，馬斯克團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的手術(shù)機(jī)器人巧妙地模仿了縫紉機(jī)的原理，解決了大量微絲電極植入大腦皮層的問題，從打開顱骨到植入微絲電極，全部由手術(shù)機(jī)器人完成，該機(jī)器人的手術(shù)完成度讓人驚嘆。

但根據(jù)馬斯克的邏輯，理想中的腦機(jī)接口不僅可以幫助研究人員采集神經(jīng)元信號(hào)，還能將特定的指令進(jìn)行編碼，通過腦機(jī)接口傳達(dá)給其他部位，輔助大腦完成信號(hào)傳出。要實(shí)現(xiàn)這一過程，至少需要完成 “采集信號(hào)—信號(hào)解碼—再編碼—反饋”這4個(gè)過程。目前Neuralink僅在“采集信號(hào)”方面獲得了重大突破，而在第二個(gè)“信號(hào)解碼”階段，并沒有太大的突破。

洪波認(rèn)為，Neuralink的這次發(fā)布會(huì)僅在“采集信號(hào)”方面獲得了重大突破，而在神經(jīng)信號(hào)解碼方面沒有任何進(jìn)步，只是簡單演示了小豬四肢運(yùn)動(dòng)和腦內(nèi)神經(jīng)放電的關(guān)系，離植入腦機(jī)接口與手機(jī)通信還有很長距離。如果Neuralink能在接下來的工作中完成解碼問題，那么步驟三中的信號(hào)編碼過程可能沒那么困難。不過，步驟四的反饋過程將必然是另一座難以逾越的大山。

此外，在具體技術(shù)細(xì)節(jié)上，洪波認(rèn)為有三點(diǎn)需要反思：

1. 無線傳輸與神經(jīng)細(xì)胞的創(chuàng)傷控制。洪波認(rèn)為，上千通道神經(jīng)信號(hào)的無線傳送是一個(gè)很難解決的技術(shù)難題，必須事先壓縮再通過藍(lán)牙傳送，而大腦中的植入器件事先壓縮神經(jīng)信號(hào)會(huì)消耗大量電能，還會(huì)使植入器件的溫度升高，造成對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的創(chuàng)傷。

2. 植入電極的長期安全性以及手術(shù)復(fù)雜性。馬斯克團(tuán)隊(duì)采用的金屬微絲，在嵌入大腦后不可避免會(huì)引起神經(jīng)細(xì)胞的免疫反應(yīng)，長期植入的安全性和有效性值得考慮。另外，如果采用其他不同的微創(chuàng)植入方案，比如只采集顱內(nèi)腦電，則不需要手術(shù)機(jī)器人植入電極絲，手術(shù)復(fù)雜度也將大大降低。

3. 有關(guān)神經(jīng)信息編碼的研究。洪教授表示：Neuralink團(tuán)隊(duì)只展示了植入腦-機(jī)接口芯片的小豬的四肢運(yùn)動(dòng)和大腦神經(jīng)放電之間的關(guān)系，體現(xiàn)了神經(jīng)放電預(yù)測(cè)四肢運(yùn)動(dòng)的能力，是業(yè)內(nèi)成熟的運(yùn)動(dòng)信息腦-機(jī)接口解碼技術(shù)，從科學(xué)意義上評(píng)價(jià)，沒有什么新意和突破，其人體臨床試驗(yàn)還有待研究。

針對(duì)MUSK BCI的局限性，智源研究院組織的專家研討會(huì)上，多位專家也從各自領(lǐng)域發(fā)表了看法：

黃鐵軍，北京智源人工智能研究院院長：Neualink公司的初衷是通過腦機(jī)接口技術(shù)讓人類直連人工智能系統(tǒng)，讓生物的自然進(jìn)化趕上機(jī)器的技術(shù)進(jìn)化。從目前的進(jìn)展來看，其成果雖然對(duì)于解決一些腦疾病問題，以及解碼大腦的奧秘很有意義，但通過生物智能推動(dòng)機(jī)器智能發(fā)展僅僅只是Neuralink的一廂情愿，即使機(jī)器智能在機(jī)制上與生物智能類似，但速度卻比生物高多個(gè)數(shù)量級(jí)，兩個(gè)系統(tǒng)的連接就像是汽車?yán)R車一起跑，沒有實(shí)際意義。開源語音識(shí)別工具Kaldi之父，前約翰霍普金斯大學(xué)語言與語音處理中心研究型副教授，現(xiàn)任小米集團(tuán)語音首席科學(xué)家。

