interface 传感器 脑机接口技术，我们赶上来了（附试验视频）

脑机接口技术，我们赶上来了（附试验视频）

每经记者：林姿辰 李孟林

这不是电影场景：

5月4日，北京。双手被绑住的猴子，想吃食物时产生伸手的冲动，于是通过意念（脑电信号）操纵机械臂运动，成功把食物送到了自己嘴里。

这是南开大学段峰教授领衔的团队进行的试验，他们完成了全球首例非人灵长类动物（猴）“介入式脑机接口试验”。

段峰团队这一试验，并不需要像马斯克的Neuralink公司那样在猴子脑袋上打洞，而是使用医疗领域成熟的神经介入技术，安全性相对较高。

介入式脑机接口技术到底有多厉害呢？

段峰团队授权《每日经济新闻》发布试验视频：

领先于马斯克Neuralink公司的Synchron公司，也是采用的与段峰团队类似的介入式技术。在获美国食品药品监督管理局（FDA）批准人体试验前，Synchron已经在澳大利亚进行了测试，四名受试者通过意念成功发出了文字信息，无需打字过程。而马斯克的Neuralink公司至今尚未获得FDA人体试验批准。

马斯克Neuralink公司的侵入式技术，需要在猴子脑袋上钻一个洞，并将电极插入其大脑皮层内部，然后将大脑和一台外界设备连接起来。虽然Neuralink公司最终使猴子们借助“意念”在电脑上玩游戏或者打字，但遗憾的是，23个试验猴过半已死亡，Neuralink因涉及违反《动物福利法》被调查[1]。

试想，如果将Neuralink公司这种技术应用到人身上，即使不用寒窗苦读就可以向大脑内灌输任何知识，甚至可将自己的思想/记忆储存在云盘里实现“意识永生”，但你愿意在脑袋上钻一个洞吗？

据中国电子技术标准化研究院公布的《脑机接口标准化白皮书2021》（以下简称“《白皮书》”）预测显示，脑机接口技术（Brain Computer Interface，BCI）潜在市场很快将达数百亿元。

技术竞速早已拉开序幕。

欧盟、美国、日本耗费大量人力、物力、财力开展脑机接口技术研究与应用。美国国防高级研究计划局（DARPA）还砸巨资打造“超级士兵” 提升控制思想的能力 （开展了以控制神经元增强士兵认知和决策能力为目的下一代无外科手术神经技术项目）[2]。目前，脑机接口在军事上的应用已占全球脑机接口总应用的25%。[3]

相对于美国来说，中国从事脑机接口方面的研究起步较晚，现有产学研联动运转仍需更大的推力。

“企业家和科学家的思维方式是不一样的，在科研经费的支持下，科学家更愿意去做领先十几年、甚至几十年的科研，以实现个人学术成果或国家战略课题；但从商业维度和投资逻辑来看，我们会更看好从市场需求出发，且能在短中期实现商业闭环验证的项目。”中甬投创始合伙人、简约商业思维主理人朱天博对每经记者表示。

● 中国实现全球首例 ●

不用脑袋钻孔，国产脑机接口让猴子通过意念取食

街头卖艺的残疾人可以用机械臂自如地弹吉他，只有大脑保存完好的女主角阿丽塔，在安装了机械肢体后幸运重生，并且在新的生活与战斗中找回失去的记忆——这是科幻电影大师詹姆斯·卡梅隆在电影《阿丽塔》中对26世纪的想象。

然而，名为“脑机接口”的未来式产品，已经出现在当下现实世界中。

如果将脑机接口看成是一条建立在人脑和外界设备间的桥梁，那么，这条桥梁上行驶的不是汽车，而是电流——当人类思考时，大脑皮层中的神经元会产生微电流，脑机接口技术可直接提取这些电信号来控制外部设备。

据段峰教授介绍，脑机接口的发展，从德国精神科医生Hans Berger发现α波、β波脑电波算起，已经接近百年。直到2004年之后，此前发现的各种脑电信号才开始被应用推广。

从标志性事件看，将脑机接口从科学论证阶段带领到应用实验阶段的是2004年，元老级BCI企业BrainGate实现了用侵入式脑机接口治疗瘫痪患者，而这位瘫痪患者于2014年借助脑机接口，用意念控制机械外骨骼，完成巴西世界杯开球[4]；而令侵入式脑机接口声名大噪的是自2020年起，“硅谷钢铁侠”埃隆·马斯克的Neuralink公司给猪、猴子植入脑芯片，用猴子的“意念”来控制机械臂。

脑机接口发展历程 图片来源：段峰团队供图

但段峰的两次试验没有采用侵入式脑机接口，也没有走向它的反面——非侵入式脑机接口。据段峰介绍，侵入式以埃隆·马斯克旗下Neuralink公司为代表，获取脑电信号精度最高，需要通过钻透颅骨植入芯片；第二种为非侵入式，隔着头皮采集脑电信号。

