觀眾在北京舉辦的世界機(jī)器人博覽會上體驗(yàn)人工智能多模態(tài)腦機(jī)接口平臺。陳曉根攝（人民視覺）
中國品牌博覽會上，工作人員用腦機(jī)科技操控的假肢寫毛筆字。新華社記者 方 喆攝
右手戴上驅(qū)動氣動手套，穩(wěn)穩(wěn)握住水杯，拿起、喝水、放下……截癱患者老楊實(shí)現(xiàn)了自主“腦控”喝水。今年1月，首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院和清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)宣布，他們成功進(jìn)行了無線微創(chuàng)腦機(jī)接口臨床試驗(yàn)，患者行為能力取得突破性進(jìn)展。
用腦電活動控制動作、通過微小電流讓腦細(xì)胞和計(jì)算機(jī)之間“互動”……這些過去只出現(xiàn)在科幻小說里的場景，正在腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用中逐步走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。腦機(jī)接口被稱為人腦與外界溝通交流的“信息高速公路”，是新一代人機(jī)交互和人機(jī)混合智能的前沿技術(shù)，有望成為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、改善民生健康的未來產(chǎn)業(yè)。
通過記錄和解讀大腦信號，實(shí)現(xiàn)大腦與設(shè)備間的信息交換
截癱患者老楊今年50多歲，此前因車禍引起頸椎處脊髓完全性損傷，四肢癱瘓長達(dá)14年。2023年10月，首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院趙國光教授團(tuán)隊(duì)、清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院洪波教授團(tuán)隊(duì)共同完成了無線微創(chuàng)腦機(jī)接口臨床試驗(yàn)。試驗(yàn)中，科研人員將2枚硬幣大小的腦機(jī)接口處理器植入老楊顱骨中，再通過采集顱內(nèi)神經(jīng)信號，使他利用腦電活動驅(qū)動氣動手套實(shí)現(xiàn)了自主“腦控”喝水。
據(jù)介紹，該系統(tǒng)采用無線微創(chuàng)設(shè)計(jì)，體內(nèi)機(jī)埋在患者顱骨內(nèi)，電極覆蓋在硬膜外（硬膜位于顱骨和大腦皮層之間，起到保護(hù)神經(jīng)組織作用），不損傷大腦細(xì)胞。使用時，體外機(jī)利用近場無線供電和信號傳輸技術(shù)，隔著頭皮給體內(nèi)機(jī)供電，并接收腦內(nèi)的神經(jīng)信號，傳送到電腦或者手機(jī)上，借助解碼算法實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口通信。
經(jīng)過數(shù)月的居家康復(fù)訓(xùn)練，老楊抓握準(zhǔn)確率超過90%，脊髓損傷的臨床評分和感覺誘發(fā)電位響應(yīng)也有了顯著改善。2023年12月，這套系統(tǒng)的第二例脊髓損傷患者植入手術(shù)在首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院成功進(jìn)行，經(jīng)過一段時間的康復(fù)訓(xùn)練，患者不但能夠抓握水瓶，還可控制電腦屏幕上的光標(biāo)移動。
這兩項(xiàng)無線微創(chuàng)腦機(jī)接口臨床試驗(yàn)分別通過宣武醫(yī)院、天壇醫(yī)院的倫理審查，并進(jìn)行了國際和國內(nèi)植入醫(yī)療器械臨床試驗(yàn)注冊。首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院院長趙國光說：“醫(yī)工交叉融合推動了腦機(jī)接口的創(chuàng)新發(fā)展，該技術(shù)在幫助脊髓損傷、癲癇等腦疾病患者康復(fù)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。”
腦機(jī)接口在人或動物大腦與外部設(shè)備之間創(chuàng)建了通信和控制“通道”，它通過記錄和解讀大腦信號，實(shí)現(xiàn)大腦與設(shè)備間的信息交換。
腦機(jī)接口又可分為輸出型和輸入型兩種。輸出型腦機(jī)接口主要由大腦向外部設(shè)備輸出通信或控制指令，在不依賴外周神經(jīng)或肌肉的條件下，把用戶的感知覺、表象、認(rèn)知和思維等直接轉(zhuǎn)化為動作。這種腦機(jī)接口較為常見，老楊使用的就是這種類型的腦機(jī)接口。
還有一類是輸入型腦機(jī)接口。它主要由外部設(shè)備或機(jī)器繞過外周神經(jīng)或肌肉系統(tǒng)直接向大腦輸入電、磁、聲和光等刺激或神經(jīng)反饋，以調(diào)控中樞神經(jīng)活動，目前已在治療聽覺障礙方面得到應(yīng)用。