劉嘉，智源研究院“人工智能的認(rèn)知神經(jīng)基礎(chǔ)”方向首席科學(xué)家：Neurallink并未在腦機(jī)接口的核心——大腦的解碼和編碼上作出突破，因此與現(xiàn)有的其他腦機(jī)研究一樣，只能適用于具有拓?fù)溆成涞哪X區(qū)，即初級(jí)視覺皮層、初級(jí)聽覺皮層、初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層和初級(jí)感覺皮層，所以它的應(yīng)用場景是幫助失明、失聰、高位截癱的人恢復(fù)初步的功能，而不能對(duì)高級(jí)認(rèn)知功能，如記憶、注意、思維、學(xué)習(xí)等有任何影響或者增強(qiáng)的作用。事實(shí)上，因?yàn)槿狈?duì)大腦編碼的認(rèn)識(shí)，腦機(jī)接口的技術(shù)在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)（至少>10年）將只能停留在幫助有如上所述殘疾的人。

吳思，智源研究院“人工智能的認(rèn)知神經(jīng)基礎(chǔ)”方向研究員：這種腦機(jī)接口僅在簡單任務(wù)或疾病治療方面具有一定的作用，但距離揭示或提升大腦高級(jí)認(rèn)知功能仍有較大的差距。

宋森，智源研究院“人工智能的認(rèn)知神經(jīng)基礎(chǔ)”方向研究員、清華大學(xué)研究員：要真正實(shí)現(xiàn)人腦和人工智能的深度對(duì)接和耦合，需要對(duì)大腦編碼機(jī)制做大量研究，Neuralink的腦機(jī)接口技術(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)通用人工智能意義不大。

余山，智源研究院“人工智能的認(rèn)知神經(jīng)基礎(chǔ)”方向研究員：Neuralink本次發(fā)布的腦機(jī)接口的主要作用依然局限于在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的醫(yī)療應(yīng)用，以及為神經(jīng)科學(xué)研究提供新的工具。

畢彥超，北京師范大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)教授：Neuralink腦機(jī)接口只是一個(gè)簡單的腦電采集和接口，沒有涉及認(rèn)知智能。

二、國內(nèi)外腦機(jī)接口研究機(jī)構(gòu)

針對(duì)腦機(jī)接口的研究，事實(shí)上并非Neualink一家。下表是2019年全球最受關(guān)注的腦機(jī)接口公司Top10名單：

可以看出，在這方面，美國處于絕對(duì)的領(lǐng)先地位。開展侵入式腦機(jī)接口研究的有3家，均在美國，其中，Neuralink和Kernel公司專注于人類智能（HI）方向的腦科學(xué)應(yīng)用研究，BrainGate專注于醫(yī)療健康領(lǐng)域腦機(jī)接口應(yīng)用研究。

在研究方面，美國杜克大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)最早在猴子的腦中植入電極以控制電腦光標(biāo)的運(yùn)動(dòng)。匹茲堡大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)，則進(jìn)一步在猴子和人體上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證明侵入式腦機(jī)接口不僅能控制虛擬光標(biāo)，還可以操縱實(shí)體機(jī)械臂。

2019年7月，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)與明尼蘇達(dá)大學(xué)合作，研制出了第一款非侵入式的意念控制機(jī)械臂，能夠跟蹤隨機(jī)移動(dòng)的計(jì)算機(jī)光標(biāo)。

國內(nèi)目前主要有兩所大學(xué)進(jìn)行植入腦-機(jī)接口的研究：

1.?浙江大學(xué)。他們通過在猴子和病人大腦皮層植入U(xiǎn)tah微電極陣列，運(yùn)用計(jì)算機(jī)信息技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械手的腦-機(jī)接口控制；

