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隨著近日馬斯克投資的腦機接口初創(chuàng)公司Neuralink成功讀取實驗豬的腦部數(shù)據(jù)，腦機接口技術再次大火了一把。這一次的實驗，動物種類從小白鼠升級到了小豬，傳輸上從USB連接線升級到無線。此外芯片還實現(xiàn)了微型化，傳輸過程中不發(fā)熱。

科幻大片中，幾根電極插入腦中就能讓人類進入計算機世界，只需要一個意念就能改變現(xiàn)實；知識不需要死記硬背，靠芯片植入大腦就能獲得無窮技能......這些電影大片描繪的科幻場景，現(xiàn)在看來，已經(jīng)是基于“腦機接口”的合理設想。

電影《黑客帝國》中，人類通過腦機接口與母體系統(tǒng)相連接

被控制的人腦沉浸在母體虛構的世界里，人腦在系統(tǒng)中也可以相互溝通

腦機接口技術其實已經(jīng)走過了半個世紀。早在1969年，德裔美國神經(jīng)學家埃伯哈德·費茲（Eberhard Fetz）訓練猴子利用思考活動觸發(fā)神經(jīng)元，啟動了連接神經(jīng)元的儀表盤，從而完成了第一個真正的腦機接口實驗。

1978年，生物學家William Dobelle將68個電極的陣列植入了一位男性盲人Jerry的視覺皮層，盲人隨后可以在有限的視野內(nèi)看到灰度調(diào)制的點陣圖像。

1978年，通過將68個電極植入盲人的視覺皮層，盲人可以看到灰度調(diào)制的點陣圖像

20世紀末和本世紀初是腦機接口技術的另一個發(fā)展高潮。

1998年，美國科學家將腦機接口植入患有腦干中風病人的腦中，該病人實現(xiàn)了對電腦光標的控制。時間來到了2014年，在巴西世界杯，身著機械戰(zhàn)甲的截肢殘疾者憑借腦機接口和機械外骨骼完成了首開球，聞名世界。其發(fā)明者是法國科學院院士米格爾·尼科萊利斯。

2014年巴西世界杯，利用腦機接口技術，高位截癱的患者完成了首發(fā)球

讀到這里，大家仿佛發(fā)現(xiàn)，不管是腦機接口的最初構想，還是隨后的技術發(fā)展，鮮有中國科學家的足跡。但其實，中國的腦機接口技術雖然起步較晚，但21世紀以來發(fā)展可謂是突飛猛進。浙江大學的侵入式腦機接口技術和孵化于上海交通大學的念通智能都已經(jīng)取得了令人矚目的成果。

在介紹中國的腦機接口技術之前，我們先來簡單了解下腦機接口技術的分類。

腦機接口技術的三大分類

腦機接口的形式，可按照在大腦中的采集位置分為非侵入式（又稱非植入式）、半侵入式和侵入式（又稱植入式）三種。人的大腦從內(nèi)到外依次是頭皮、頭蓋骨、腦硬膜、蛛網(wǎng)膜和大腦皮層。非侵入式模式（EEG）僅作用于頭皮；而半侵入式（Partially invasive BCI）則將設備植入頭皮和大腦皮層之間；侵入式（Invasive BCI）則完全植入大腦皮層。

非侵入式僅作用于頭皮，而侵入式則完全植入大腦皮層

因此，我們很容易能了解到，侵入式危險性高，因為必須通過開顱手術等方式向腦組織內(nèi)植入傳感器，容易引發(fā)機體免疫反應。此外，愈合組織（可簡單想象為痂）也會影響信號傳輸。

從接受度來講，侵入式因必須進行開顱手術，讓人望而卻步，不易被接受。相較而言，非侵入式并不進入大腦，僅在頭骨外檢測信號，像帽子一樣，因而具備易用性、便攜性，價格相對也較低。

馬斯克近日發(fā)布的在豬身上進行的腦機接口實驗，就是個侵入式的腦機接口案例。之所以引起廣泛的關注，是因為該實驗不僅能從豬腦中獲得清晰的信號，而且實驗中通過腦電波圖像顯示植入腦機接口的豬依舊十分“快樂”，證明此技術對豬大腦功能本身幾乎沒有產(chǎn)生不良影響。

但是，從技術的角度上并不存在“侵入式比非侵入式高級”這種說法。侵入式因為少了顱骨的阻擋，比較容易精確地讀取信號。但后期可能因為免疫反應或者愈合組織影響信號傳播，可能對人體健康造成危害。非侵入式則因為顱骨的阻擋需要在信號的讀取和傳播上下很大功夫。因此，二者各有難處，都有許多公司在進行研究。

浙江大學：侵入式接口癱瘓者精準控制機械手臂

當對國外腦機接口技術嘖嘖稱奇之時，大家不要忘記中國的腦機接口技術也在蓬勃發(fā)展。2020年初，浙江大學完成了國內(nèi)首例植入式腦機接口臨床轉化研究，患者可以利用大腦皮層信號精準控制外部機械臂與機械手，實現(xiàn)三維空間的運動，因此屬于侵入式的范疇。

72歲的實驗患者此前因車禍造成四肢完全癱瘓，而現(xiàn)在借助腦機接口的設備，可以利用“意念”完成吃、喝等動作。患者對準一個放著油條的杯子，用“意念”讓機械手張開手指、握住杯子，再取回杯子。

