右手戴上驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)手套，穩(wěn)穩(wěn)握住水杯，拿起、喝水、放下……截癱患者老楊實(shí)現(xiàn)了自主“腦控”喝水。今年1月，首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院和清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)宣布，他們成功進(jìn)行了無(wú)線微創(chuàng)腦機(jī)接口臨床試驗(yàn)，患者行為能力取得突破性進(jìn)展。
用腦電活動(dòng)控制動(dòng)作、通過(guò)微小電流讓腦細(xì)胞和計(jì)算機(jī)之間“互動(dòng)”……這些過(guò)去只出現(xiàn)在科幻小說(shuō)里的場(chǎng)景，正在腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用中逐步走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。腦機(jī)接口被稱(chēng)為人腦與外界溝通交流的“信息高速公路”，是新一代人機(jī)交互和人機(jī)混合智能的前沿技術(shù)，有望成為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、改善民生健康的未來(lái)產(chǎn)業(yè)。
通過(guò)記錄和解讀大腦信號(hào)，實(shí)現(xiàn)大腦與設(shè)備間的信息交換
截癱患者老楊今年50多歲，此前因車(chē)禍引起頸椎處脊髓完全性損傷，四肢癱瘓長(zhǎng)達(dá)14年。2023年10月，首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院趙國(guó)光教授團(tuán)隊(duì)、清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院洪波教授團(tuán)隊(duì)共同完成了無(wú)線微創(chuàng)腦機(jī)接口臨床試驗(yàn)。試驗(yàn)中，科研人員將2枚硬幣大小的腦機(jī)接口處理器植入老楊顱骨中，再通過(guò)采集顱內(nèi)神經(jīng)信號(hào)，使他利用腦電活動(dòng)驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)手套實(shí)現(xiàn)了自主“腦控”喝水。
據(jù)介紹，該系統(tǒng)采用無(wú)線微創(chuàng)設(shè)計(jì)，體內(nèi)機(jī)埋在患者顱骨內(nèi)，電極覆蓋在硬膜外（硬膜位于顱骨和大腦皮層之間，起到保護(hù)神經(jīng)組織作用），不損傷大腦細(xì)胞。使用時(shí)，體外機(jī)利用近場(chǎng)無(wú)線供電和信號(hào)傳輸技術(shù)，隔著頭皮給體內(nèi)機(jī)供電，并接收腦內(nèi)的神經(jīng)信號(hào)，傳送到電腦或者手機(jī)上，借助解碼算法實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口通信。
經(jīng)過(guò)數(shù)月的居家康復(fù)訓(xùn)練，老楊抓握準(zhǔn)確率超過(guò)90%，脊髓損傷的臨床評(píng)分和感覺(jué)誘發(fā)電位響應(yīng)也有了顯著改善。2023年12月，這套系統(tǒng)的第二例脊髓損傷患者植入手術(shù)在首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院成功進(jìn)行，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的康復(fù)訓(xùn)練，患者不但能夠抓握水瓶，還可控制電腦屏幕上的光標(biāo)移動(dòng)。
這兩項(xiàng)無(wú)線微創(chuàng)腦機(jī)接口臨床試驗(yàn)分別通過(guò)宣武醫(yī)院、天壇醫(yī)院的倫理審查，并進(jìn)行了國(guó)際和國(guó)內(nèi)植入醫(yī)療器械臨床試驗(yàn)注冊(cè)。首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院院長(zhǎng)趙國(guó)光說(shuō)：“醫(yī)工交叉融合推動(dòng)了腦機(jī)接口的創(chuàng)新發(fā)展，該技術(shù)在幫助脊髓損傷、癲癇等腦疾病患者康復(fù)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。”
