脑洞打开还是脑洞大开？

　　《黑客帝国》中，男主角尼奥通过在脑后插入一根线缆实现与“母体”系统的连接就可进入一个虚拟世界，用大脑意念获得知识和发出指令。电影《阿凡达》中，双腿瘫痪的前海军陆战队员杰克“入舱”并头戴非侵入式脑机接口装置进入潘多拉星。以往科幻片中的脑洞大开的想象，正在靠着打开的脑洞一步步变成现实。

　　“脑机接口和AI是一座桥的两边，我们各自在向对方发展。AI正在通过大模型+千亿级的参数+所有被数字化的文本变得越来越像人脑，而脑机接口通过在人脑植入电极，将大脑内容变成电脑可以理解的数据跟算法。这是一个互相融合的过程。”7月6日，在世界人工智能大会“脑机智能与数字生命”主题论坛上，脑虎科技联合创始人彭雷表示，碳基生命和硅基生命未来一定会走到一起。

　　脑机接口（brain-computer interface，BCI），这个诞生了50年的概念，如今不再高冷。脑机接口市场的打开将为商用芯片/通信IP厂商打开全新的市场空间。根据Mckinsey研究报告显示，预计脑机接口相关市场规模在2030—2040年期间可达700亿—2000亿美元。长期来看，人脑或实现与智能家居、计算机、通信设备的联网，未来或形成新型人机互联网形态，带来相关基础设施需求。

　　脑机接口，正在成为下一个“风口”。

上图：脑机接口通过在人脑植入电极，将大脑内容变成电脑可以理解的数据跟算法。

抢占先机：从手机到脑机

　　脑机接口是生物技术(BT)与信息技术(IT)的跨界融合，随着脑机接口、生物芯片、人造器官、AR手术等技术正在从理论走向应用，生物层面的人类将与数字化的生活模式结合起来，也许未来的人类将是硅基器件与碳基生命融合。在这场数字生命的技术革命中，世界各国都在抢占先机。

　　脑机接口听起来很科幻，但是它背后的原理其实非常朴素。人类的大脑每时每刻都产生思维意图，其背后的物质基础就是神经活动，神经活动会产生神经信号，这些信号背后蕴藏着跟我们意图相关的特征。如果我们能够用算法将其解码出来，就能够实现意图的识别。

　　所以说，脑机接口是一种直接建立在大脑与计算机之间的通信接口，能够实现思想与外物的互联互通，能够实现生物智能与机器智能交互融合，整个过程包括脑信号的采集、特征的提取、模式的识别以及最后转化为机器指令，与外部进行通信。

　　根据电极放置的位置不同，脑机接口分成两大类，侵入式脑机接口和非侵入式脑机接口。

　　非侵入式脑机接口将电极和传感器放置在头皮表面，它的优势是安全、无创、低成本，可监测大规模的神经活动，但是由于电极与目标神经元离得比较远，所以获取到的信号非常微弱、模糊，为后续的解码带来了巨大的挑战。

　　侵入式脑机接口需要做开颅手术，将电极埋到脑子，它的优点是能够获得高空间分辨率的信号，获得的信号质量比较高，但是手术会带来一定的风险。

　　目前，科学家已经可以通过脑机接口帮助四肢瘫痪的病人用自己的大脑意念完成许多复杂的运动任务。除了解码运动意图，科学家们还可以解码语言信息。2022年《自然》（Nature）公布数据表示，人类用意念打字可以实现99%准确率。全球脑机接口技术已然推进至产业发展期。

　　如果说手机作为一款消费级的电子产品被大家广为接受，但是应该没几个人愿意在自己的脑袋上打个洞、埋一个电极，从而拥有强大的“脑机”，所以，侵入式脑机接口也正向着小型化、安全化的方向发展。

　　目前，侵入式脑机接口有三大技术路线并行，分别是：

　　硅基硬质电极系统，也是目前唯一获美国食品药品监督局（FDA）批准可应用于人体植入的脑机接口产品；血管支架电极，美国公司Synchron已于去年获批人体临床试验，虽然采集通道数较少，但该路线侵入窗口小，安全性较高；柔性电极系统，通过MEMS技术做高通量电极，脑电采集通道可实现成千上万的跨越，也是“科技狂人”马斯克的脑机接口公司Neuralink，与国内脑虎科技、阶梯医疗、微灵医疗等多家脑机接口公司选择的技术路径。

　　马斯克的Neuralink公司开发的微型侵入式脑机接口系统，实现了微创的侵入性。2021年，Neuralink成功利用1024通道柔性电极实现猴子打游戏。

　　就在今年5月4日，南开大学段峰教授团队也实现了微创介入。研究人员将脑电传感器贴附在猴脑血管壁上，因此无需开颅即可采集到脑电信号，让猴子通过大脑意念来控制机械臂。这种方式的创伤较侵入式脑机接口更小，信号质量较非侵入式脑机接口更高。这也是全球首例成功的非人灵长类动物微创脑机接口试验。