雖然挪動的過程并不順暢，時而偏左或偏右，患者必須“使勁”想著“往左”或者“往右”來調(diào)整機械臂的方向。但對于高位截癱的患者，能夠利用腦機接口技術實現(xiàn)部分獨立性也是難能可貴。

患者頭上的為侵入式腦機接口，該設備幫助全癱瘓的病人實現(xiàn)部分自理能力

其實早在2012年，浙大團隊就已經(jīng)在猴子腦中進行過腦機接口的實驗。研究員在猴子腦中植入微電極陣列，運用計算機破解了猴子大腦中關于抓、勾、握、捏四種手勢的神經(jīng)信號。

而2014年，浙大團隊又在人腦內(nèi)植入皮層腦電微電極，通過腦內(nèi)活動完成“石頭、剪刀、布”的手指動作。從猴子大腦到人類大腦，對信號的解碼、編碼、運算方式及效率都提出了挑戰(zhàn)。再加上人的大腦受環(huán)境影響更大，計算機處理信號的復雜程度也大大增加。

2012年在猴子身上進行的實驗，相當于在患者大腦皮層表面“蓋”上一塊電極片，電極本身并未插入大腦皮層內(nèi)部，因而屬于半侵入式。但今年年初對張先生進行的實驗，是將微電極陣列直接插入大腦運動皮層里面，屬于植入式操作，可以檢測到單個神經(jīng)元細胞放電狀況，因而獲取的信號更為直接、穩(wěn)定。

上海交通大學：非侵入式接口助力外骨骼康復

孵化于上海交通大學的念通智能致力于為腦卒中患者、截肢患者等肢體功能障礙用戶提供康復產(chǎn)品和技術方案。2019年6月，念通智能研發(fā)的eCon-Hand腦控外骨骼康復系統(tǒng)進入臨床測試階段。該系統(tǒng)包括腦電帽以及外骨骼康復手。

2019世界機器人大會在北京舉行，念通智能攜旗下腦控外骨骼康復系統(tǒng)參展

（圖片由企業(yè)提供）

腦電帽專門為驅動中風患者的運動功能而設計，采集的腦電波信號主要來自患者的運動體感區(qū)，從而促進患者的上肢運動。而外骨骼康復手主要用于輔助中風患者進行手部的康復訓練。

腦電帽和外骨骼康復手是如何協(xié)同幫助患者進行康復訓練的呢？患者利用自主意識，在大腦產(chǎn)生運動想法，而腦電帽會檢測到患者的“意念”。當腦電帽從收到的信號中檢測出患者的運動意圖時，患者手掌佩戴的康復器就會輔助患者進行指關節(jié)運動，從而實現(xiàn)腦手聯(lián)動。

腦磁圖中，患者運動意圖信號示意圖

依靠康復治療師對患者進行康復治療是一種被動治療，而以腦機接口技術為背景的康復治療，是一種主動的治療模式。醫(yī)師利用腦電帽采集患者的腦電波，以此解碼出患者的運動意圖，再借助外骨骼康復手輔助患者進行手部抓握訓練，整個過程由患者的自主意識控制。

總的來說，中國的腦機交互技術雖然發(fā)展較晚，21世紀才開始納入研究，但發(fā)展迅猛。目前，中國高校在腦機交互技術研發(fā)方面非常踴躍，浙江大學、天津大學、南方科技大學、上海交通大學、西安交通大學等高校皆有建樹；而國際范圍內(nèi)，新加坡科技研究局、美國斯坦福大學、韓國首爾大學、日本豐田汽車等是較為積極的研發(fā)機構。

腦機接口技術的未來前景

以2016年的數(shù)據(jù)為例，根據(jù)ThomsonInnovation專利數(shù)據(jù)庫，中國腦機接口方面的專利數(shù)量達到207，美國僅為60，韓國36，日本20。雖然專利數(shù)量上表現(xiàn)良好，但中國的腦機交互技術大多聚集在醫(yī)療領域，例如上文中提到的用于截癱治療等。而美國的腦機接口技術涉及的領域則更為多元，在人工智能、生物工程、材料科學等領域均有涉獵。

TOP5最受關注腦機接口公司都來自北美與歐洲（硅谷洞察制圖）

腦機接口最初設想是應用于軍事領域：士兵通過大腦直接控制武器，甚至遠程操縱戰(zhàn)斗機和無人機作戰(zhàn)。這將大大提高軍隊的戰(zhàn)斗力。但如今腦機接口在民用范圍的研究更加廣泛。醫(yī)療領域自不必說，在日常生活娛樂中，也可以取代傳統(tǒng)鼠標鍵盤和其他手控操作完成玩電腦、打游戲、看電視等操作，大大增加生活的趣味性。

但目前，腦機接口技術面臨嚴峻的商業(yè)化問題。難以想象侵入式接口這種需要通過手術將電極或其他探測傳感器植入大腦、直接接觸神經(jīng)元的方式能夠形成商業(yè)規(guī)模。非侵入式接口是商業(yè)化中進展較好的一類，但受限于佩戴時的不準確性，以及顱骨的信號阻礙作用，難以實現(xiàn)高精度。

此外，腦機接口技術非技術層面也仍然面臨很多障礙，如倫理問題、審查問題等。因此，想要腦機接口真正走入我們的日常生活中，這條路還很長。

（本文作者：Jiachang Pan；本文編輯：SV Insight）

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