来自 科技2025-04-01 09:30:37
“脑机接口像是大脑专属的‘智能手机’。”近日，脑机接口企业上海脑虎科技有限公司（简称“脑虎科技”）创始人兼首席科学家、中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员陶虎向澎湃科技表示，它不仅会帮助人们加深对大脑和智能的认识，对脑部疾病进行诊断和干预，更会帮助人们实现“脑控”外部设备，而不只是遥控。
不妨畅想一下，十年后的人们，用什么方式操控电脑、汽车以及工厂里的设备？
脑机接口（BCI）是大脑与外部机械设备进行信息传递、交互的桥梁和工具。它把大脑产生的意图相关信号经过采集、编码后，发射给外部设备进行执行并反馈。“接口”的英文是interface，也被翻译成“界面”。
在未来，脑机接口会像手机一样人手一个吗？
“我们认为脑机接口会成为每个人都会使(shǐ)用(yòng)的(de)类(lèi)消(xiāo)费电子产品，将会像手机一样一代代快速迭代。”脑机接口企业上海阶梯医疗科技有限公司（简称：阶梯医疗）相关负(fù)责(zé)人(rén)表示。
不难想象，“脑控”带来的快捷和便利，将远远超越基本的医疗价值，最终如“旧时王谢堂前燕，飞入寻常百姓家”。
核心部件——电极
脑机接口技术的发展历程，已走过了整整一个世纪。
它类似于功能强大的“电台广播+指挥”系统，或是先进(jìn)的(de)移(yí)动(dòng)通(tōng)信(xìn)系(xì)统(tǒng)。它(tā)在(zài)大(dà)脑(nǎo)内(nèi)部(bù)或(huò)周(zhōu)边(biān)构(gòu)建(jiàn)起(qǐ)灵(líng)敏(mǐn)的(de)信(xìn)号(hào)采集网(wǎng)络(luò)，如(rú)同(tóng)搭(dā)建(jiàn)起(qǐ)雷(léi)达(dá)系(xì)统(tǒng)、信(xìn)号(hào)塔(tǎ)和(hé)基(jī)站(zhàn)，将(jiāng)收(shōu)集到(dào)的(de)脑(nǎo)电(diàn)波(bō)等(děng)信(xìn)号(hào)广(guǎng)播(bō)出(chū)去(qù)，进(jìn)而(ér)指(zhǐ)挥(huī)外(wài)部(bù)设(shè)备(bèi)运(yùn)行(xíng)。
为(wèi)了(le)确(què)保(bǎo)信(xìn)号(hào)高(gāo)效(xiào)“广(guǎng)播(bō)”，脑(nǎo)机(jī)接(jiē)口(kǒu)系(xì)统(tǒng)会(huì)将(jiāng)脑(nǎo)电(diàn)波(bō)信(xìn)号(hào)数(shù)字(zì)化(huà)、编(biān)码(mǎ)处(chù)理(lǐ)，就(jiù)像(xiàng)加(jiā)密(mì)一(yī)样(yàng)，而(ér)终(zhōng)端(duān)设(shè)备(bèi)“收(shōu)听(tīng)”到(dào)这(zhè)些(xiē)被(bèi)处(chù)理(lǐ)过(guò)的(de)信(xìn)号(hào)后(hòu)，进(jìn)行(xíng)解(jiě)码(mǎ)、还(hái)原(yuán)并(bìng)执(zhí)行(xíng)相(xiāng)应(yīng)指(zhǐ)令(lìng)，再(zài)将(jiāng)执(zhí)行(xíng)结(jié)果(guǒ)反(fǎn)馈(kuì)回(huí)来(lái)。如(rú)此(cǐ)往(wǎng)复(fù)，形(xíng)成(chéng)闭(bì)环(huán)，进(jìn)行(xíng)沟(gōu)通(tōng)、交(jiāo)互(hù)。