　　天津大学医工院副院长许敏鹏教授在“脑机智能与数字生命”主题论坛上指出，手机是我们这一代人最主要的交流方式，也许下一代人的交流就是靠意念控制。而用意念控制离不开脑机接口，未来脑机接口将从经典的脑机接口逐渐演变为脑机交互最后到脑机智能的模式。

　　最终，脑机接口将实现“心之所想，随意而动”，并成为元宇宙的终极入口。

探索性人体临床试验

上图：非侵入式脑机接口产品也在快速发展中。

　　1973年，美国科学家第一次提出了脑机接口的概念。在这一概念诞生50周年之际，脑机接口公司Neuralink在今年5月获得了美国食品和药物管理局的批准，将启动首次人体临床研究，在四肢瘫痪或截肢的患者身上植入设备。

　　与此同时，在中国，脑机接口如今也已经走过了20周年的历程，并与美国同行站在了同一条起跑线上。

　　在刚刚结束的2023世界人工智能大会（WAIC）“脑机智能数字生命”主题论坛上，成立仅仅两年的侵入式脑机接口公司脑虎科技，一口气发布了七项阶段性科研新成果，横跨学术、科研、医疗临床等领域，其中不少是全球首例。

　　“我们在今年5月，完成了全球首例将半侵入式脑机接口设备植入恒河猴进行打乒乓游戏的实验。”脑虎科技联合创始人兼CEO彭雷表示，该脑机接口植入恒河猴打游戏实验，在解码准确性上，预测轨迹和真实轨迹相关性85%以上，延迟性则控制在30ms以内，同时实现14天以上的稳定解码。

　　这项科研成果的实验对象是脑虎科技的动物员工——7岁的恒河猴“悟空”。首先，猴子经过几个月的训练，学会了打乒乓球，科学家同步完成相关信息采集。5月26日，“悟空”完成了电极植入手术，在植入256通道皮层电极后，可采集到LFP信号，并利用实时解码数据让猴子通过意念控制继续游戏，达到“脑控”效果。

　　脑虎科技的另一个动物员工——2岁的拉布拉多犬“尼奥”也完成了一次电极植入手术，成功实现运动解码。彭雷表示，他们将电极放置在尼奥脑部的M1运动区，后端通过数字脑电图机来做信号采集跟处理，并配合以算法跟解码软件，以预测它的腿部运动轨迹跟脑电解码出来轨迹之间的相关性。结果显示：两者轨迹相关性为80%以上，解码延迟在30毫秒内。通过两项动物实验显示，脑虎科技目前已实现了脑机接口系统从电极制备、信号采集、神经解码的全链条100%自研。

　　脑虎科技表示，在动物实验上取得了进展之后，在3项探索性人体临床试验上也有新的突破。

　　2023年2月完成一项256通道柔性深部电极的植入手术，成功实现对单神经元信号的有效记录。5月，基于柔性皮层脑机接口技术，实现汉语言解码与合成。6月,基于柔性皮层脑机接口技术，实现重要脑功能区定位，指导外科医生切除脑区病灶，保留患者的重要脑功能。

　　侵入式脑机接口当前还存在一系列待突破的挑战和问题。第一面对大脑860亿神经元，脑机接口能够采集的通道数在高通量的情况下也仅能采集上千通道的神经元，尚且不能满足精确解析大脑的要求，信号采集的“高通量”依然是各家正在跨越的难题；第二则是侵入式技术不得不面对的“创口”问题，开颅手术带给患者的创伤是植入者必须考虑的问题，微创的探索也一直在持续；第三则是植入体的长期在体问题，除了解决生物相容性的问题，还需在长期在体的情况下仍能保持采集、读写信号的准确度。

　　柔性电极目前被称为“最长期且可持续的技术路径”，因为它可以解决三个最核心的问题，同样也是这项技术产业在推广上的三大核心要素：高通量、低创伤以及长期在体的稳定性。

　　脑虎科技针对这三大核心要素，发布了两项学术成果——

　　丝蛋白神经光电极。利用丝蛋白与MEMS电极混合的多模态电极，用来实现大脑神经解析与调控。在蚕丝蛋白做的光纤外部包裹上MEMS电极，实现了用光来刺激，同时用MEMS来采集一个完整的多模态的闭环调控。其次，因为蚕丝原本的柔软性，可以使其在一定强度内的光耗控制很好，植入时是硬质的，植入后就会变软，比传统的石英光纤低4个数量级。

