“腦機(jī)接口像是手機(jī)大腦專屬的‘智能手機(jī)’。”近日，技術(shù)接口腦機(jī)接口企業(yè)上海腦虎科技有限公司（簡稱“腦虎科技”）創(chuàng)始人兼首席科學(xué)家、前瞻中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員陶虎向澎湃科技表示，腦機(jī)它不僅會(huì)幫助人們加深對(duì)大腦和智能的手機(jī)認(rèn)識(shí)，對(duì)腦部疾病進(jìn)行診斷和干預(yù)，技術(shù)接口更會(huì)幫助人們實(shí)現(xiàn)“腦控”外部設(shè)備，前瞻而不只是腦機(jī)遙控。
不妨?xí)诚胍幌拢謾C(jī)十年后的技術(shù)接口人們，用什么方式操控電腦、前瞻汽車以及工廠里的腦機(jī)設(shè)備？
腦機(jī)接口（BCI）是大腦與外部機(jī)械設(shè)備進(jìn)行信息傳遞、交互的手機(jī)橋梁和工具。它把大腦產(chǎn)生的技術(shù)接口意圖相關(guān)信號(hào)經(jīng)過采集、編碼后，前瞻發(fā)射給外部設(shè)備進(jìn)行執(zhí)行并反饋。“接口”的英文是interface，也被翻譯成“界面”。
在未來，腦機(jī)接口會(huì)像手機(jī)一樣人手一個(gè)嗎？
“我們認(rèn)為腦機(jī)接口會(huì)成為每個(gè)人都會(huì)使用的類消費(fèi)電子產(chǎn)品，將會(huì)像手機(jī)一樣一代代快速迭代。”腦機(jī)接口企業(yè)上海階梯醫(yī)療科技有限公司（簡稱：階梯醫(yī)療）相關(guān)負(fù)責(zé)人表示。
不難想象，“腦控”帶來的快捷和便利，將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越基本的醫(yī)療價(jià)值，最終如“舊時(shí)王謝堂前燕，飛入尋常百姓家”。
核心部件——電極
腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展歷程，已走過了整整一個(gè)世紀(jì)。
它類似于功能強(qiáng)大的“電臺(tái)廣播+指揮”系統(tǒng)，或是先進(jìn)的移動(dòng)通信系統(tǒng)。它在大腦內(nèi)部或周邊構(gòu)建起靈敏的信號(hào)采集網(wǎng)絡(luò)，如同搭建起雷達(dá)系統(tǒng)、信號(hào)塔和基站，將收集到的腦電波等信號(hào)廣播出去，進(jìn)而指揮外部設(shè)備運(yùn)行。
為了確保信號(hào)高效“廣播”，腦機(jī)接口系統(tǒng)會(huì)將腦電波信號(hào)數(shù)字化、編碼處理，就像加密一樣，而終端設(shè)備“收聽”到這些被處理過的信號(hào)后，進(jìn)行解碼、還原并執(zhí)行相應(yīng)指令，再將執(zhí)行結(jié)果反饋回來。如此往復(fù)，形成閉環(huán)，進(jìn)行溝通、交互。
腦機(jī)接口系統(tǒng)的信號(hào)源于大腦。所以，人類首先要能夠探測到大腦的信號(hào)。1924年，德國科學(xué)家、精神病學(xué)家漢斯·伯格（Hans Berger）發(fā)現(xiàn)，人類大腦會(huì)產(chǎn)生電流，并且可以通過在頭皮上放置電極來測量。這一歷史性突破，標(biāo)志著腦電圖（EEG）技術(shù)的誕生，人類首次成功記錄下大腦的電活動(dòng)。
高通量神經(jīng)信號(hào)采集分析系統(tǒng)
不過，“腦機(jī)接口”（BCI）這一概念，直到1973年才被正式提出。美國加州大學(xué)洛杉磯分校的計(jì)算機(jī)科學(xué)家雅克·維達(dá)爾(Jacques J. Vidal)教授，用這個(gè)詞來描述了一種能將腦電信號(hào)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)控制信號(hào)的系統(tǒng)。