脑(nǎo)机(jī)接(jiē)口(kǒu)系(xì)统(tǒng)的(de)信(xìn)号(hào)源(yuán)于(yú)大(dà)脑(nǎo)。所(suǒ)以(yǐ)，人(rén)类(lèi)首(shǒu)先(xiān)要(yào)能(néng)够(gòu)探(tàn)测(cè)到(dào)大(dà)脑(nǎo)的(de)信(xìn)号(hào)。1924年(nián)，德(dé)国(guó)科(kē)学(xué)家(jiā)、精(jīng)神(shén)病(bìng)学(xué)家(jiā)汉(hàn)斯(sī)·伯(bó)格(gé)（Hans Berger）发(fā)现(xiàn)，人(rén)类(lèi)大(dà)脑(nǎo)会(huì)产(chǎn)生(shēng)电(diàn)流(liú)，并(bìng)且(qiě)可(kě)以(yǐ)通(tōng)过(guò)在(zài)头(tóu)皮(pí)上(shàng)放(fàng)置(zhì)电(diàn)极(jí)来(lái)测(cè)量(liàng)。这(zhè)一(yī)历(lì)史(shǐ)性(xìng)突(tū)破(pò)，标(biāo)志(zhì)着(zhe)脑(nǎo)电(diàn)图(tú)（EEG）技(jì)术(shù)的(de)诞(dàn)生(shēng)，人(rén)类(lèi)首(shǒu)次(cì)成(chéng)功(gōng)记(jì)录(lù)下(xià)大(dà)脑(nǎo)的(de)电(diàn)活(huó)动(dòng)。
高(gāo)通(tōng)量(liàng)神(shén)经(jīng)信(xìn)号(hào)采集分(fēn)析(xī)系(xì)统(tǒng)
不(bù)过(guò)，“脑(nǎo)机(jī)接(jiē)口(kǒu)”（BCI）这(zhè)一(yī)概(gài)念(niàn)，直(zhí)到1973年才被正式提出。美国加州大学洛杉矶分校的计算机科学家雅克·维达尔(Jacques J. Vidal)教授，用这个词来描述了一种能将脑电信号转化为计算机控制信号的系统。
在脑机接口系统中，电极无疑是核心部件之一。这些由导体材料制成的触点或探针，就像一个个超级灵敏的“小耳朵”，紧贴脑组织或皮肤表面，负责收集大脑(nǎo)神(shén)经元发出的信号。依据外科手术标准，按照是否需要手术以及电极所处位置的差异，常见的脑机接口系统可分为侵入式（又称植入式）、半侵入式和非侵入式三类。
侵入式脑机接口的电极会被植入使用者的大脑皮层中，与大脑神经元直接接触；半侵入式的电极被置于颅腔中，但位于大脑皮质外的区域；非侵入式的电极不进入颅腔，而是贴附在使用者的头部皮肤上。
从接受程度来看，更多人倾向于选择非侵入式脑机接口，它使用起来就像戴帽子，将带有多个电极的帽子或头套戴上即可。对此，陶虎解释道：“我们知道，电极离大脑越近，采集到的信号精准度就越高，无论是空(kōng)间(jiān)分(fēn)辨(biàn)率还是时间分辨率都会更出色。但同时，植入物对大脑造成损害的风险也越大。所以，具体选择哪种脑机接口，完全取决于实际应用场景。”
脑虎科技公司展示的128通道柔性电极。
目前，侵入式脑机接口系统、半侵入式脑机接口技术主要用于临床诊疗和科研领域，而非侵入式脑机接口系统主要应用于智能健康和教育等消费场景。
上海市医疗器械检验系统相关负责人向澎湃科技表示，对脑机接口系统来说，“颅内大脑皮层组织内采集脑电信号，像是听一个人或一群人在说话。硬膜外采集信号像是隔着玻璃听房间里面有一群人在说话；而在颅外采集信号，像是隔着一堵墙听一群人说话。”
一套典型的脑机接口什么样？