腦機(jī)接口在人或動(dòng)物大腦與外部設(shè)備之間創(chuàng)建了通信和控制“通道”，它通過(guò)記錄和解讀大腦信號(hào)，實(shí)現(xiàn)大腦與設(shè)備間的信息交換。
觀眾在北京舉辦的世界機(jī)器人博覽會(huì)上體驗(yàn)人工智能多模態(tài)腦機(jī)接口平臺(tái)。陳曉根攝（人民視覺(jué)）
腦機(jī)接口又可分為輸出型和輸入型兩種。輸出型腦機(jī)接口主要由大腦向外部設(shè)備輸出通信或控制指令，在不依賴(lài)外周神經(jīng)或肌肉的條件下，把用戶(hù)的感知覺(jué)、表象、認(rèn)知和思維等直接轉(zhuǎn)化為動(dòng)作。這種腦機(jī)接口較為常見(jiàn)，老楊使用的就是這種類(lèi)型的腦機(jī)接口。
還有一類(lèi)是輸入型腦機(jī)接口。它主要由外部設(shè)備或機(jī)器繞過(guò)外周神經(jīng)或肌肉系統(tǒng)直接向大腦輸入電、磁、聲和光等刺激或神經(jīng)反饋，以調(diào)控中樞神經(jīng)活動(dòng)，目前已在治療聽(tīng)覺(jué)障礙方面得到應(yīng)用。
對(duì)于輸出型腦機(jī)接口來(lái)說(shuō)，如何獲取腦信號(hào)至關(guān)重要。作為腦機(jī)接口的關(guān)鍵采集器件，電極決定著所采集腦信號(hào)的質(zhì)量和最終的控制效果。目前在技術(shù)路徑上，腦機(jī)接口又分為侵入式（有創(chuàng)）和非侵入式（無(wú)創(chuàng)）兩大方向。
侵入式腦機(jī)接口是指通過(guò)開(kāi)顱手術(shù)的方式將能夠接收信號(hào)的電極植入腦中，這種技術(shù)需要把電極長(zhǎng)期放置在腦中。近年來(lái)，隨著微納加工技術(shù)和電極材料不斷發(fā)展，侵入式腦機(jī)接口向著柔性、小型化、高通量和集成化發(fā)展，但依然無(wú)法覆蓋全腦范圍。非侵入式腦機(jī)接口不會(huì)破壞人的身體和組織，只在頭皮表面采集極其細(xì)微的大腦信號(hào)。這類(lèi)腦機(jī)接口具有可動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)全腦信號(hào)、系統(tǒng)簡(jiǎn)單易操作、生物相容性和安全性好等特點(diǎn)，但獲取的腦電信號(hào)容易受到外界干擾，對(duì)信號(hào)感知處理技術(shù)要求高。
醫(yī)療健康領(lǐng)域是腦機(jī)接口最主要的應(yīng)用陣地。北京腦科學(xué)與類(lèi)腦研究所聯(lián)合所長(zhǎng)羅敏敏說(shuō)：“包括對(duì)高位截癱患者進(jìn)行語(yǔ)言解碼、運(yùn)動(dòng)解碼，治療癲癇、抑郁癥等疾病，甚至把圖像處理成電信號(hào)來(lái)刺激視覺(jué)皮層，讓盲人恢復(fù)一定的視覺(jué)。這些都是未來(lái)值得期待的腦機(jī)接口應(yīng)用場(chǎng)景?！?/p>
我國(guó)腦機(jī)接口創(chuàng)新生態(tài)不斷完善，技術(shù)持續(xù)深入迭代，向著規(guī)模化方向發(fā)展
“意念控制”聽(tīng)起來(lái)很科幻，它是如何實(shí)現(xiàn)的？實(shí)際上，患者簡(jiǎn)單的一個(gè)動(dòng)作，卻是一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)過(guò)程，也凝結(jié)著很多領(lǐng)域科研人員的共同努力。
首先，腦機(jī)接口運(yùn)轉(zhuǎn)包含記錄、解碼、控制和反饋4個(gè)階段。羅敏敏舉例，在自主“腦控”喝水的過(guò)程中，腦機(jī)接口記錄人的思維變化引起的神經(jīng)細(xì)胞電活動(dòng)，解碼后把信息傳輸給驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)手套并控制其運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而得到視覺(jué)和觸覺(jué)上的反饋。
天津大學(xué)副校長(zhǎng)明東說(shuō)：“腦機(jī)接口綜合了醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)、電子、機(jī)械、材料等多個(gè)學(xué)科的先進(jìn)理論與前沿技術(shù)?！?/p>