在腦機(jī)接口系統(tǒng)中，電極無疑是核心部件之一。這些由導(dǎo)體材料制成的觸點(diǎn)或探針，就像一個(gè)個(gè)超級(jí)靈敏的“小耳朵”，緊貼腦組織或皮膚表面，負(fù)責(zé)收集大腦神經(jīng)元發(fā)出的信號(hào)。依據(jù)外科手術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，按照是否需要手術(shù)以及電極所處位置的差異，常見的腦機(jī)接口系統(tǒng)可分為侵入式（又稱植入式）、半侵入式和非侵入式三類。
侵入式腦機(jī)接口的電極會(huì)被植入使用者的大腦皮層中，與大腦神經(jīng)元直接接觸；半侵入式的電極被置于顱腔中，但位于大腦皮質(zhì)外的區(qū)域；非侵入式的電極不進(jìn)入顱腔，而是貼附在使用者的頭部皮膚上。
從接受程度來看，更多人傾向于選擇非侵入式腦機(jī)接口，它使用起來就像戴帽子，將帶有多個(gè)電極的帽子或頭套戴上即可。對(duì)此，陶虎解釋道：“我們知道，電極離大腦越近，采集到的信號(hào)精準(zhǔn)度就越高，無論是空間分辨率還是時(shí)間分辨率都會(huì)更出色。但同時(shí)，植入物對(duì)大腦造成損害的風(fēng)險(xiǎn)也越大。所以，具體選擇哪種腦機(jī)接口，完全取決于實(shí)際應(yīng)用場景。”
腦虎科技公司展示的128通道柔性電極。
目前，侵入式腦機(jī)接口系統(tǒng)、半侵入式腦機(jī)接口技術(shù)主要用于臨床診療和科研領(lǐng)域，而非侵入式腦機(jī)接口系統(tǒng)主要應(yīng)用于智能健康和教育等消費(fèi)場景。
上海市醫(yī)療器械檢驗(yàn)系統(tǒng)相關(guān)負(fù)責(zé)人向澎湃科技表示，對(duì)腦機(jī)接口系統(tǒng)來說，“顱內(nèi)大腦皮層組織內(nèi)采集腦電信號(hào)，像是聽一個(gè)人或一群人在說話。硬膜外采集信號(hào)像是隔著玻璃聽房間里面有一群人在說話；而在顱外采集信號(hào)，像是隔著一堵墻聽一群人說話。”
一套典型的腦機(jī)接口什么樣？
階梯醫(yī)療相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，植入式腦機(jī)接口是個(gè)復(fù)雜且精密的系統(tǒng)，它需要高通量超柔性且長期穩(wěn)定的神經(jīng)電極、小尺寸的植入式腦部信號(hào)精準(zhǔn)采集系統(tǒng)、高魯棒性和高準(zhǔn)確率的腦電信號(hào)在線解碼算法、高拓展性且低延時(shí)的智能人機(jī)交互軟件；此外，高效且植入創(chuàng)傷小的手術(shù)術(shù)式也是不可或缺的。
除了電極位置的差異，電極質(zhì)地也成為不同公司腦機(jī)接口系統(tǒng)的區(qū)分點(diǎn)。
階梯醫(yī)療相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，傳統(tǒng)猶他陣列電極是硬質(zhì)電極，容易誘發(fā)排異反應(yīng)，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模長期穩(wěn)定記錄。而該公司研發(fā)的超柔性電極尺寸僅為細(xì)胞級(jí)別——相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的1/100，是美國Neuralink公司電極尺寸的1/5；超柔電極的柔軟程度，即彎曲應(yīng)力，僅為細(xì)胞間作用力的量級(jí)，優(yōu)于Neuralink公司相關(guān)電極參數(shù)達(dá)數(shù)百倍，使得腦組織幾乎“察覺不到”電極的存在。階梯醫(yī)療率先打造出無免疫瘢痕的神經(jīng)電極界面，保障了長期穩(wěn)定的神經(jīng)活動(dòng)記錄。
腦虎科技256導(dǎo)半植入式柔性腦機(jī)接口產(chǎn)品。
在腦虎科技公司的展臺(tái)上，澎湃科技看到一張張金色的柔軟的、窄長條的薄片，上面還帶有一個(gè)個(gè)小的突起，這就是黃金制作的、用在相關(guān)腦機(jī)接口系統(tǒng)中的、被置于人體大腦硬膜下的電極。
陶虎介紹，對(duì)于神經(jīng)外科醫(yī)生而言，打開和縫合硬膜是神經(jīng)外科的常規(guī)操作，在腦部腫瘤病灶切除等手術(shù)中經(jīng)常會(huì)用到。