本轮试验前，段峰曾从事过侵入式和非侵入式脑机接口的研究，其中侵入式脑机接口试验用于控制老鼠的行为，非侵入式脑机接口用于控制轮椅、汽车。

经过一系列研究，段峰发现这两种技术各有不足之处：侵入式脑机接口对试验者的伤害很大，安全性难以保障，容易“为了解决一个小问题引来更大的问题”；非侵入式脑机接口采集信号的准确性和长期识别的稳定性有待提高，而考虑到头皮表面脑电信号的客观干扰过于复杂，技术壁垒短期内难以突破。

最终，段峰选择与神经介入器械公司心玮医疗联手，共同研发介入式脑机接口。该类脑机接口涉及到的关键器件是前端的脑电信号采集传感器（在支架上放置电极）和后端的信号放大器。

从操作看，介入式脑机接口不需要对试验者开颅并切除大块头骨，但没有完全回避外科手术，需要在试验者颈静脉刺个小口，通过颈静脉导管，将装有传感器的支架送入位于大脑运动皮层脑区的血管。当导管被移除时，支架在血管壁内扩张，贴近血管内壁，从而采集脑电信号。

介入式脑机接口示意图 图片来源：段峰团队供图

随后，段峰的团队对采集到的脑电信号进行滤波、降噪等处理后，将该信号导入电脑并进行解析，识别到运动意图后，电脑会发送控制命令给机械臂，从而操纵机械臂运动——把食物送到猴子的嘴边。由于猴子的手被绑住了，所以当它想吃食物时会产生伸手的冲动，从而继续产生脑电信号操纵机械臂的运动，一次次强化训练。

被捆住双手的猴子通过意念操纵机械臂进食 图片来源：段峰团队试验视频截图

对比来看，采集信号的准确性和稳定性介于侵入式和非侵入式脑机接口之间，由于使用的是医疗领域成熟的神经介入技术，安全性也相对较高。

段峰告诉每经记者，本轮试验的准备起于2020年，整体规划分为三个阶段：

“

第一阶段是去年6月完成的国内首例介入式脑机接口动物（羊）试验，验证传感器的有效性、安全性，研发“介入式脑机接口”这一新器件；

第二阶段是刚刚完成的全球首例介入式脑机接口非人灵长类动物（猴）试验，验证“介入式脑电信号解析”这一新技术，实现主动意图识别对机械臂的控制；

第三阶段是开展人体试验，实现“人机协同介入式脑机康复系统构建”这一新应用。

”

尽管前两个试验的进展顺利，但三个阶段试验的难度逐级增加，尤其是从动物试验拓展到人体试验，需要更多支持。

“从技术上来说（人体试验）肯定很近了，但需要找到更好的合作平台，通过人体试验的伦理审批，募集受试者。”段峰解释称，第一个试验和第二个试验分别由宣武医院和301医院（中国人民解放军总医院）两家不同的医院医生操作，也主要是出于试验动物获取和伦理审批通过的考虑。后续团队还需要继续监测试验羊和试验猴的各项生理指标，以评价试验的有效性和安全性。

“我希望在半年之内（完成人体试验前的工作），但伦理审批各项工作进展的不确定性比较大。”段峰说。

5月4日试验的参与方有301医院、心玮医疗（HK06609），实现了介入式脑机接口脑控机械臂。当日，心玮医疗首席财务官张涵对《每日经济新闻》记者表示，基于现有神经介入器械设计的介入式脑机接口距离直接用于人体临床和产业化，仍然有很多工作要做。公司已启动临床试验的血管介入机器人系统，并非此次试验中用到的产品，血管介入机器人系统主要用于介入手术中的器械控制和操作。

“南开大学段峰教授团队在脑电信号采集、解码以及机器人控制方面有比较多的积累，而公司的机器人研发团队能够为教授的工作提供支持和配合。”张涵说。

段峰教授试验团队合影 图片来源：受访者供图

● 首款上市产品 ●

争夺战打响，领先的不是马斯克的公司

在国内介入式脑机接口试验成功的前一个月，《自然》杂志刊登了一篇来自瑞士洛桑联邦理工学院研究人员的研究，该研究让一只老鼠观看了一部上世纪60年代的黑白老电影，并用一种新型AI工具重建了老鼠所看到的画面，甚至以高达95%的准确率预测下一个画面。而这只是各国争先探索脑机接口技术及应用的一个定格。[5]

根据中国电子技术标准化研究院公布的《脑机接口标准化白皮书2021》，欧盟、美国、日本耗费大量人力、物力、财力开展脑机接口技术研究与应用；Facebook、谷歌、微软、Neuralink（马斯克投资）等科技巨头公司，在非侵入式“脑机语音文本界面”技术、人脑记忆功能、神经假体等脑机接口细分领域投入超3亿美元；DARPA（美国国防高级研究计划局）还开展了以控制神经元增强士兵认知和决策能力为目的的下一代无外科手术神经技术项目。目前，脑机接口在军事上的应用已占全球脑机接口总应用的25%。