對于輸出型腦機(jī)接口來說，如何獲取腦信號至關(guān)重要。作為腦機(jī)接口的關(guān)鍵采集器件，電極決定著所采集腦信號的質(zhì)量和最終的控制效果。目前在技術(shù)路徑上，腦機(jī)接口又分為侵入式（有創(chuàng)）和非侵入式（無創(chuàng)）兩大方向。
侵入式腦機(jī)接口是指通過開顱手術(shù)的方式將能夠接收信號的電極植入腦中，這種技術(shù)需要把電極長期放置在腦中。近年來，隨著微納加工技術(shù)和電極材料不斷發(fā)展，侵入式腦機(jī)接口向著柔性、小型化、高通量和集成化發(fā)展，但依然無法覆蓋全腦范圍。非侵入式腦機(jī)接口不會破壞人的身體和組織，只在頭皮表面采集極其細(xì)微的大腦信號。這類腦機(jī)接口具有可動態(tài)監(jiān)測全腦信號、系統(tǒng)簡單易操作、生物相容性和安全性好等特點(diǎn)，但獲取的腦電信號容易受到外界干擾，對信號感知處理技術(shù)要求高。
醫(yī)療健康領(lǐng)域是腦機(jī)接口最主要的應(yīng)用陣地。北京腦科學(xué)與類腦研究所聯(lián)合所長羅敏敏說：“包括對高位截癱患者進(jìn)行語言解碼、運(yùn)動解碼，治療癲癇、抑郁癥等疾病，甚至把圖像處理成電信號來刺激視覺皮層，讓盲人恢復(fù)一定的視覺。這些都是未來值得期待的腦機(jī)接口應(yīng)用場景?！?/p>
我國腦機(jī)接口創(chuàng)新生態(tài)不斷完善，技術(shù)持續(xù)深入迭代，向著規(guī)模化方向發(fā)展
“意念控制”聽起來很科幻，它是如何實(shí)現(xiàn)的？實(shí)際上，患者簡單的一個動作，卻是一個復(fù)雜的技術(shù)過程，也凝結(jié)著很多領(lǐng)域科研人員的共同努力。
首先，腦機(jī)接口運(yùn)轉(zhuǎn)包含記錄、解碼、控制和反饋4個階段。羅敏敏舉例，在自主“腦控”喝水的過程中，腦機(jī)接口記錄人的思維變化引起的神經(jīng)細(xì)胞電活動，解碼后把信息傳輸給驅(qū)動氣動手套并控制其運(yùn)動，進(jìn)而得到視覺和觸覺上的反饋。
天津大學(xué)副校長明東說：“腦機(jī)接口綜合了醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)、電子、機(jī)械、材料等多個學(xué)科的先進(jìn)理論與前沿技術(shù)?！?/p>
近年來，隨著生物醫(yī)學(xué)工程、神經(jīng)工程與康復(fù)工程、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與心理科學(xué)、人工智能等領(lǐng)域的發(fā)展，腦機(jī)接口工程化進(jìn)度加快，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展明顯提速。在2014年巴西世界杯揭幕戰(zhàn)上，截癱青年朱利亞諾·平托就在腦機(jī)接口技術(shù)的輔助下為足球比賽開球；2016年，在神舟十一號載人飛船飛行過程中，我國航天員完成了腦機(jī)交互技術(shù)的在軌驗(yàn)證；國際上多個團(tuán)隊(duì)通過腦機(jī)接口技術(shù)，幫助患者實(shí)現(xiàn)了“意念打字”“意念說話”等功能……
近年來，我國腦機(jī)接口創(chuàng)新生態(tài)不斷完善，技術(shù)持續(xù)深入迭代，產(chǎn)品服務(wù)供給日益豐富，向著規(guī)?；较虬l(fā)展。
2023年初，“智能腦機(jī)系統(tǒng)增強(qiáng)計(jì)劃”在北京腦科學(xué)與類腦研究所啟動，力爭在3到5年內(nèi)突破侵入式腦機(jī)接口方面的關(guān)鍵技術(shù)，并在臨床上實(shí)現(xiàn)初步應(yīng)用。北京還采用“基金+企業(yè)”的組織模式，成立了北京北腦創(chuàng)業(yè)投資基金（有限合伙）和北京芯智達(dá)神經(jīng)技術(shù)有限公司。
目前，芯智達(dá)公司與國內(nèi)多家高校院所合作，已布局立項(xiàng)10余個創(chuàng)新項(xiàng)目，各項(xiàng)研發(fā)工作取得了階段性進(jìn)展。芯智達(dá)公司業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)李園介紹：“我們研發(fā)的‘北腦一號’‘北腦二號’腦機(jī)系統(tǒng)，前者采用皮層電極技術(shù)，目前已完成柔性高密度腦皮層電極、高性能腦電數(shù)據(jù)采集設(shè)備等核心部件研發(fā)和動物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；后者對標(biāo)國際先進(jìn)的高通量柔性微絲電極技術(shù)，結(jié)合大通道高速神經(jīng)電信號采集設(shè)備和運(yùn)動想象解碼算法，目前有線版本已實(shí)現(xiàn)獼猴對二維運(yùn)動光標(biāo)的靈活‘腦控’攔截?！?/p>