近年來(lái)，隨著生物醫(yī)學(xué)工程、神經(jīng)工程與康復(fù)工程、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與心理科學(xué)、人工智能等領(lǐng)域的發(fā)展，腦機(jī)接口工程化進(jìn)度加快，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展明顯提速。在2014年巴西世界杯揭幕戰(zhàn)上，截癱青年朱利亞諾·平托就在腦機(jī)接口技術(shù)的輔助下為足球比賽開(kāi)球；2016年，在神舟十一號(hào)載人飛船飛行過(guò)程中，我國(guó)航天員完成了腦機(jī)交互技術(shù)的在軌驗(yàn)證；國(guó)際上多個(gè)團(tuán)隊(duì)通過(guò)腦機(jī)接口技術(shù)，幫助患者實(shí)現(xiàn)了“意念打字”“意念說(shuō)話”等功能……
近年來(lái)，我國(guó)腦機(jī)接口創(chuàng)新生態(tài)不斷完善，技術(shù)持續(xù)深入迭代，產(chǎn)品服務(wù)供給日益豐富，向著規(guī)?；较虬l(fā)展。
中國(guó)品牌博覽會(huì)上，工作人員用腦機(jī)科技操控的假肢寫(xiě)毛筆字。新華社記者 方 喆攝
2023年初，“智能腦機(jī)系統(tǒng)增強(qiáng)計(jì)劃”在北京腦科學(xué)與類(lèi)腦研究所啟動(dòng)，力爭(zhēng)在3到5年內(nèi)突破侵入式腦機(jī)接口方面的關(guān)鍵技術(shù)，并在臨床上實(shí)現(xiàn)初步應(yīng)用。北京還采用“基金+企業(yè)”的組織模式，成立了北京北腦創(chuàng)業(yè)投資基金（有限合伙）和北京芯智達(dá)神經(jīng)技術(shù)有限公司。
目前，芯智達(dá)公司與國(guó)內(nèi)多家高校院所合作，已布局立項(xiàng)10余個(gè)創(chuàng)新項(xiàng)目，各項(xiàng)研發(fā)工作取得了階段性進(jìn)展。芯智達(dá)公司業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)李園介紹：“我們研發(fā)的‘北腦一號(hào)’‘北腦二號(hào)’腦機(jī)系統(tǒng)，前者采用皮層電極技術(shù)，目前已完成柔性高密度腦皮層電極、高性能腦電數(shù)據(jù)采集設(shè)備等核心部件研發(fā)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；后者對(duì)標(biāo)國(guó)際先進(jìn)的高通量柔性微絲電極技術(shù)，結(jié)合大通道高速神經(jīng)電信號(hào)采集設(shè)備和運(yùn)動(dòng)想象解碼算法，目前有線版本已實(shí)現(xiàn)獼猴對(duì)二維運(yùn)動(dòng)光標(biāo)的靈活‘腦控’攔截。”
天津大學(xué)神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)是國(guó)內(nèi)最早從事腦機(jī)接口研究的團(tuán)隊(duì)之一。明東介紹，“神工”系列產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練對(duì)皮層、肌肉活動(dòng)的同步整合與協(xié)同，取得了運(yùn)動(dòng)康復(fù)領(lǐng)域的突破。比如，神經(jīng)調(diào)控式機(jī)械外骨骼系統(tǒng)“神工—神甲”，核心部件獲批國(guó)家醫(yī)療器械注冊(cè)證，關(guān)鍵技術(shù)在國(guó)內(nèi)多家三甲醫(yī)院開(kāi)展了逾千例臨床試驗(yàn)。
“我國(guó)腦機(jī)接口在軟件、關(guān)鍵算法、典型應(yīng)用等方面均取得了一定的創(chuàng)新性突破?！泵鳀|說(shuō)，但腦機(jī)接口走向更廣泛的應(yīng)用，還需要不斷探索創(chuàng)新，并通過(guò)實(shí)踐來(lái)檢驗(yàn)成效。
加快突破底層和關(guān)鍵技術(shù)，培育高質(zhì)量復(fù)合型人才，建立健全相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈
目前，腦機(jī)接口解碼的大部分仍是頭皮腦電，很多大腦內(nèi)部的神經(jīng)元還是無(wú)法解析；應(yīng)用層面更多停留在臨床試驗(yàn)階段，還沒(méi)有形成大眾化、市場(chǎng)化的產(chǎn)品。
明東舉例，腦神經(jīng)信號(hào)的產(chǎn)生和表達(dá)是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，需要在繁雜的神經(jīng)表征中尋找到特定意圖對(duì)應(yīng)的神經(jīng)活動(dòng)模式，并通過(guò)高效的算法把這些信號(hào)有效解析出來(lái)?！昂罄m(xù)還涉及神經(jīng)肌肉刺激、外部機(jī)械控制、給受試者呈現(xiàn)反饋等很多步驟，可以說(shuō)是一個(gè)復(fù)雜的閉環(huán)過(guò)程。”
我國(guó)高度重視腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展?！笆奈濉币?guī)劃綱要提出，在類(lèi)腦智能等前沿科技和產(chǎn)業(yè)變革領(lǐng)域，組織實(shí)施未來(lái)產(chǎn)業(yè)孵化與加速計(jì)劃，謀劃布局一批未來(lái)產(chǎn)業(yè)。羅敏敏認(rèn)為，我國(guó)腦機(jī)接口單點(diǎn)技術(shù)突破加快、產(chǎn)業(yè)鏈較為齊全，但系統(tǒng)集成能力有待提升，專(zhuān)利多而不優(yōu)現(xiàn)象比較突出。未來(lái)應(yīng)在明確任務(wù)導(dǎo)向、長(zhǎng)周期穩(wěn)定支持的基礎(chǔ)上，加快突破底層和關(guān)鍵技術(shù)，鼓勵(lì)開(kāi)展有組織科研，注重基礎(chǔ)研究、產(chǎn)業(yè)發(fā)展與臨床實(shí)際相結(jié)合。加強(qiáng)主管部門(mén)之間的聯(lián)動(dòng)協(xié)調(diào)，促進(jìn)政策落地更具實(shí)效。
明東建議，要引導(dǎo)高水平大學(xué)通過(guò)設(shè)置交叉學(xué)科等方式，培育高質(zhì)量復(fù)合型人才。同時(shí)，鼓勵(lì)校企共建高水平科研創(chuàng)新平臺(tái)，聯(lián)合承接腦機(jī)接口領(lǐng)域重點(diǎn)攻關(guān)任務(wù)，解決產(chǎn)業(yè)化落地難題，建立健全相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈。要科學(xué)對(duì)待腦機(jī)接口研究成果，避免炒作、夸大、概念化腦機(jī)接口技術(shù)。
2023年9月，科技部等部門(mén)聯(lián)合印發(fā)的《科技倫理審查辦法（試行）》明確規(guī)定，涉及以人為研究參與者的科技活動(dòng)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行科技倫理審查，且明確規(guī)定了高等學(xué)校、科研機(jī)構(gòu)、醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)、企業(yè)等是本單位科技倫理審查管理的責(zé)任主體。2023年12月，國(guó)家科技倫理委員會(huì)人工智能倫理分委員會(huì)編制《腦機(jī)接口研究倫理指引》， 為腦機(jī)接口研究合規(guī)開(kāi)展，防范腦機(jī)接口研究與技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中的科技倫理風(fēng)險(xiǎn)，提出了指導(dǎo)。
羅敏敏表示，腦機(jī)接口發(fā)展面臨著科技倫理、安全性、有效性驗(yàn)證等方面的挑戰(zhàn)，需進(jìn)一步在技術(shù)提供方、使用者、政策制定者和社會(huì)公眾之間凝聚共識(shí)，充分了解潛在風(fēng)險(xiǎn)和收益，給予腦機(jī)接口技術(shù)創(chuàng)新的合理靈活度，同時(shí)確保行業(yè)健康有序發(fā)展。
來(lái)源：人民日?qǐng)?bào)
原標(biāo)題：有望成為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、改善民生健康的未來(lái)產(chǎn)業(yè) 腦機(jī)接口技術(shù)應(yīng)用前景廣闊（科技視點(diǎn)·走近新質(zhì)生產(chǎn)力⑥）
作者：本報(bào)記者 谷業(yè)凱 楊彥帆