但值得注意的是，世界主要科技大国在脑机接口领域加速设立技术壁垒，限制脑机接口技术对外出口。比如，美国商务部2018年发布《出口管制改革法案》，禁止包括脑机接口技术在内的14项技术对我国输出。[6]

即便在起步最早、竞争最为激烈的美国，目前尚无一款BCI设备获得美国食品药品监督管理局（FDA）的上市批准。几家公司正在争夺这个市场第一的名号。

由于马斯克自带流量的属性，Neuralink公司或许是普通人最熟悉的脑机接口企业名字。在马斯克描绘的图景中，Neuralink的技术将使盲人复明、瘫痪人士重新行走，最终有一天让人类变成半机器人的赛博格（cyborg），抵御AI机器人的威胁。

马斯克 图片来源：视觉中国-VCG111395775038

在宏大的远景背后，Neuralink近来频遭挫折，研发进度远非行业领先。Neuralink最近一次公开研究进展是在2022年11月底，当时马斯克播放了一段脑内植入芯片的猴子玩电脑游戏的视频内容，但实际上这一成果早在一年多以前就已经发布过了。马斯克当时还声称，Neuralink有望在6个月内获得FDA的人体试验批准，但目前五个多月已经过去，批准尚无消息。

据路透社2023年3月报道，自2019年以来，马斯克至少四次声称马上就会获得FDA的人体试验批准，但实际上，FDA已经在2022年拒绝过一次申请（此前未被外界知晓）。FDA认为，Neuralink采取的侵入式方法有太多安全隐患，如：植入设备里锂电池带来的电流失控问题、设备线路移动至大脑其他部位的风险，以及能否安全取出设备的问题。

据悉，被拒绝后，Neuralink一直在努力回应FDA的质疑，但数名FDA工作人员认为，Neuralink不大可能快速解决上述隐患，这意味着马斯克的承诺大概率又要“跳票”。此外，Neuralink的试验导致过多动物死亡，也成为动物保护组织猛烈批评的焦点。

目前在科研进度上领先Neuralink的是Synchron。这家纽约初创公司使用的技术和南开大学段峰团队类似，都是采用介入的方式（有时也被称作“半侵入式”）从血管植入支架。Synchron于2021年7月获得FDA的人体试验批准，2023年3月开始招募首批6名受试者进行安全性测试。

Synchron的目标是利用植入设备帮助严重瘫痪的患者通过意念操控数码设备。在获FDA批准前，Synchron已经在澳大利亚进行了测试，四名受试者通过意念成功发出了文字信息，无需打字过程：

2021年12月，澳大利亚渐冻症患者Philip O’Keefe在植入了Synchron的设备20个月以后，发出了全世界第一条用意念生成的推文：“Hello，世界！短推文。巨大的进步。”

2023年1月，医学杂志JAMA Neurology发布了同行评议论文，证实澳大利亚试验中的Synchron设备在12个月的时间内未出现安全风险，信号质量和表现也没有下滑。

2022年年底，Synchron宣布7500万美元C轮融资超额认购，投资方包括亚马逊创始人贝索斯和比尔·盖茨旗下的投资基金。前中国首富、盛大集团创始人陈天桥因受惊恐发作折磨而转型脑科学研究资助人的故事广为人知，而他旗下的基金已在2021年B轮融资中投资了Synchron[7]。据路透社报道，2022年，马斯克也曾经接触过Synchron，希望能够投资，但双方拒绝评论这篇报道。

外界认为，Synchron有望成为第一个将脑机接口设备商业化的公司，但Blackrock Neurotech也是这个“第一”的有力争夺者。这家脱胎于犹他大学的公司在植入“犹他电极”采集神经元信号的实验上已经有近20年历史，其设备可以帮助瘫痪人士控制数码设备、假肢和自己的四肢。2016年，瘫痪男子Nathan Copeland在植入了Blackrock Neurotech的设备后，利用意念控制的机械手臂和美国总统奥巴马“握手”，一时成为新闻头条。

2021年，Blackrock Neurotech的MoveAgain BCI设备获得了FDA的“突破性设备”认证，为加速开发和审批打开了绿色通道。2022年，Blackrock和匹兹堡大学共同开发一款便携式BCI设备，受试者在家即可参与试验，公司称这是离商业化应用的最后关键一步。

该公司曾在不同场合表示，将在2022年年底或2023年年初推出全球第一个商业化BCI设备，但目前尚未兑现。

海外主要脑机接口公司/机构及其进展

（每经记者 李孟林 整理）

● 如何赶超国外 ●

国内可更快将产品推向临床，但核心是要加大基础科学研究投入

尽管《白皮书》显示全球脑机接口技术发展已进入第三阶段“技术和产业爆发期”，但需要承认的是，目前脑机接口技术正在起跑线上，“意识上传”“记忆复制”等科幻场景还难以照进现实。