天津大學(xué)神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)是國內(nèi)最早從事腦機(jī)接口研究的團(tuán)隊(duì)之一。明東介紹，“神工”系列產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了主動康復(fù)訓(xùn)練對皮層、肌肉活動的同步整合與協(xié)同，取得了運(yùn)動康復(fù)領(lǐng)域的突破。比如，神經(jīng)調(diào)控式機(jī)械外骨骼系統(tǒng)“神工—神甲”，核心部件獲批國家醫(yī)療器械注冊證，關(guān)鍵技術(shù)在國內(nèi)多家三甲醫(yī)院開展了逾千例臨床試驗(yàn)。
“我國腦機(jī)接口在軟件、關(guān)鍵算法、典型應(yīng)用等方面均取得了一定的創(chuàng)新性突破?！泵鳀|說，但腦機(jī)接口走向更廣泛的應(yīng)用，還需要不斷探索創(chuàng)新，并通過實(shí)踐來檢驗(yàn)成效。
加快突破底層和關(guān)鍵技術(shù)，培育高質(zhì)量復(fù)合型人才，建立健全相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈
目前，腦機(jī)接口解碼的大部分仍是頭皮腦電，很多大腦內(nèi)部的神經(jīng)元還是無法解析；應(yīng)用層面更多停留在臨床試驗(yàn)階段，還沒有形成大眾化、市場化的產(chǎn)品。
明東舉例，腦神經(jīng)信號的產(chǎn)生和表達(dá)是一個非常復(fù)雜的過程，需要在繁雜的神經(jīng)表征中尋找到特定意圖對應(yīng)的神經(jīng)活動模式，并通過高效的算法把這些信號有效解析出來?！昂罄m(xù)還涉及神經(jīng)肌肉刺激、外部機(jī)械控制、給受試者呈現(xiàn)反饋等很多步驟，可以說是一個復(fù)雜的閉環(huán)過程?！?/p>
我國高度重視腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展。“十四五”規(guī)劃綱要提出，在類腦智能等前沿科技和產(chǎn)業(yè)變革領(lǐng)域，組織實(shí)施未來產(chǎn)業(yè)孵化與加速計(jì)劃，謀劃布局一批未來產(chǎn)業(yè)。羅敏敏認(rèn)為，我國腦機(jī)接口單點(diǎn)技術(shù)突破加快、產(chǎn)業(yè)鏈較為齊全，但系統(tǒng)集成能力有待提升，專利多而不優(yōu)現(xiàn)象比較突出。未來應(yīng)在明確任務(wù)導(dǎo)向、長周期穩(wěn)定支持的基礎(chǔ)上，加快突破底層和關(guān)鍵技術(shù)，鼓勵開展有組織科研，注重基礎(chǔ)研究、產(chǎn)業(yè)發(fā)展與臨床實(shí)際相結(jié)合。加強(qiáng)主管部門之間的聯(lián)動協(xié)調(diào)，促進(jìn)政策落地更具實(shí)效。
明東建議，要引導(dǎo)高水平大學(xué)通過設(shè)置交叉學(xué)科等方式，培育高質(zhì)量復(fù)合型人才。同時，鼓勵校企共建高水平科研創(chuàng)新平臺，聯(lián)合承接腦機(jī)接口領(lǐng)域重點(diǎn)攻關(guān)任務(wù)，解決產(chǎn)業(yè)化落地難題，建立健全相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈。要科學(xué)對待腦機(jī)接口研究成果，避免炒作、夸大、概念化腦機(jī)接口技術(shù)。
2023年9月，科技部等部門聯(lián)合印發(fā)的《科技倫理審查辦法（試行）》明確規(guī)定，涉及以人為研究參與者的科技活動，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行科技倫理審查，且明確規(guī)定了高等學(xué)校、科研機(jī)構(gòu)、醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)、企業(yè)等是本單位科技倫理審查管理的責(zé)任主體。2023年12月，國家科技倫理委員會人工智能倫理分委員會編制《腦機(jī)接口研究倫理指引》， 為腦機(jī)接口研究合規(guī)開展，防范腦機(jī)接口研究與技術(shù)應(yīng)用過程中的科技倫理風(fēng)險，提出了指導(dǎo)。
羅敏敏表示，腦機(jī)接口發(fā)展面臨著科技倫理、安全性、有效性驗(yàn)證等方面的挑戰(zhàn)，需進(jìn)一步在技術(shù)提供方、使用者、政策制定者和社會公眾之間凝聚共識，充分了解潛在風(fēng)險和收益，給予腦機(jī)接口技術(shù)創(chuàng)新的合理靈活度，同時確保行業(yè)健康有序發(fā)展。（谷業(yè)凱 楊彥帆）
（責(zé)任編輯：蔡文斌）
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