一文看懂腦機接口未來的無限可能

人工智能學家

在Open AI“大殺四方”的當下，若這一技術取得進展和成功，相信在不遠的將來對癱瘓患者恢復運動功能，治癒帕金森氏症、阿爾茨海默氏症等腦部疾病，以及幫助恢復失明患者視力等方面有着非凡的意義。

近日，埃隆·馬斯克旗下的腦機接口公司Neuralink在推特上宣佈，其腦植入物已獲得FDA的批准，將啓動首次人體臨牀研究，目前該臨牀試驗尚未開始招募參與人員，未來將很快發佈更多相關信息。

這個消息迅速引發熱烈討論與市場追捧。此前，Neuralink 已經試過在老鼠、豬和猴子的大腦植入腦機接口芯片，2022年3月還曾遞交人體試驗的申請被拒。但不得不說，Neuralink 動作還是挺快，僅用3個月就將被拒理由的材料補齊，獲得了FDA的批准。

Neuralink這項即將進行人體試驗的技術，希望通過向人腦植入電極、芯片等裝置，建立連接人腦與外部設備的通信和控制通道，即腦機接口，從而實現用大腦生物電信號直接操控外部設備或以外部刺激調控大腦活動的目的。

在Open AI“大殺四方”的當下，若這一技術取得進展和成功，相信在不遠的將來對癱瘓患者恢復運動功能，治癒帕金森氏症、阿爾茨海默氏症等腦部疾病，以及幫助恢復失明患者視力等方面有着非凡的意義。未來，也許真的可以像馬斯克所期望的那樣“讓人腦與計算機融合，成爲“半機械人”，幫助人類與 AI 實現共生，避免 AI 對人類造成“生存威脅”。

什麼是腦機接口？

腦機接口（Brain computer interface，BCI）是在人腦與計算機或其它電子設備之間建立的直接交流和控制通道。

通過這種通道，一方面用戶可以直接通過大腦活動來表達思想或操控設備；另一方面，外部設備則不斷地給大腦發送各種反饋信息，讓大腦及時調整控制策略，維持整個系統的穩定性。

從原理來看，腦機接口的實現，大致可以分爲四步：腦電採集 → 信號獲取及處理 → 信號輸出（執行）→ 反饋。

根據“侵入性”，可將腦機接口分爲侵入式、非侵入式和半侵入式腦機接口三類。

侵入式腦機接口通過手術等方式將信號採集裝置（電極）直接植入患者大腦皮層，以獲得高強度、高質量的信號，但此種方式經濟成本和安全風險均較高，極有可能引發免疫反應和腦膠質細胞結痂等炎症反應，從而導致信號質量下降。

侵入式腦機接口技術難度最大，若有突破對人類發展貢獻也會更大，其目前主要應用在醫療領域，最有可能率先落地並帶來市場收益的是神經替代、神經調控相關技術和產品，其技術難度也是最大的。目前，侵入式腦機接口公司中，進入人體臨牀試驗階段的有Synchron、Onward 和 Neuralink三家。

Synchron 早在 2021 年就已獲得 FDA 批准，開始試驗，並於 2022 年 7 月宣佈在美國首次植入腦機接口。其技術是微創的，通過一種類似血管支架的電極放置在大腦血管的內部，來採集血管附近的神經信號。

Neuralink 的侵入性方案則屬於“皮層刺入”路線，它直接將柔性電極絲植入大腦皮層之中。一般而言，越深入和靠近腦組織本身，腦電信號就越清晰和準確。但畢竟要將外物植入大腦，很容易引起免疫反應，人體可能會在電極和神經組織之間生成疤痕組織，導致信號傳輸的衰退，甚至消失。所以，這次的人體試驗結果如何，的確很值得期待。

非侵入式腦機接口無需手術，是對人體創傷最小，採集方法最爲簡單的腦電信號採集方式，將信號採集電極置於頭皮外部的非侵入式腦機接口，但由於電極與神經元距離較遠，測得的信號噪聲較大，對信號後期的處理要求較高。

非侵入式腦機接口技術多應用在更廣泛的生活生產領域，正逐步在康復訓練、教育娛樂、智能生活、生產製造等衆多方面爲人類帶來福祉。代表性產品有云睿智能的優夢思額貼式睡眠記錄儀，主要通過貼附於額前採集分析腦電信號，來幫助鑑別和改善睡眠障礙，已經獲得國家二類醫療器械證和美國FDA認證，並進入多家醫院提供全方位的腦電睡眠監測管理服務。