现阶段，脑机接口能承接的最大期待，是解决人类的脑疾病相关问题，比如孤独症、多动症、抑郁症、阿尔兹海默症等。

段峰告诉每经记者，脑机接口已经可以应用在医疗、教育领域，未来也有可能应用在军事甚至外太空等领域。在看得见的未来，医疗领域肯定是最优先的应用领域，其中受众群体最多的是脑卒中患者——他们在接受取栓手术救治后，可以使用介入式脑机接口用“意念”控制康复机器人运动，将从前由器械带动肢体的被动康复训练，转变为基于人自身意识的主动康复训练。

康复机器人视频截图 来源：段峰团队提供

而非侵入式脑机接口走得更快些。根据《白皮书》，2019年全球脑机接口市场规模达11.9亿美元，其中非侵入式脑机接口市场规模达10.25亿美元，换言之，目前最容易产业化的是被诟病“采集信号不够准确”并且看起来不够炫酷的非侵入式脑机接口。

5月9日，华兴新经济基金医疗科技组执行董事罗玺博士对《每日经济新闻》记者表示，脑机接口的侵入程度与成熟度以及商业化时间呈反向相关，侵入程度越高，其实它的成熟度越低，距离商业化的时间可能需要越长。但侵入程度与脑机未来的发展潜力正相关。

从产品的研发成本角度来看，侵入式＞介入式＞非侵入式；如果涉及到产品未来的市场竞争，其主要决定因素除了产品本身的技术门槛，还可能有临床本身的监管门槛，以及产品是否在患者当中有刚需性等，那么非侵入式的商业推广成本可能大于侵入式和介入式，而侵入式和介入式的推广成本会比较接近。

记者注意到，目前全球范围内融资超过2亿美元的脑机接口企业有两家，一家是马斯克创办的Neuralink，另一家是BrainCo强脑科技，后者是一家在哈佛由中国团队创立的非侵入式脑机接口技术解决方案供应商。

5月9日，BrainCo强脑科技高级副总裁何熙昱锦接受《每日经济新闻》记者采访时表示，虽然侵入式脑机接口和介入式脑机接口采集脑电信号的精准度更高，但他们都需要进行外科手术，有一定风险；非侵入式脑机接口只需要通过穿戴相关设备，就能直接对大脑皮层的表面信号进行采集和处理。 非侵入式脑机接口可以通过算法和材料学的突破和不断优化，来提升其信号采集精准度，“在短期内具有更大的商用价值，应用场景也更丰富”。

从进展上看，2017年BrainCo强脑科技研发的新式电极材料——固体凝胶电极实现量产，攻克了脑电信号难以大规模精准采集的难点，使便携式脑电设备的单电极精确度达到专业级水平。公司研发的残疾人康复辅具智能仿生手（一款融合脑机接口技术与人工智能算法的康复辅具）于2022年拿到了美国FDA认证。

“脑机接口技术和产业过去100年的发展，主要由世界非常顶级的十几家实验室驱动，同时，从事该领域研究的顶尖人才也少之又少，是需要经过严格训练的‘特种兵’一样的存在。”何熙昱锦说，从脑机接口实验室出来的人做公司，除了一部分是为科研服务，大多数公司主要还是关注产业化，例如BrainCo除了神经肢体重建和脑疾病康复，也在大力研究未来人机交互。

目前，整个产业界对侵入式脑机接口的展望，是以后的开颅手术变得“优雅”，比如一个小时就能完成开颅，把硬币大小的芯片植入大脑中，马上就可以进行正常的生活，而不用在头顶上“戴”一个笨重装置或者脑袋上拖着线的科学怪人。

何熙昱锦认为，马斯克在2021年发布的猴子靠“意念”玩游戏的试验就朝这一目标走近了，试验中的脑电信号解码也提高了未来人类通过脑机接口技术实现无损沟通的可能。而对于国内非人灵长类动物介入式脑机接口试验的成功，其带来的深远影响可能与Neuralink是一样的：

“它极大促进了介入式脑机接口从实验室向临床应用的转化，能够加快推动脑机接口产业进程，甚至进一步促进整个医疗产业的升级。而且也证明了中国的脑机接口技术在国际上的水平已经走在前列，未来在脑疾病干预领域拥有广阔的市场前景。 ”何熙昱锦说。

罗玺也认为，这次试验是国内脑机接口领域实现的一个大进步。“我们目前取得的灵长类动物上的进展，说明我们和海外在这个领域的差距已经缩小到数年内，同时，这次试验也帮助未来国内其他侵入式脑机接口设备探索了临床试验的路径。 ”