2.?清華大學(xué)。他們和301醫(yī)院、宣武醫(yī)院合作，為癲癇病人開展微創(chuàng)植入腦-機(jī)接口研究，將記錄電極埋在顱骨中（不穿透硬膜，以防破壞神經(jīng)細(xì)胞），可長期穩(wěn)定采集顱內(nèi)腦電，已實(shí)現(xiàn)腦-機(jī)接口打字等應(yīng)用，針對(duì)神經(jīng)信號(hào)傳輸過程對(duì)神經(jīng)細(xì)胞創(chuàng)傷，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院和微電子學(xué)系聯(lián)合團(tuán)隊(duì)采用新型憶阻器陣列來嘗試進(jìn)行腦-機(jī)接口的信號(hào)處理，其功耗降低效率可達(dá)400倍。

目前，這兩個(gè)研究組均處于臨床前試驗(yàn)階段。其面臨的主要技術(shù)瓶頸包括神經(jīng)信號(hào)的無線傳輸、對(duì)神經(jīng)細(xì)胞創(chuàng)傷的控制以及植入電極的長期安全有效性等。

當(dāng)然，在非侵入式腦機(jī)接口方面，有不少高校院所在開展相應(yīng)研究。

2019年，天津大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過非侵入式腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)了每秒輸入兩個(gè)字符的速度；華南理工大學(xué)把腦-機(jī)接口技術(shù)用于昏迷病人的意識(shí)評(píng)價(jià)；天津大學(xué)將該技術(shù)用于中風(fēng)后病人的運(yùn)動(dòng)康復(fù)。針對(duì)非侵入式腦-機(jī)接口電極不能長期使用的問題，中科院半導(dǎo)體所提出開發(fā)干電極的研究。

三、BCI研究現(xiàn)狀

腦機(jī)接口是一項(xiàng)年輕的研究領(lǐng)域，事實(shí)上，全球腦機(jī)接口研究目前都還處于早期的實(shí)驗(yàn)室階段。

余山研究員提到，在腦活動(dòng)讀取能力方面，即便是現(xiàn)在國際領(lǐng)先的研究機(jī)構(gòu)，比如NeuraLink公司，最多也只能同時(shí)記錄動(dòng)物腦中數(shù)千個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)。今年7月份，美國和比利時(shí)的一支聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，開發(fā)了同時(shí)記錄數(shù)萬個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)的系統(tǒng)，這是當(dāng)前報(bào)道的最高水平，但這樣的記錄能力與人腦中近千億個(gè)神經(jīng)元相比，猶如滄海一粟。

另一方面，目前腦機(jī)接口的研究，并沒有一個(gè)統(tǒng)一的研究路徑，國內(nèi)外開展的相關(guān)研究都是探索性的。

美國從2000年左右開始從猴子的植入腦機(jī)接口開始，采用Utah電極硅基微電極陣列插入運(yùn)動(dòng)皮層，主攻運(yùn)動(dòng)解碼，20年來已有數(shù)十個(gè)頂尖大學(xué)和研究所密集攻關(guān)，雖然在神經(jīng)編碼和技術(shù)體系上取得了很大成果，但因?yàn)閯?chuàng)傷性和長期安全性的原因，一直沒有獲得FDA批準(zhǔn)。

歐洲主要研究開發(fā)基于頭皮腦電的非侵入式腦機(jī)接口，在漸凍人和中風(fēng)康復(fù)病人中有小范圍的臨床應(yīng)用，產(chǎn)品化也遇到了困難，也不能算是很成功。

目前我國在侵入式和非侵入式兩條技術(shù)路線都在推進(jìn)，相對(duì)來說，非侵入的基于頭皮腦電的腦機(jī)接口比較成熟，和世界水平的差距較小，在通訊速率等方面還領(lǐng)先世界水平。而侵入式腦機(jī)接口的國內(nèi)研究相對(duì)起步晚，在神經(jīng)電生理和系統(tǒng)神經(jīng)科學(xué)方面的人才和科學(xué)積累薄弱，與美國的差距較大。但目前，清華大學(xué)、浙江大學(xué)、中科院神經(jīng)所等團(tuán)隊(duì)的積極探索，已經(jīng)產(chǎn)生了一些非常有新意的電極設(shè)計(jì)、手術(shù)方案、神經(jīng)傳感器技術(shù)、神經(jīng)信號(hào)解碼方法等，完全有可能另辟蹊徑。

