中國的腦機接口和世界的腦機接口

張田勘

2023年5月4日，全球首例非人靈長類動物介入式腦機接口試驗在北京取得成功。試驗在猴腦內實現了介入式腦機接口腦控機械臂，表明中國的腦機接口技術躋身國際領先行列。

腦機接口的歷史和現實

腦（人）機接口（BCI）也稱“大腦端口”或“腦機融合感知”，是把大腦神經信號與外部機械直接交互起來的技術，分為單向腦機接口和雙向腦機接口。單向腦機接口是指計算機只能接收大腦傳來的命令，或者發送信號到大腦，但不能同時發送和接收信號；而雙向腦機接口允許大腦和外部設備之間進行雙向信息交換，就像人的大腦，既能發出行動指令，又能感受身體各部位傳到大腦的感覺。

研究人員最初于20 世紀70 年代提出腦機接口概念，目的是幫助四肢殘疾和脊髓受損的人重新行走或重新支配上下肢，以完成各種生理功能。在探索的過程中，形成了兩種腦機接口路徑，一是植入式（侵入式），二是感應式（非植入式或非侵入式）。

隨著信息技術和人工智能算法的發展，20 世紀末至21 世紀初，世界各大科技公司介入這一研究領域后，植入式腦機接口就體現為以特斯拉CEO 埃隆·馬斯克為代表，非植入式腦機接口則以臉書創始人扎克伯格為代表。

植入式腦機接口是最早獲得研究突破的，也就是在大腦的特定皮質區植入微小的芯片（電極），以收集大腦的生物電流信號，并破譯這種信息，然后轉換成計算機指令，指揮機械手或機械腿，幫助殘疾人完成相應的動作。

非植入式腦機接口就是不對大腦進行植入手術，而是在頭部戴上一個包含多個電極的腦電圖掃描儀帽子，收集并記錄頭部產生的微弱的生物電流信號，然后放大這些信號。隨后，這些信號會被輸入一臺計算機，通過先進的信號處理技術和機器學習算法，將記錄下來的這些信號轉化為行動。

此前，英國理論物理學家霍金使用的輪椅就裝備了非植入式的腦電圖掃描儀帽子，可以收集霍金的大腦生物電流信號，并解讀其指令。

比較起來，非植入式腦機接口比植入式更安全，但是植入式腦機接口收集的大腦信號又比非植入式更為強烈和明確，二者各有利弊，由此也形成了競爭。

中國的腦機接口

中國研究人員認為，腦機接口有第三種形式，即介入式。

介入式腦機接口是通過微創介入方式，將血管穿刺小口，通過類似裝心臟支架的微創手術實現腦機連接，創傷較植入式腦機接口更小，信號質量較非植入式腦機接口更高。實際上，就形式而言，這也是一種植入式腦機接口，只是創傷較小而已。

2020年年初，浙江大學醫學院附屬第二醫院張建民團隊通過開顱手術在一位高位截癱志愿者腦內植入電極，實現了意念控制機械手臂的三維運動，并完成進食、飲水和握手等一系列的上肢重要功能運動。這位72 歲的病人也因此成為目前全球范圍內成功利用該技術實現肢體運動功能重建的最高齡志愿者。

近期，南開大學段峰教授團隊聯合了中國人民解放軍總醫院（301醫院）、上海心瑋醫療科技股份有限公司的研究人員，在動物身上進行了前后期腦機接口試驗。前期是對羊進行試驗，實現了介入式腦電信號從被動采集到主動控制的技術飛躍，突破了血管內腦電信號采集、介入式腦電信號識別等核心技術。

后期對非人靈長類動物猴子進行試驗，通過介入手術將介入式腦電傳感器貼附在猴腦血管壁上，不需要開顱手術即可采集到顱內腦電信號，相較于傳統植入式和非植入式腦機接口，兼顧了安全性、識別穩定性。介入式腦電傳感器通過頸靜脈進入矢狀竇，到達猴運動皮層腦區。在術后成功采集并識別到非人靈長類動物介入式腦電信號，實現了動物對機械臂的主動控制。

這也意味著，腦機接口技術可以將腦電信號轉換為控制指令，幫助運動功能障礙患者與外部設備交互，提高生活質量。

不過，研究人員認為，現在只是對猴子實現了腦機接口的試驗，要進入人體試驗和真正應用于臨床，可能還需要5 年時間。因為現在還有許多工作和研究要做，如優化電極設計，驗證介入式腦電傳感器在動物體內長期植入的安全性、可靠性，信號采集后的進一步分析、加工、轉化等。

