中国的脑机接口和世界的脑机接口

张田勘

2023年5月4日，全球首例非人灵长类动物介入式脑机接口试验在北京取得成功。试验在猴脑内实现了介入式脑机接口脑控机械臂，表明中国的脑机接口技术跻身国际领先行列。

脑机接口的历史和现实

脑（人）机接口（BCI）也称“大脑端口”或“脑机融合感知”，是把大脑神经信号与外部机械直接交互起来的技术，分为单向脑机接口和双向脑机接口。单向脑机接口是指计算机只能接收大脑传来的命令，或者发送信号到大脑，但不能同时发送和接收信号；而双向脑机接口允许大脑和外部设备之间进行双向信息交换，就像人的大脑，既能发出行动指令，又能感受身体各部位传到大脑的感觉。

研究人员最初于20 世纪70 年代提出脑机接口概念，目的是帮助四肢残疾和脊髓受损的人重新行走或重新支配上下肢，以完成各种生理功能。在探索的过程中，形成了两种脑机接口路径，一是植入式（侵入式），二是感应式（非植入式或非侵入式）。

随着信息技术和人工智能算法的发展，20 世纪末至21 世纪初，世界各大科技公司介入这一研究领域后，植入式脑机接口就体现为以特斯拉CEO 埃隆·马斯克为代表，非植入式脑机接口则以脸书创始人扎克伯格为代表。

植入式脑机接口是最早获得研究突破的，也就是在大脑的特定皮质区植入微小的芯片（电极），以收集大脑的生物电流信号，并破译这种信息，然后转换成计算机指令，指挥机械手或机械腿，帮助残疾人完成相应的动作。

非植入式脑机接口就是不对大脑进行植入手术，而是在头部戴上一个包含多个电极的脑电图扫描仪帽子，收集并记录头部产生的微弱的生物电流信号，然后放大这些信号。随后，这些信号会被输入一台计算机，通过先进的信号处理技术和机器学习算法，将记录下来的这些信号转化为行动。

此前，英国理论物理学家霍金使用的轮椅就装备了非植入式的脑电图扫描仪帽子，可以收集霍金的大脑生物电流信号，并解读其指令。

比较起来，非植入式脑机接口比植入式更安全，但是植入式脑机接口收集的大脑信号又比非植入式更为强烈和明确，二者各有利弊，由此也形成了竞争。

中国的脑机接口

中国研究人员认为，脑机接口有第三种形式，即介入式。

介入式脑机接口是通过微创介入方式，将血管穿刺小口，通过类似装心脏支架的微创手术实现脑机连接，创伤较植入式脑机接口更小，信号质量较非植入式脑机接口更高。实际上，就形式而言，这也是一种植入式脑机接口，只是创伤较小而已。

2020年年初，浙江大学医学院附属第二医院张建民团队通过开颅手术在一位高位截瘫志愿者脑内植入电极，实现了意念控制机械手臂的三维运动，并完成进食、饮水和握手等一系列的上肢重要功能运动。这位72 岁的病人也因此成为目前全球范围内成功利用该技术实现肢体运动功能重建的最高龄志愿者。

近期，南开大学段峰教授团队联合了中国人民解放军总医院（301医院）、上海心玮医疗科技股份有限公司的研究人员，在动物身上进行了前后期脑机接口试验。前期是对羊进行试验，实现了介入式脑电信号从被动采集到主动控制的技术飞跃，突破了血管内脑电信号采集、介入式脑电信号识别等核心技术。

后期对非人灵长类动物猴子进行试验，通过介入手术将介入式脑电传感器贴附在猴脑血管壁上，不需要开颅手术即可采集到颅内脑电信号，相较于传统植入式和非植入式脑机接口，兼顾了安全性、识别稳定性。介入式脑电传感器通过颈静脉进入矢状窦，到达猴运动皮层脑区。在术后成功采集并识别到非人灵长类动物介入式脑电信号，实现了动物对机械臂的主动控制。

这也意味着，脑机接口技术可以将脑电信号转换为控制指令，帮助运动功能障碍患者与外部设备交互，提高生活质量。

不过，研究人员认为，现在只是对猴子实现了脑机接口的试验，要进入人体试验和真正应用于临床，可能还需要5 年时间。因为现在还有许多工作和研究要做，如优化电极设计，验证介入式脑电传感器在动物体内长期植入的安全性、可靠性，信号采集后的进一步分析、加工、转化等。