四、接口發(fā)展存在的問題

針對(duì)腦機(jī)接口當(dāng)前存在的問題，智源研究院依據(jù)專家研討觀點(diǎn)，總結(jié)為以下四點(diǎn)：

1. 腦科學(xué)基礎(chǔ)理論尚未取得突破，制約腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展

腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展緩慢的原因主要在于腦科學(xué)基礎(chǔ)研究尚未取得突破。當(dāng)前，腦科學(xué)研究還未能理解大腦的基本結(jié)構(gòu)、信號(hào)產(chǎn)生的原理和傳遞方式，也無法進(jìn)行全面準(zhǔn)確的信號(hào)采集、解碼處理，更無法實(shí)現(xiàn)對(duì)大腦進(jìn)行信號(hào)輸入。

2.?現(xiàn)有的材料、電子信息等技術(shù)無法支持腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化應(yīng)用

腦機(jī)接口的產(chǎn)品化依賴于材料、電子信息技術(shù)等領(lǐng)域的進(jìn)步。目前尚無合適的材料、電子信息技術(shù)等支持腦機(jī)接口保持長時(shí)間穩(wěn)定的工作。同時(shí)，當(dāng)前市面主流的腦機(jī)接口產(chǎn)品依然處于測(cè)試階段，生產(chǎn)成本高，應(yīng)用難度大，無法解決實(shí)際需求。腦機(jī)接口距離產(chǎn)品化應(yīng)用仍需要進(jìn)行漫長的探索。

3.?腦機(jī)接口應(yīng)用存在一些潛在風(fēng)險(xiǎn)

從技術(shù)安全角度看，需要解決腦機(jī)接口系統(tǒng)植入人體可能帶來的健康風(fēng)險(xiǎn)，比如植入帶來的組織損傷、機(jī)體的排異、感染、系統(tǒng)異常對(duì)腦活動(dòng)的錯(cuò)誤解讀和意外干擾等。

從信息安全角度看，一旦未來腦機(jī)接口可以有效讀取腦內(nèi)信息，甚至通過對(duì)神經(jīng)活動(dòng)的調(diào)控向腦內(nèi)“寫入”信息，就會(huì)伴隨信息內(nèi)容泄露、對(duì)腦活動(dòng)的惡意干擾甚至操縱等風(fēng)險(xiǎn)。

可以預(yù)見，屆時(shí)人類也需要針對(duì)腦機(jī)接口信息安全設(shè)計(jì)一系列軟硬件，以應(yīng)對(duì)外界入侵，正如現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)信息安全領(lǐng)域的情景。但隨著技術(shù)的進(jìn)步，相信這些風(fēng)險(xiǎn)會(huì)逐漸降低，抵御風(fēng)險(xiǎn)的能力也會(huì)逐漸提高，總體來看是可控的。

4.?腦機(jī)接口研究和應(yīng)用存在倫理安全問題

腦機(jī)接口的實(shí)驗(yàn)涉及到對(duì)人腦活動(dòng)數(shù)據(jù)的采集和分析。同時(shí)，侵入式腦機(jī)接口涉及對(duì)腦器官層面的手術(shù)和實(shí)驗(yàn)。目前，該領(lǐng)域仍缺乏相關(guān)的倫理規(guī)范，科研和產(chǎn)業(yè)界仍處于摸索階段。

關(guān)于我們

北京智源人工智能研究院（Beijing Academy of Artificial Intelligence，簡稱BAAI）成立于2018年11月，是在科技部和北京市委市政府的指導(dǎo)和支持下，由北京市科委和海淀區(qū)政府推動(dòng)成立的新型研發(fā)機(jī)構(gòu)。