2024年8月，腦虎科技公司聯(lián)合上海華山醫(yī)院神經(jīng)外科毛穎/陳亮教授團(tuán)隊(duì)完成意念合成運(yùn)動(dòng)臨床試驗(yàn)。受試者是21歲運(yùn)動(dòng)區(qū)占位的癲癇患者，通過手術(shù)植入256導(dǎo)高通量柔性腦機(jī)接口監(jiān)測病灶并保護(hù)與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的重要腦功能區(qū)。經(jīng)過兩周的訓(xùn)練，受試者可以“腦控”方式熟練使用微信等常用APP，實(shí)現(xiàn)智能家居設(shè)備和智能輪椅的“腦控”。
重要步驟——解碼
“收聽”到大腦信號(hào)后，腦機(jī)接口系統(tǒng)如何解碼這些信號(hào)，讀懂大腦意圖呢？
階梯醫(yī)療的相關(guān)負(fù)責(zé)人以“腦控”電腦屏幕上的光標(biāo)為例進(jìn)行說明：首先，將柔性電極植入大腦運(yùn)動(dòng)皮層，然后引導(dǎo)患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)想象訓(xùn)練，讓患者在腦海中模擬高精度操作、控制外部設(shè)備的過程，與此同時(shí)，精準(zhǔn)采集大腦相關(guān)腦區(qū)神經(jīng)元的電信號(hào)。
在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，接下來，進(jìn)入腦控預(yù)測算法環(huán)節(jié)，信號(hào)處理單元會(huì)從大腦神經(jīng)元活動(dòng)里提取關(guān)鍵特征。通過模式識(shí)別，把這些特征與患者想象的任務(wù)對(duì)應(yīng)起來，輸出相應(yīng)結(jié)果。這樣，就構(gòu)建起來一個(gè)預(yù)測網(wǎng)絡(luò)模型。它可以把多維輸入向量轉(zhuǎn)換為控制光標(biāo)的向量，即電腦屏幕上光標(biāo)移動(dòng)的速度向量和點(diǎn)擊狀態(tài)。
最終，在腦機(jī)接口的工作過程中，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)采集的腦電信號(hào)，預(yù)測光標(biāo)移動(dòng)和點(diǎn)擊的參數(shù)，并轉(zhuǎn)化為指令發(fā)送給電腦，實(shí)現(xiàn)對(duì)電腦這一外部設(shè)備的控制與交互。
美國企業(yè)家埃隆·馬斯克參與創(chuàng)辦的腦機(jī)接口公司Neuralink公司采用侵入式腦機(jī)接口系統(tǒng)。2024年1月28日，該公司實(shí)施了人類首例腦機(jī)接口植入手術(shù)。截至目前，已有三名癱瘓男性患者參與臨床試驗(yàn)，他們分別是諾蘭 (Noland)、亞歷克斯 (Alex) 和布拉德 (Brad) 。術(shù)后，他們借助“腦控”技術(shù)，重新獲得“數(shù)字自主權(quán)”，能夠自如地移動(dòng)電腦光標(biāo)、玩游戲，甚至使用電腦程序進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。他們大腦中的植入物——N1，通過分布在64條柔性導(dǎo)線上的1024個(gè)電極記錄神經(jīng)活動(dòng)，被稱為1024通道。每根導(dǎo)線都比頭發(fā)絲還細(xì)。Neuralink公司還專門制造了手術(shù)機(jī)器人——R1，它能夠精準(zhǔn)高效地將導(dǎo)線插入患者大腦皮層，確保電極位于特定神經(jīng)元附近。
未來
前述醫(yī)療器械檢驗(yàn)系統(tǒng)相關(guān)負(fù)責(zé)人向澎湃科技表示，腦機(jī)接口醫(yī)療器械的術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)，正在征求意見中。治療癲癇的閉環(huán)腦機(jī)接口的標(biāo)準(zhǔn)，也在同步申報(bào)國家標(biāo)準(zhǔn)。