罗玺表示，从总体上来看，国外脑机接口技术的研究角度比国内更加领先，能够有一些从0到1的技术突破，但国内的优势更多地体现在从1到10 ，即国内企业比较善于借鉴海外的创新理念，将产品进行更好的改良和工程化的实现，并且更快地将产品推向临床。“只是如果我们想要赶超，并最终引领行业趋势的话，最核心的一点还必须是加大对基础科学研究的投入。”

● 将火过ChatGPT? ●

“企业很难获得风投，需要政府引导资金介入”

何熙昱锦认为，脑机接口在产业化的过程中面临着非常多的挑战，比如价格、良品率、稳定性等方面的问题。 此外，在人才的培养和储备方面，也需要更多投入和重视。中国开始从事脑机接口方面的研究，相对于美国来说起步较晚，但值得一提的是，我国“十四五”规划第一次将脑机技术明确写入需要攻关的重点技术品类中，并明确了脑机融合是脑机技术的关键。因此，中国脑机接口企业目前拥有非常好的发展环境。

罗玺指出，脑机接口企业不只是简单地堆砌“高精尖”“高指标”的子系统或者部件 ，而是能够深入理解脑机在不同应用场景的性能需求，对应适配最适合或者够用的器件，使得脑机设备达到功能性、实用性以及便捷性上的平衡，从而能真正在现实生活中有用武之地。同时，企业最好也具有掌握脑机设备的核心器件和原材料的能力，这些对企业本身的能力要求都非常高。

以植入式脑机接口为例，其从首次应用到临床，至现在已经过去了15年，但截至目前还没有真正大规模地应用到临床上。

对此，智冉医疗联合创始人兼CEO宋麒博士在第三届红杉全球医疗健康产业峰会上表示，从试验到临床主要有两个问题：一是目前脑机接口大概一百个通道左右，能够转换的信息相对有限；二是现在临床上使用的刚性电极生物力学性能跟大脑组织有比较大的差异，不仅在植入过程中容易对大脑产生损伤，而且刚性材料植入以后会和大脑软组织发生相对的运动，容易引起大脑组织免疫炎症反应，使得植入以后电极在几个月甚至在几周以后会失效，很大程度上限制了目前脑机接口的应用。

“整个脑机接口系统是一个复杂的体系，除了柔性电极负责信号的采集和信号调控以外，我们在信号处理、信号解码，包括外部设计，都需要进行相应的研发工作。”宋麒表示。

段峰也表示，科研成果到产业的转化也并不容易，其中一大难题在于多学科融合。

埃隆·马斯克曾表示脑机接口试验的最大难点在于工程学，但段峰认为不止于此。

“脑机接口之难不在于单一学科，而是一个综合学科——有医学、材料学，也有通信学、智能处理，甚至于发展到一定阶段，心理学、行为学、伦理学也很重要。”段峰说，脑机接口非常综合，未来将掀起产业界颠覆的峰值，可能远比ChatGPT还要火，但也更难实现。

罗玺则指出，脑机接口的产业化有两大关键，一是要加大基础科学的研究，对于脑的功能有更深入的认知，二是加速学术成果向产业界的转化，比如提高学术研究专利向产业转化比例。

对此，段峰规划出了创新链和产业链双循环战略，即由实验室引进、吸收前沿技术，与企业合作孵化先进成果，把科研成果转变成产品，通过国产替代降低产品价格。产品从三甲医院下沉，辐射到基层医院或社区卫生所，实现普惠后，可以得到大量临床数据，反过来可以帮助科研团队研发更加前沿的技术 ，助力学校加强学科建设，培养专业的人员团队继续为产业储备新的科研成果。

产研双链驱动 图片来源：段峰团队供图

“有时候技术是技术，产品是产品。一个很大的问题是怎么利用技术解决一批用户的痛点，只有定位清晰、战略准确，才能真正让企业存活下来。而在这个过程中，资金也好，人员团队也好，包括市场的孵化，产品取证等，也是综合的事情。”段峰表示，由于脑机接口的研发投入非常大，大多数企业很难获得风投，未来还需要政府引导资金介入。

何熙昱锦也承认，所有的软硬件、算法开发需要大量的资金投入。虽然脑机接口技术引起全球关注，但真正下决心并全力投入研发的公司并不多。

5月6日，中甬投创始合伙人、简约商业思维主理人朱天博接受《每日经济新闻》记者采访时表示，对于脑机接口这类硬科技投资，种子和天使基金周期约为7~10年，能接纳的最长时间也不会超过12年。因此投资者多会优先选择有明确商业应用场景、技术相对成熟、代表未来主流技术方向的项目。分阶段看，脑机接口系统中的信号采集、信号处理、计算机或其他设备、反馈环节的投资机会会依次顺延 ，并在不同的时点分别趋于成熟，直到实现To B或To C的商业应用。