国外公司的突破

2022年， 澳大利亚的Synchron 公司也采用了微创介入式脑机接口技术，就像给心脏做搭桥手术一样，将微电极通过人体血管连接到大脑，由此获得大脑的生物电信号。该公司的CEO 托马斯·奥克斯利是澳大利亚的一位神经科医生，他在澳大利亚研发出新的脑机接口技术，之后把Synchron 公司搬到了美国纽约。

Synchron 公司的微电极名为stentrode，是一种血管内脑机接口植入物，植入血管后，放置在大脑运动皮层旁边的静脉中，可以获得与运动相关的大脑信号。此外，在使用者的胸部还植入了接收装置，可将神经信号传输到解码器。之后，机器学习算法将这些信号转换成特定的数字指令，让使用者可以用意念上网，并做出吃饭、穿衣等动作。

2022 年7 月6 日，在美国纽约西奈山医院的一张手术床上，医生把一个长1.5 英寸（3.81 厘米）的微电极植入一位渐冻症患者的脑部血管里。这是Synchron 公司首次在美国为患者完成植入手术，此前该公司已在澳大利亚为4 名患者完成了同样的手术。

医生先是在患者的脖子做微创切口，然后通过导管把微电极送到颈静脉，最终导入大脑运动皮层内的血管。运送到位后，再把导管撤掉，微电极的网状结构就会舒展开，并和血管的外缘（血管壁）结合。然后，医生用电线将微电极和之前就已经植入患者胸部的设备相连。

植入的这个微电极上有16 个电极来監测大脑活动，并记录患者在思考时的神经元发射情况。随着时间的推移，信号强度会得到改善，因为微电极会更深入地融入血管中，并更接近神经元。

微电极可以读取脑部神经元发射的信号，胸口的设备则放大这些信号，然后通过蓝牙传输给电脑或者智能手机，就可以帮助患者用意念上网、发邮件、发短信。此前的结果是，4 名患者没有出现任何副作用，并且最初的目标也都成功实现了，患者能发短信、在网上购物等。

但是，目前植入的微电极和胸部连接的解码器算法能力还有限，不能做整句输入和翻译，病人只能在屏幕上逐一挑选字母，而脑机接口设备会将患者“是或不是”的想法转换为指令。

Synchron 是目前唯一一家获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准进行永久性脑机接口植入的公司。

脑机接口如何帮助人

2020 年9 月，在马斯克创办的脑机接口公司Neuralink 的技术展示活动中，马斯克称Neuralink 设计了一个硬币大小的芯片，可以很快治愈瘫痪、耳聋、失明和其他残疾。Neuralink 的新设备植入大脑后，就像大脑里的一个Fitbit 产品（一种智能设备），可以用手机App 控制，但是需要在头部做一个小切口。

这个设备有1 024 个电极，能够监测大脑神经电活动。大脑的神经电脉冲数据通过芯片无线传输到计算机，既可帮助残障人士，也可供研究人员进行研究。之后，Neuralink 公司对猪进行了试验，取得了一定成功。但是，在后来对猴子进行试验时，遇到挫折。

目前，Neuralink 公司的脑机接口研究陷入停滞，芯片植入人脑的试验仍在等待FDA 的批准。

从深远角度看，脑机融合不过是脑科学研究的一种，在人的大脑里植入芯片首先是为了治疗疾病。在治疗疾病上，脑机接口具体可以分为3 类：一是帮助残障人士获得正常的生理功能和生活能力；二是幫助残障人士学习，如帮助翻书和写文章；三是治疗大脑中因神经递质的产生和输送困难而导致的各种疾病，如帕金森病、癫痫、自闭症等。

很多大脑疾病都是由于大脑神经元受损造成的，大脑受损后，一些信息不容易传递到四肢，同时可能损害大脑中枢内的神经递质传递，导致思维混乱。如果通过芯片能补充和增强这些大脑信息的传输，就可以治疗许多大脑疾病。

马斯克表示，一旦获得FDA 的人体试验许可，Neuralink 公司将专注于两项初步应用：一是恢复视力，即使是那些天生失明的人，仍然有恢复视力的可能性，因为大脑皮层中感知视觉的部分仍然存在；二是帮助严重瘫痪者，让他们能用意念使用智能手机，并且能比普通用户用手使用智能手机更快速。

脑机接口也并非只有Neuralink 公司和Synchron 公司在竞争，许多国家，包括中国，都参与到这一领域的研发和竞争中。如上所述，中国也取得了一些成果。当全世界有1 亿人患有上肢障碍和瘫痪时，用脑机接口帮助他们就有更大的现实意义。（责任编辑：白玉磊）