國外公司的突破

2022年， 澳大利亞的Synchron 公司也采用了微創介入式腦機接口技術，就像給心臟做搭橋手術一樣，將微電極通過人體血管連接到大腦，由此獲得大腦的生物電信號。該公司的CEO 托馬斯·奧克斯利是澳大利亞的一位神經科醫生，他在澳大利亞研發出新的腦機接口技術，之后把Synchron 公司搬到了美國紐約。

Synchron 公司的微電極名為stentrode，是一種血管內腦機接口植入物，植入血管后，放置在大腦運動皮層旁邊的靜脈中，可以獲得與運動相關的大腦信號。此外，在使用者的胸部還植入了接收裝置，可將神經信號傳輸到解碼器。之后，機器學習算法將這些信號轉換成特定的數字指令，讓使用者可以用意念上網，并做出吃飯、穿衣等動作。

2022 年7 月6 日，在美國紐約西奈山醫院的一張手術床上，醫生把一個長1.5 英寸（3.81 厘米）的微電極植入一位漸凍癥患者的腦部血管里。這是Synchron 公司首次在美國為患者完成植入手術，此前該公司已在澳大利亞為4 名患者完成了同樣的手術。

醫生先是在患者的脖子做微創切口，然后通過導管把微電極送到頸靜脈，最終導入大腦運動皮層內的血管。運送到位后，再把導管撤掉，微電極的網狀結構就會舒展開，并和血管的外緣（血管壁）結合。然后，醫生用電線將微電極和之前就已經植入患者胸部的設備相連。

植入的這個微電極上有16 個電極來監測大腦活動，并記錄患者在思考時的神經元發射情況。隨著時間的推移，信號強度會得到改善，因為微電極會更深入地融入血管中，并更接近神經元。

微電極可以讀取腦部神經元發射的信號，胸口的設備則放大這些信號，然后通過藍牙傳輸給電腦或者智能手機，就可以幫助患者用意念上網、發郵件、發短信。此前的結果是，4 名患者沒有出現任何副作用，并且最初的目標也都成功實現了，患者能發短信、在網上購物等。

但是，目前植入的微電極和胸部連接的解碼器算法能力還有限，不能做整句輸入和翻譯，病人只能在屏幕上逐一挑選字母，而腦機接口設備會將患者“是或不是”的想法轉換為指令。

Synchron 是目前唯一一家獲得美國食品藥品監督管理局（FDA）批準進行永久性腦機接口植入的公司。

腦機接口如何幫助人

2020 年9 月，在馬斯克創辦的腦機接口公司Neuralink 的技術展示活動中，馬斯克稱Neuralink 設計了一個硬幣大小的芯片，可以很快治愈癱瘓、耳聾、失明和其他殘疾。Neuralink 的新設備植入大腦后，就像大腦里的一個Fitbit 產品（一種智能設備），可以用手機App 控制，但是需要在頭部做一個小切口。

這個設備有1 024 個電極，能夠監測大腦神經電活動。大腦的神經電脈沖數據通過芯片無線傳輸到計算機，既可幫助殘障人士，也可供研究人員進行研究。之后，Neuralink 公司對豬進行了試驗，取得了一定成功。但是，在后來對猴子進行試驗時，遇到挫折。

目前，Neuralink 公司的腦機接口研究陷入停滯，芯片植入人腦的試驗仍在等待FDA 的批準。

從深遠角度看，腦機融合不過是腦科學研究的一種，在人的大腦里植入芯片首先是為了治療疾病。在治療疾病上，腦機接口具體可以分為3 類：一是幫助殘障人士獲得正常的生理功能和生活能力；二是幫助殘障人士學習，如幫助翻書和寫文章；三是治療大腦中因神經遞質的產生和輸送困難而導致的各種疾病，如帕金森病、癲癇、自閉癥等。

很多大腦疾病都是由于大腦神經元受損造成的，大腦受損后，一些信息不容易傳遞到四肢，同時可能損害大腦中樞內的神經遞質傳遞，導致思維混亂。如果通過芯片能補充和增強這些大腦信息的傳輸，就可以治療許多大腦疾病。

馬斯克表示，一旦獲得FDA 的人體試驗許可，Neuralink 公司將專注于兩項初步應用：一是恢復視力，即使是那些天生失明的人，仍然有恢復視力的可能性，因為大腦皮層中感知視覺的部分仍然存在；二是幫助嚴重癱瘓者，讓他們能用意念使用智能手機，并且能比普通用戶用手使用智能手機更快速。

腦機接口也并非只有Neuralink 公司和Synchron 公司在競爭，許多國家，包括中國，都參與到這一領域的研發和競爭中。如上所述，中國也取得了一些成果。當全世界有1 億人患有上肢障礙和癱瘓時，用腦機接口幫助他們就有更大的現實意義。（責任編輯：白玉磊）