据朱天博观察，目前很多脑机接口项目还处于实验室中，构造相对复杂和笨重。目前主要应用在医疗大健康和军工特种行业，规模小且成本高，商业价值体现或解决痛点问题的能力低，更多作为辅助解决方案出现，“从总体上来看，脑机接口是一项跨学科的技术，涉及神经科学、机器学习、生物医学工程和心理学等多个学科，能够在脑机接口领域真正看得懂、看得深、看得远，找得到值得投资的标的项目（的投资机构）还是比较少。”

记者| 林姿辰 李孟林

编辑| 易启江

视觉| 陈冠宇

视频| 韩阳

排版| 易启江

记者手记 | 我们“不是快速跟进，而要降维打击”

提到脑机接口，很多人会想到马斯克的Neuralink，以及在赛博朋克的城市里飞梭的机械增强人类。但与意识上传、记忆复制等科幻情节相比，国内外科研人员聚焦的是务实和具体的问题，比如如何帮助残疾人恢复运动和交流能力，让科技之光照进现实。

但遗憾的是，科技竞赛是一场没有硝烟的战争，“科学无国界”还面临种种阻碍。2018年，美国商务部发布的《出口管制改革法案》禁止包括脑机接口技术在内的14项技术对我国输出，一方面说明“科技自立自强”的前瞻性，另一方面印证了脑机接口技术的重要性。

如段峰教授所说，这次试验成功既是国产脑机接口万里长征的第一步，也是一个里程碑——我们“不是快速跟进，而要降维打击”。

但别喝彩得太早。目前，全球脑机接口技术正在起跑线上，这次我们赶上来了，未来能否实现超越？或许，这个问题的答案很大程度上取决于“产学研联动”这门课我们补得怎么样。

参考资料：

[1]23只猴子参与实验15只死亡，#马斯克脑机接口公司因动物实验被调查#。北京商报微博

[2]美砸巨资打造“超级士兵” 提升控制思想的能力。科技日报

[3]脑机接口标准化白皮书（2021 版）。中国电子技术标准化研究院

[4]中国推出首台“纯意念控制”机器人。人民网

[5]“所想即所见”，解码大脑信号再现视觉图像。科技日报

[6]脑机接口标准化白皮书（2021 版）。中国电子技术标准化研究院

[7]陈天桥在“首富焦虑症”中特立独行，变身投资人再赚500亿或为自我救赎。长江商报

每日经济新闻

脑机接口，到底有多远？

本文作者：希瑟，头图来自：电影《X-men》剧照截图

硅谷钢铁侠Elon Musk成立的Neuralink，自2016年走入大众视野以来，一直是热门话题。近期，Neuralink的创始人Elon Musk又有了新的动作。

7月20日，Elon在Twitter上被计算机科学家奥斯汀·霍华德（Austin Howard）问道：Neuralink技术，可以实现直接从芯片听音乐吗？这位硅谷钢铁侠回答：是的！

这一回答，让很多对脑机接口不是很了解的人瞬间脑补了很多画面。科幻电影中的画面历历在目，在1999年上映的《黑客帝国》电影中，“矩阵”通过侵入式脑机接口和大脑神经连接，人类感受到视觉、听觉、嗅觉、味觉等讯号，以此囚禁人类的心灵。

在《X-men》中，X教授通过“脑波强化机”能够将脑电波放大，与任何人实现连接。在《阿凡达》电影中，主角通过EEG和EMG结合，能够控制纳威人的身体，在潘多拉星球上行动。

Neuralink告诉大家，2020年底或将进行人体实验，让群众感到脑机接口离我们的生活已经很接近了。

那么，在现阶段，脑机接口究竟靠不靠谱，它进展到什么阶段了，还面临哪些挑战？通过这篇文章，我们就来聊聊脑机接口很多你所不了解的事情。

脑机接口的基本原理

首先，有必要先介绍一下，什么是脑机接口？

所谓脑机接口（Brain-Computer Interface, BCI），即在人或动物脑（或者脑细胞的培养物）与外部设备间建立的直接连接通路。其中，“脑”意指有机生命形式的脑或神经系统，“机”意指任何处理或计算的设备，其形式可以从简单电路到硅芯片到外部设备和轮椅，“接口” = “用于信息交换的中介物”。因此，“脑机接口”的定义=“脑”+“机“+”接口”。

脑机接口基本的实现步骤可以分为四步：采集信号（Singal Acquisition）—信息解码处理（Feature Extraction）—再编码（Freature Translation）—反馈（Feedback）。接下来，我们按照这个流程给大家逐一讲解各个流程的详细细节，以便后续理解脑机接口目前面临的困难究竟在哪。