談及腦機(jī)接口的未來發(fā)展，階梯醫(yī)療的相關(guān)負(fù)責(zé)人向澎湃科技展望：從醫(yī)療器械的維度，腦機(jī)接口會(huì)發(fā)展成一種平臺(tái)型的技術(shù)，基于電極技術(shù)、植入體、手術(shù)術(shù)式等底層根技術(shù)的組合，可以開發(fā)出一系列針對(duì)不同病癥的產(chǎn)品，從輔助腦控運(yùn)動(dòng)，到深部腦刺激，再逐步拓展到脊柱/外周神經(jīng)刺激調(diào)控、視聽覺重建等更廣泛的領(lǐng)域，形成一套完整的腦機(jī)接口電子處方解決方案。
該負(fù)責(zé)人還補(bǔ)充道：“我們相信，腦機(jī)接口將與大模型、具身智能機(jī)器人等人工智能技術(shù)深度融合。從更長遠(yuǎn)的視角看，侵入式腦機(jī)接口有望成為連接人腦智能與人工智能的橋梁，實(shí)現(xiàn)人工智能為人腦賦能、人腦直接控制人工智能，推動(dòng)人類與人工智能共生共存。”
目前，AI（人工智能）技術(shù)正在為提高腦機(jī)接口的準(zhǔn)確性助力。
倫敦大學(xué)學(xué)院的研究人員于2025年2月在國際學(xué)術(shù)期刊《神經(jīng)電子學(xué)》上發(fā)表論文指出，腦機(jī)接口面臨著一個(gè)重要挑戰(zhàn)：許多用戶難以獲得可靠的準(zhǔn)確度，70%的準(zhǔn)確度是有效使用腦機(jī)接口的關(guān)鍵門檻。由于每個(gè)人的大腦活動(dòng)模式的獨(dú)特性，標(biāo)準(zhǔn)模型往往無法捕捉其復(fù)雜性，導(dǎo)致約40%的用戶難以達(dá)到這一準(zhǔn)確度，這對(duì)于肌萎縮側(cè)索硬化癥 (ALS) 等運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元疾病患者來說，問題更為嚴(yán)峻。為此，研究人員開發(fā)了一種新型人工智能模型——圖形注意力網(wǎng)絡(luò) (GAT) 專門神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過適應(yīng)每個(gè)用戶獨(dú)特的大腦思考模式，該模型在性能上超越了傳統(tǒng)的深度學(xué)習(xí)方法，讓ALS患者能夠更輕松地通過腦機(jī)接口控制外部設(shè)備。
此外，另一種腦機(jī)接口——腦脊接口，正在引發(fā)人們的關(guān)注。
2025年3月3日20點(diǎn)，復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院成功實(shí)施了全球首批第4例通過腦脊接口讓癱瘓者重新行走的臨床概念驗(yàn)證手術(shù)。這一成果源于復(fù)旦大學(xué)類腦智能科學(xué)與技術(shù)研究院加福民團(tuán)隊(duì)全球首創(chuàng)的“三合一”腦脊接口技術(shù)。此前，該團(tuán)隊(duì)已聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院完成全球首批3例臨床概念驗(yàn)證手術(shù)，幫助嚴(yán)重脊髓損傷患者在兩周內(nèi)實(shí)現(xiàn)自主控腿、邁步行走。
陶虎展望道：“如果我們把目光放得更長遠(yuǎn)，腦機(jī)接口或許能突破人類手腳的生理局限，借助更強(qiáng)大的執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)更多可能。腦脊接口旨在幫助病人恢復(fù)健康，回歸正常生活；而腦機(jī)接口結(jié)合其他技術(shù)，有可能讓普通人擁有超越常人的能力。”
陶虎還提到，目前整個(gè)腦機(jī)接口市場尚未出現(xiàn)一款真正意義上的爆款產(chǎn)品，未能充分展現(xiàn)腦機(jī)接口的必要性、獨(dú)特性和超越性。“不過，我們已經(jīng)看到了新的機(jī)遇。在過去，對(duì)于漸凍癥、失語癥、重度截癱等重大疾病，藥物治療和手術(shù)治療效果有限。但腦機(jī)接口為這些‘絕癥’提供了新的解決方案。我預(yù)計(jì)，未來3 - 5年內(nèi)，腦機(jī)接口將在重大腦部疾病的診治領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。”
腦機(jī)接口還有哪些技術(shù)挑戰(zhàn)？(03:31)