　　类蚊口器仿生柔性神经探针电极。利用类似于蚊子独特的口器结构，好比是一个外部较硬的物质，撑开结构再用柔性的吸管来吸血。这样植入的特点是，植入时能保持较好的硬度，植入之后柔性电极能够精准采集，而且可调节的梭针长度，能够实现对多个脑区的植入，适应不同类型大脑表面的形态。无需进行硬脑膜移除手术且植入避开血管损伤，因为每一根探针背后都有一个非常高灵敏度的触觉传感器阵列，可以准确探测到在组织体内是碰到脑组织还是碰到血管。术后信号采集具有出色表现，12小时之内就能采集到高质量的单神经元信号。

上图：在脑虎科技的恒河猴实验中，猴子可以“脑控”打乒乓球。

　　彭雷表示，脑虎科技虽然很年轻，但在产品研发上一直在努力迭代，为此，他们还针对科研和医疗市场发布了两款柔性电极植入的手术机器人和脑电采集芯片。“脑科学经历了50多年的发展，也出现了一些痛点，这些痛点跟人工智能面临的痛点非常类似，那就是对于产品的多样化和软硬件不统一、数据和算法的不统一等问题。为此，脑虎科技面向全球脑科学家开放平台，让全球脑科学家实现数据的可累计、算法的可分享，然后让整个生态的迭代速度变快。”

　　此外，彭雷呼吁，希望更多从事脑科学领域的，无论是科学家、医生、学者或者行业伙伴，一起加入建设开放平台，通过打造BCI生态圈，让脑科学也能像AI赋能千行百业一样，以AI的迭代速度快速跑起来。

　　当然，即使柔性电极被证明在人体中是安全的，但距离实现商业化仍然需要数年甚至是超过十年，因为从临床到最终上市，侵入式脑机接口设备还需要解决安全性、稳定性、可靠性等众多问题。

靠玩游戏治病？

　　侵入式脑机接口需通过手术将电极植入大脑皮层等部位，而非侵入式脑机接口一般通过附着在头皮上的可穿戴设备实现脑电信号采集，随着技术的不断发展，游戏或许是脑机接口技术最令人期待的载体之一。游戏企业，正在向脑机接口技术一步步靠近。

　　靠一款《原神》游戏赚了 200 亿的米哈游，从去年开始布局脑机接口。米哈游宣布投资上海交大附属瑞金医院脑病中心，合作内容主要是脑机接口技术的开发和临床应用。双方共同成立“瑞金脑病中心米哈游联合实验室”，共同攻关“脑机接口神经疗法治疗难治性抑郁症临床研究”项目中的关键问题。

　　长期从事难治性抑郁症脑机接口神经调控治疗临床研究、在上海交通大学医学院附属瑞金医院担任脑机接口及神经调控中心共同主任的孙伯民指出，瑞金医院难治性抑郁症脑机接口神经调控治疗临床研究项目，目前研究已入组23位患者，术后患者抑郁症状的平均改善超过60%。“对于难治性抑郁症来说，60%的改善率已经非常不容易。未来脑机接口技术将不仅仅局限于医疗领域的发展，也将通过游戏等其它载体，为多动症、抑郁症等疫病患者提供更加多元化的治疗方案。”

上图：柔性电极植入手术机器人适用于脑机接口的科研和医疗使用。

　　2020年，陈天桥雒芊芊研究院下的脑科学前沿实验室与数药智能合作，利用VR设备破译和调节脑神经信号的传输，从而对阿尔兹海默症进行治疗。以神经科学及脑机接口为底层技术开发的数字游戏基本原理是利用了美术、音乐、故事叙述和奖励循环来保持患者专注力，促使脑神经突触之间的神经递质增加，达到突触的修复，使信息传递的传递轨迹正常化。

　　2021年初，盛趣游戏孵化的生态公司数药智能成立，开始研发辅助治疗儿童多动症的游戏《注意力强化训练软件》。与此同时，波克城市也开启游戏化数字疗法战略。用于儿童弱视治疗训练的《快乐视界星球》游戏于2022年拿到二类医疗器械注册证，另一款用于老年轻度认知障碍康复训练的《定制式链接记忆游戏》则在临床实验过程中。

　　游戏构筑了每个老年人熟悉的日常世界，通过点击屏幕，老人在自己虚拟居住的房间里，寻找物品，或者辨别家人的相貌和声音来通关。设计者希望阿尔兹海默症患者通过游戏进行“康复训练”，以此增强记忆。

　　眼下，游戏公司针对多动症、孤独症、自闭症、阿尔兹海默症、弱视的游戏疗法层出不穷，定位也从严肃医疗、康复训练，一路延伸到辅助教育。

　　接下来，脑机接口的赛道上还会出现哪些大咖入场呢？记者｜陈冰