通過在腦后插入一根線纜，我們就能夠暢游計(jì)算機(jī)世界；只需一個(gè)意念我們就能改變“現(xiàn)實(shí)”；學(xué)習(xí)知識(shí)不再需要通過書本、視頻等媒介，只需直接將知識(shí)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(jī)接口”技術(shù)的合理設(shè)想。如今，腦機(jī)接口技術(shù)正逐步從科幻世界滲透到現(xiàn)實(shí)生活。

       12月1日，世界首富埃隆·馬斯克表示，自己的腦機(jī)接口公司Neuralink將在6個(gè)月內(nèi)開展人體試驗(yàn)，即把一款無線設(shè)備植入受試者大腦中。目前，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)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(gè)腦機(jī)接口人體試驗(yàn)。不過，截至目前為止，Neuralink最大的成就是訓(xùn)練一只猴子通過心靈感應(yīng)玩電子游戲。

       在發(fā)布會(huì)上，馬斯克表示，Neuralink設(shè)計(jì)了一種將大腦信號(hào)轉(zhuǎn)化為行動(dòng)的設(shè)備，預(yù)計(jì)這項(xiàng)技術(shù)將首先應(yīng)用于恢復(fù)視力。據(jù)外媒報(bào)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(xì)，更為柔軟，損傷也更小。

       那么，世界首富都在押注的腦機(jī)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(jī)接口的前世今生

       腦機(jī)接口（Brain-Computer Interface,BCI或Brain-Machine Interface,BMI）是指在人或動(dòng)物大腦與外部設(shè)備之間創(chuàng)建的直接連接，從而實(shí)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(hào)，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(dòng)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(dòng)。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(jī)信號(hào)交互的閉環(huán)。

       人類對(duì)大腦的探索由來已久。不過直到19世紀(jì)，人類對(duì)大腦的基礎(chǔ)研究才取得突破性進(jìn)展。同時(shí)，影像學(xué)、生物工程、材料科學(xué)、人工智能等關(guān)聯(lián)學(xué)科的進(jìn)步，為腦機(jī)接口的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。眼下，腦機(jī)接口作為當(dāng)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(xué)、神經(jīng)康復(fù)和智能機(jī)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(jī)接口技術(shù)得到了長足的進(jìn)步和飛速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也在逐漸擴(kuò)大。

       2004年，Cyberkinetics公司的“猶他電極”獲得FDA批準(zhǔn)上市，開展了首次關(guān)于運(yùn)動(dòng)皮層腦機(jī)接口臨床試驗(yàn)，嘗試通過運(yùn)動(dòng)意圖來完成對(duì)機(jī)械臂的控制，這標(biāo)志著BCI技術(shù)正式由科研走向臨床。

       2009年，美國南加州大學(xué)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(jí)腦功能假體。

       2020年，浙醫(yī)二院與浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)一位高位截癱患者植入猶他電極，通過意念控制機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)進(jìn)食和飲水等動(dòng)作，實(shí)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(jī)接口產(chǎn)品Stentrode獲得FDA的IDE（試驗(yàn)用醫(yī)療器械豁免）批準(zhǔn)，成為全球首家可對(duì)永 久性植入式腦機(jī)接口進(jìn)行人體臨床試驗(yàn)的公司。

       腦機(jī)接口技術(shù)原理

       腦機(jī)接口技術(shù)是通過信號(hào)采集設(shè)備從大腦皮層采集腦電信號(hào)，之后經(jīng)過放大、濾波等處理轉(zhuǎn)換為可以被計(jì)算機(jī)識(shí)別的信號(hào)，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，提取特征信號(hào)，再利用這些特征進(jìn)行模式識(shí)別，最后轉(zhuǎn)化為控制外部設(shè)備的具體指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的控制。

       腦機(jī)接口系統(tǒng)一般主要包含4個(gè)部分：信號(hào)采集、信號(hào)處理、信號(hào)執(zhí)行、神經(jīng)反饋。根據(jù)信號(hào)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(hào)，主要代表有腦電圖、腦磁圖。其優(yōu)點(diǎn)是避免了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，但是記錄到的信號(hào)強(qiáng)度和分辨率不高；半侵入式是指將腦機(jī)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(jìn)行信息分析。其獲得的信號(hào)強(qiáng)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(hào)，但是卻存在著較高的安全風(fēng)險(xiǎn)和成本。在信號(hào)采集的過程中，侵入程度越深，信號(hào)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(jī)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(duì)象也為侵入式BCI，公司推出的國內(nèi)首 個(gè)無線侵入式腦機(jī)接口設(shè)備,一代樣機(jī)已開始與臨床合作。

       腦機(jī)接口的研發(fā)現(xiàn)狀和未來

       在當(dāng)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(bào)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(jià)值。

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

       中國“腦計(jì)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(xué)與類腦研究”列為“科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目”。中國腦計(jì)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(dǎo)向的腦科學(xué)研究和以建立并發(fā)展人工智能技術(shù)為導(dǎo)向的類腦研究。“十三五”期間，上海成立了上海腦科學(xué)與類腦研究中心，已啟動(dòng)“腦科學(xué)與類腦智能”地區(qū)性計(jì)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(yuǎn)景目標(biāo)中，人工智能和腦科學(xué)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(rèn)知康復(fù)等。中國腦科學(xué)賽道投資頻次較高的投資機(jī)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(duì)全面的腦科學(xué)產(chǎn)業(yè)賽道布局，其投資標(biāo)的已覆蓋到腦機(jī)接口、腦科?？漆t(yī)院、神經(jīng)藥物等細(xì)分領(lǐng)域。

       總之，目前的腦機(jī)接口技術(shù)還是只能實(shí)現(xiàn)一些并不復(fù)雜的對(duì)于腦電信號(hào)的讀取和轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于計(jì)算機(jī)/機(jī)器人的簡單控制。要想實(shí)現(xiàn)直更為復(fù)雜的精細(xì)化的交互和功能，實(shí)現(xiàn)所想即所得，還有漫長的路要走。而全球范圍內(nèi)對(duì)腦科學(xué)研究的大量投入有利于大幅增進(jìn)人類對(duì)大腦工作方式以及如何治療腦部疾病的理解，腦機(jī)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(jī)接口公司Neuralink將在6個(gè)月內(nèi)開始人體試驗(yàn)》，腦機(jī)接口社區(qū)，2022-12-01；

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

       3.《腦機(jī)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).