1. 采集信号（Singal Acquisition）

在讨论脑机接口如何做信息采集之前，我们需要了解一下人脑的构造。

如果将人脑做一个解剖面，从内到外依次是：头皮（Scalp）、头盖骨（Cranium）、脑硬膜（Dura mater）、蛛网膜（Arachnoid）、软脑膜（Pia mater）、大脑皮层（Cerebral Cotex）。

基于脑机接口对信号采集的形式，可分为三种：

侵入式 （Invasive BCI），即通过开颅手术等方式，向脑组织内植入传感器以获取信号的设备。其缺点是容易引发免疫反应和愈伤组织，进而导致信号质量的衰退甚至消失。Elon Musk的Neuralink采用的就是这种方式。

半侵入式 （Partially invasive BCI），即安置在大脑皮层表面接受信号的设备，接口一般植入到颅腔内，但是位于灰质外，其空间分辨率不如侵入式脑机接口，但是优于非侵入式。优点是引发免疫反应和愈伤组织的几率较小，主要基于皮层脑电图（ECoG）进行信息分析。

非侵入式 （Non-invasive BCI），不进入大脑，即在头骨外检测信号的设备。这种形式像帽子一样方便佩戴。但是，由于颅骨对信号的衰减作用和对神经元发生的电磁波的分散和模糊效应，记录到信号的分辨率并不高，很难确定发出信号的脑区或者相关的单个神经元的放电。典型的系统有脑电图（EGG），脑电图的优点是其良好的时间分辨率、易用性、便携性和相对低廉的价格。 然而，脑电图技术的一个核心问题是它对噪声的敏感性较差。 此外，使用EEG作为脑机接口，需要用户在使用之前进行大量的训练，才能更好地操作非侵入式脑机接口。

侵入程度越高，获得的信号质量和强度就越高，风险也更高。按照信号质量来排列：侵入式>半侵入式>非侵入式。按风险来排列：侵入式>半侵入式>非侵入式。

2. 信息解码处理（Feature Extraction）

收集好了足够多的信息后，就要进行信号的解码和再编码以处理干扰。脑电信号采集过程中的干扰有很多，如工频干扰、眼动伪迹、环境中的其他电磁干扰等。

分析模型是信息解码环节的关键，根据采集方式的不同，一般会有脑电图（EGG），皮层脑电图（ECoG）等模型可以协助分析。

信号处理、分析及特征提取的方法包括去噪滤波、P300信号分析、小波分析+奇异值分解等。

3. 再编码（Freature Translation）

将分析后的信息进行编码，如何编码取决于希望做成的事情。比如控制机械臂拿起咖啡杯给自己喝咖啡，就需要编码成机械臂的运动信号，在复杂三维环境中准确控制物体的移动轨迹及力量控制都非常的复杂。

但编码形式也可以多种多样，这也是脑机接口可以几乎和任何工科学科去结合的原因。最复杂的情况包括输出到其他生物体上，比如小白鼠身上，控制它的行为方式。

4. 反馈（Feedback）

获得环境反馈信息后再作用于大脑也非常复杂。 人类通过感知能力感受环境并且传递给大脑进行反馈，感知包括视觉、触觉、听觉。

脑机接口实现这一步其实是非常复杂的，包括多模态感知的混合解析也是难点，因为反馈给大脑的过程可能不兼容。

Neuralink在技术上有哪些创新

我们可以先来看看走在领先水平的Neuralink的技术情况，来一窥目前的发展。

2003年Carmena写的论文是侵入式脑机接口领域的核心论文，这篇论文奠定了这个领域的基础。我们来对比2003年提出的“经典”方法，和Neuralink官网上以Elon Musk为第一作者的论文上提到的Neuralink的侵入式脑机接口技术，发现Neuralink的改进核心主要在三个方面：

使用纫针（Thread）代替电极：纫针尺寸更小、数量更多、对大脑造成的损伤更小，从而可以提取出信噪比更加，信号源更多的信号。

使用电极安装机器人（Robotic electrode inserter）进行电极安装，效率更高

使用专用芯片（ASIC）对信号进行预处理 ，提取出信号的feature

1. 纫针（Thread）

所谓纫针（Thread），是采用多种具有生物相容性的薄膜材料制造的微笑位移神经探针。这种材料相较于以往用的刚性金属或这半导体制程的电极阵列的生物相容性更高，不容易引起因为杨氏模量和弯曲刚度不匹配而造成的免疫反应。

目前，Neuralink构建了小而灵活的电极“纫针”阵列，每个阵列多达96个纫针分布了多达3,072个电极。

2. 机器人（Robot）

由于制作这种纫针的薄膜材料很薄，硬度不够，不容易植入大脑， 因此Neuralink开发了机器人技术来做植入手术。

该机器人每分钟可以插入六根纫针（192个电极）。每条纫针都可以以微米级的精度单独插入大脑中，以避免表面脉管系统并针对特定的大脑区域。电极阵列被封装在一个小的可植入设备中，该设备包含用于低功耗车载放大和数字化的定制芯片：用于3072个通道的封装所占面积小于（23×18.5×2）mm3。