半侵入式腦機接口處於上述兩者之間，通過手術方式植入電極，但電極處於皮膚下或顱腔內，未達到大腦皮層。其信號質量比非侵入式的更好，而相較於侵入式腦機接口，雖採集到的信號較弱，但免疫反應和炎症反應發生率均較低，安全係數較高。採用這一類技術的公司目前較少。

腦機接口有哪些主要應用領域？

1．提供信息增強技術。

簡單來說，可以爲那些癱瘓或有其他嚴重運動缺陷的人提供新的通信增強技術。2022年Nature Communications上的一篇研究就藉助能讀取大腦信號的植入式腦機接口，使一位罹患漸凍症的男子選擇字母，組成通順的句子，完成日常交流。

2．康復訓練。

通過腦機接口技術，監測到的腦電信息可以用於加工、反饋，針對多動症、中風、抑鬱症等做對應的恢復訓練。例如，對於運動皮層相關部位受損的中風病人，腦機接口可以從受損的皮層區採集信號，其次刺激失能肌肉或控制矯形器，改善手臂運動；運動想象類腦機接口可以用於孤獨症兒童的康復訓練，提升他們對於感覺運動皮層激活程度的自我控制能力，從而改善孤獨症的症狀，亦可以通過腦電信號的反饋，訓練使用者的專注力。

3．腦科學研究與腦功能診斷。

腦機接口，可以幫助研究人類大腦的認知、運動、情感等方面的機制，深入探究人類大腦的奧祕。例如腦機接口可以幫助實時監控和測量神經系統狀態，輔助臨牀判讀。“監測”型腦機接口應用方向十分多樣，包括測量視/聽覺障礙患者神經通路狀態協助醫生定位病因，評測陷入深度昏迷患者的意識等級等等。除此之外，通過結合腦電、視頻等多元信息進行診療，能夠輔助醫生判讀腦損傷、腦發育等多種臨牀適應症。

4．人機交互。

通過腦機接口技術，可以實現更加智能的人機交互，如控制家用電器、智能機器人、VR設備等等。

5．軍事安全。

腦機接口技術可以用於軍事領域，如控制戰鬥機、導彈等，提高作戰效率。

總之，腦機接口技術的應用前景非常廣泛，未來還有很多新的應用領域可能會湧現。

腦機接口產業發展現狀

整體而言，腦機接口產業鏈發展仍在初期階段。材料、產業化和倫理仍是目前腦機接口技術需要攻關的三大問題。

根據中國電子技術標準化研究院的《腦機接口標準化白皮書 2021》，2019 年全球腦機接口市場規模約 12 億美元，預計 2027 年達 37 億美元。麥肯錫預測未來10到20年，全球腦機接口產業將產生700-2000億美金經濟價值。

目前全球腦機接口主要以非侵入式爲主，用於診療康復領域，其中醫療保健領域佔比 62%，剩餘爲疾病治療領域。腦機接口技術的發展將撬動醫療健康、教育、遊戲甚至智能家居行業。

上游的芯片、採集設備、相關算法仍在研發階段，下游應用多集中於科研設備和康復訓練，遠期來看可能創造人機交互的新型網絡體系。具體來說，上游設備尚未實現標準化量產，自研 BCI 芯片和算法成爲核心技術壁壘。腦機接口的設備主要包括腦電採集設備、BCI 芯片、處理計算機以及數據集、處理算法、操作系統級分析軟件、外部嵌套設備等。

腦電採集設備若爲非侵入式主要爲採用乾電極/溼電極的腦電採集帽（或爲耳機、頭箍形態），若爲侵入式則爲微電極/探針。

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BCI 芯片主要實現腦電信號的預處理（包括放大、濾波、模數轉換、編碼等）、信號通信甚至部分信號處理環節。信號處理環節通常在計算機或雲端完成，需要實現用戶意圖的特徵提取、將提取的信號特徵轉換爲通信指令，之後由通信設備或輔助設備給出反饋（通常爲顯示器或聲音、機械反饋）。

但由於目前業界對腦信號的模擬和“寫入”瞭解非常不充分，目前的腦機接口活動尚未實現完全閉環。

當前，腦機接口技術正在全球領域成爲一個新的風口，外國技術走在較爲前列的企業包括Neuralink、Synchron、Blackrock Neurotech、ClearPoint Neuro、BrainGate、Neurable、Snap、Axoft等，其中Synchron已於2021年獲得FDA批准進行人體試驗，2022年7月該公司完成美國首例在患者體內植入腦機設備的手術。