通過(guò)在腦后插入一根線(xiàn)纜，我們就能夠暢游計算機世界；只需一個(gè)意念我們就能改變“現實(shí)”；學(xué)習知識不再需要通過(guò)書(shū)本、視頻等媒介，只需直接將知識傳輸到大腦中即可……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(huà)面并非是天馬行空的想象，而是基于“腦機接口”技術(shù)的合理設想。如今，腦機接口技術(shù)正逐步從科幻世界滲透到現實(shí)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(gè)月內開(kāi)展人體試驗，即把一款無(wú)線(xiàn)設備植入受試者大腦中。目前，這項實(shí)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(kāi)發(fā)一種芯片，將人類(lèi)大腦和電子設備相連，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(kāi)表示，希望在2022年完成首 個(gè)腦機接口人體試驗。不過(guò)，截至目前為止，Neuralink最大的成就是訓練一只猴子通過(guò)心靈感應玩電子游戲。
在發(fā)布會(huì )上，馬斯克表示，Neuralink設計了一種將大腦信號轉化為行動(dòng)的設備，預計這項技術(shù)將首先應用于恢復視力。據外媒報道，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(xiàn)”構成，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)現狀如何？未來(lái)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(dòng)物大腦與外部設備之間創(chuàng )建的直接連接，從而實(shí)現腦與設備的信息交互。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，在大腦與外部設備之間建立直接的交流和控制通道，利用中樞神經(jīng)系統產(chǎn)生的信號，在不依賴(lài)外周神經(jīng)或肌肉的條件下，把被試者的感知覺(jué)、意念、思維等轉化為外部設備的動(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主要指外部設備向大腦輸入電、磁、聲、光等，以調控大腦中樞神經(jīng)活動(dòng)。雙向閉環(huán)BCI主要指大腦向外部設備輸出通信或控制指令，外部設備在執行指令過(guò)程中把結果反饋給大腦，從而完成腦-機信號交互的閉環(huán)。
人類(lèi)對大腦的探索由來(lái)已久。不過(guò)直到19世紀，人類(lèi)對大腦的基礎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，為腦機接口的發(fā)展奠定了基礎。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，在生物醫學(xué)、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用潛力，近10年來(lái)，腦機接口技術(shù)得到了長(cháng)足的進(jìn)步和飛速發(fā)展，應用領(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(kāi)展了首次關(guān)于運動(dòng)皮層腦機接口臨床試驗，嘗試通過(guò)運動(dòng)意圖來(lái)完成對機械臂的控制，這標志著(zhù)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，使其成為第一種高級腦功能假體。
2020年，浙醫二院與浙江大學(xué)團隊對一位高位截癱患者植入猶他電極，通過(guò)意念控制機械臂實(shí)現進(jìn)食和飲水等動(dòng)作，實(shí)現中國侵入式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(jìn)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(guò)信號采集設備從大腦皮層采集腦電信號，之后經(jīng)過(guò)放大、濾波等處理轉換為可以被計算機識別的信號，然后對信號進(jìn)行預處理，提取特征信號，再利用這些特征進(jìn)行模式識別，最后轉化為控制外部設備的具體指令，實(shí)現對外部設備的控制。
腦機接口系統一般主要包含4個(gè)部分：信號采集、信號處理、信號執行、神經(jīng)反饋。根據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(lèi)。
非侵入式是指通過(guò)從大腦外部采集信號，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，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，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(guò)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(zhù)較高的安全風(fēng)險和成本。在信號采集的過(guò)程中，侵入程度越深，信號分辨率越高，但安全性問(wèn)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，公司推出的國內首 個(gè)無(wú)線(xiàn)侵入式腦機接口設備,一代樣機已開(kāi)始與臨床合作。
腦機接口的研發(fā)現狀和未來(lái)
在當前階段，BCI技術(shù)的應用主要集中在醫療健康領(lǐng)域，包括各類(lèi)神經(jīng)類(lèi)和精 神類(lèi)疾病在內的腦疾病治療，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(lái)10-20年內將產(chǎn)生700億-2000億美元的年市場(chǎng)價(jià)值。
近年來(lái)，世界各國都將腦科學(xué)研究列入重點(diǎn)規劃，美國政府與歐盟在2013年先后啟動(dòng)各自的“腦計劃”，重點(diǎn)開(kāi)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“腦計劃”正式誕生于2016年3月發(fā)布的“十三五”規劃綱要，將“腦科學(xué)與類(lèi)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(xué)研究和以建立并發(fā)展人工智能技術(shù)為導向的類(lèi)腦研究。“十三五”期間，上海成立了上海腦科學(xué)與類(lèi)腦研究中心，已啟動(dòng)“腦科學(xué)與類(lèi)腦智能”地區性計劃，扶持相關(guān)企業(yè)發(fā)展。此后，在“十四五”規劃和2035年遠景目標中，人工智能和腦科學(xué)被明確列為國家戰略科技力量。
現階段，中國B(niǎo)CI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設備、腦疾病的影像診斷、腦認知康復等。中國腦科學(xué)賽道投資頻次較高的投資機構有紅杉中國、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(xué)產(chǎn)業(yè)賽道布局，其投資標的已覆蓋到腦機接口、腦科專(zhuān)科醫院、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(shí)現一些并不復雜的對于腦電信號的讀取和轉換，從而實(shí)現對于計算機/機器人的簡(jiǎn)單控制。要想實(shí)現直更為復雜的精細化的交互和功能，實(shí)現所想即所得，還有漫長(cháng)的路要走。而全球范圍內對腦科學(xué)研究的大量投入有利于大幅增進(jìn)人類(lèi)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(lái)將大有可為。
參考：
1.《馬斯克的腦機接口公司Neuralink將在6個(gè)月內開(kāi)始人體試驗》，腦機接口社區，2022-12-01；
2.《押注未來(lái)！腦機接口接連取得突破，“超人類(lèi)時(shí)代”真的要來(lái)了嗎？》，瞪羚社，2019-09-02；
3.《腦機接口技術(shù)在醫療健康領(lǐng)域應用白皮書(shū)》，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).
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