下图显示了用这种机器人把电极插入琼脂“果冻”的过程。

3. 电子芯片（Electronics）

用数千个电极位置的长期记录大脑信号，向电子设备和封装提出了极大的挑战。

高密度的记录通道要求信号放大和数模转换必须集成在阵列组件中。而且这个集成的组件必须能放大微弱的神经信号（，同时抑制噪声。在最小的功耗和尺寸下，对放大的信号进行采样和数字化，并实时处理这些信号。

Neuralink的专用集成电路（ASIC）可以达到上面的要求。该集成电路由三个部分组成：256个独立可编程放大器（Neuralink把它叫做Analog Pixel）、片上模数转换器（ADC）、用于序列化数字化输出的外围控制电路。

这一定制芯片可主力整个脑机接口更好地读取、清理和放大大脑信号。

虽然Neuralink在技术上取得了一定的优化和突破，但是无论是2003年提出的方案还是当今的Neuralink，都依赖于“脑->机”和“机->脑”的反馈闭环。也就是说，本质是解决解决以下两个问题：

如何从大脑中获取正确的信息？

如何将正确的信息发送到大脑？

第一个是“从脑到机”，捕获大脑的输出——记录神经元所说的话。

第二个是“从机到脑”，将信息输入大脑或以其他方式改变大脑的自然流—这是刺激神经元。

仔细分析这个闭环，仍有大量的问题没有得到解决。

脑机接口目前所面临的瓶颈

1. 基于理论的从机到脑的反馈研究处于一片黑暗

现有脑机接口技术仅仅是初步解决“脑->机”方向的输出和控制问题，但控制的效率和准确率很低。这是因为基础原理的限制，需要从根本上重构现有脑机接口技术，否则这项技术的潜力很难快速挖掘出来。

相比于“脑->机”方向的问题，“机->脑”方面要面对的问题难度要更大，几乎是没什么头绪，一片漆黑仅有寥寥灯火。

“脑->机”什么意思？也就是将感知反向编码成能被大脑读懂的信号。 举个例子，能否把你摸小猫时的触感或是你的一段想象记录并通过机器反向重现给你，帮失明者重建视觉也是个好理解的想象。

“机->脑”的研究相“脑->机”要缓慢许多，原因就是目前神经科学对于神经编码的具体方式还处于未知状态。而由机->脑对神经编码知识的需求要远大于“脑->机”。神经科学在单神经元的研究也算是逐渐明朗了，但大脑各种神奇之处根本无法解释。

2. 受脑机接口的摩尔定律限制

研究表明，脑机接口遵循摩尔定律：

根据上图表，以平均7.4年才能使可同时记录的神经元数量翻倍的速度计算，要达到同时记录100万个神经元需要等到2100年，而要记录人脑中的所有神经元（50~100亿个），则要等到2225年。因此，脑机接口如何解决带宽问题成为了学术研究突破的又一关键问题。

3. 跨学科的复杂性

脑机接口是一门多学科交叉的研究领域，核心的学科涉及物理、机械、神经工程、电气工程、神经科学等，相对来说其实更偏工程实践的，多学科只是都是工程实现的理论基础。

目前脑机接口的发展，需要多个学科的共同发展来支撑，任何一个学科的落后都会影响到整体的发展进程。

譬如，物理学的发展提供理论知识支撑，从原理角度解释产品测试时出现的问题，从理论层面解决底层传感器原理的设计和应用问题等。神经工程，尤其是实验神经学、临床神经病学等，为脑机接口的大脑的作用原理提供理论支撑，并相应支持产品的设计。人工智能领域的发展提供对产品交互体验的提升，算法的优化提成整个脑机接口的处理效率和精度等。

4. 难以规模化和商业化

现有的侵入式脑机接口，如Neuralink，难以规模化生产。难以想象，让人动手术将电极或者其他探测传感器植入脑内直接接触神经元，并形成商业规模。综合成本考虑，非侵入式脑机接口是最容易实现商业化和规模化的细分领域。但是，非侵入式脑机接口的本质是大脑大量神经元放电的宏观形式，受限于电极尺寸和分布，以及佩戴/安装时候的不准确性，难以做到高精度。

5. 非技术类问题

除了上述所谈论的理论和技术层面的问题，Neuralink或者整个脑机接口领域想要往前迈一大步的话，还需要面临安全问题、人性问题、伦理问题、审查问题等。因此，脑机接口真正意义上走进生活，这一条路，还有很长。

参考资料：

Learning to control a brain-machine interface for reaching and grasping by primates. PLoS biology,1(2),e42.

An integrated brain-machine interface platform with thousands of channels. BioRxiv 703801

《中美首份8000字长文解析全球热点脑机接口》

‍本文来自：BusTech商业科技

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