阶梯医疗相关负责人表示，植入式脑机接口是个复杂且精密的系统，它需要高通量超柔性且长期稳定的神经电极、小尺寸的植入式脑部信号精准采集系统、高鲁棒性和高准确率的脑电信号在线解码算法、高拓展性且低延时的智能人机交互软件；此外，高效且植入创伤小的手术术式也是不可或缺的。
除了电极位置的差异，电极质地也成为不同公司脑机接口系统的区分点。
阶梯医疗相关负责人介绍，传统犹他阵列电极是硬质电极，容易诱发排异反应，难以实现大规模长期稳定记录。而该公司研发的超柔性电极尺寸仅为细胞级别——相当于一根(gēn)头(tóu)发丝的1/100，是美国Neuralink公司电极尺寸的1/5；超柔电极的柔软程度，即弯曲应力，仅为细胞间作用力的量级，优于Neuralink公司相关电极参数达数百倍，使得脑组织几乎“察觉不到”电极的存在。阶梯医疗率先打造出无免疫瘢痕的神经电极界面，保障了长期稳(wěn)定(dìng)的(de)神(shén)经(jīng)活(huó)动(dòng)记(jì)录(lù)。
脑虎科技256导半植入式柔性脑机接口产品。
在脑虎科技公司的展台上，澎湃科技看到一张张金色的柔软的、窄长条的薄片，上面还带有一个个小的突起，这就是黄金制作的、用在相关脑机接口系统中的、被置于人体大脑硬膜下的电极。
陶(táo)虎(hǔ)介(jiè)绍(shào)，对(duì)于(yú)神(shén)经(jīng)外(wài)科(kē)医(yī)生(shēng)而(ér)言(yán)，打(dǎ)开(kāi)和(hé)缝(fèng)合(hé)硬(yìng)膜(mó)是(shì)神(shén)经(jīng)外(wài)科的常规操作，在脑部肿瘤病灶切除等手术中经常会用到。
2024年8月，脑虎科技公司联合上海华山医院神经外科毛颖/陈亮教授团队完成意念合(hé)成(chéng)运(yùn)动(dòng)临(lín)床(chuáng)试(shì)验(yàn)。受(shòu)试(shì)者(zhě)是(shì)21岁(suì)运(yùn)动(dòng)区(qū)占(zhàn)位(wèi)的(de)癫(diān)痫(xián)患(huàn)者(zhě)，通(tōng)过(guò)手(shǒu)术(shù)植(zhí)入(rù)256导(dǎo)高(gāo)通(tōng)量(liàng)柔(róu)性(xìng)脑(nǎo)机(jī)接(jiē)口(kǒu)监(jiān)测(cè)病(bìng)灶(zào)并(bìng)保(bǎo)护(hù)与(yǔ)运(yùn)动(dòng)相(xiāng)关的(de)重(zhòng)要(yào)脑(nǎo)功(gōng)能(néng)区(qū)。经(jīng)过(guò)两(liǎng)周(zhōu)的(de)训(xun)练(liàn)，受(shòu)试(shì)者(zhě)可(kě)以(yǐ)“脑(nǎo)控(kòng)”方(fāng)式(shì)熟(shú)练(liàn)使(shǐ)用(yòng)微(wēi)信(xìn)等(děng)常(cháng)用(yòng)APP，实(shí)现(xiàn)智(zhì)能(néng)家(jiā)居(jū)设(shè)备(bèi)和(hé)智(zhì)能(néng)轮(lún)椅(yǐ)的(de)“脑(nǎo)控(kòng)”。
重(zhòng)要(yào)步(bù)骤(zhòu)——解(jiě)码(mǎ)
“收(shōu)听(tīng)”到(dào)大(dà)脑(nǎo)信(xìn)号(hào)后(hòu)，脑(nǎo)机(jī)接(jiē)口(kǒu)系(xì)统(tǒng)如(rú)何(hé)解(jiě)码(mǎ)这(zhè)些(xiē)信(xìn)号(hào)，读(dú)懂(dǒng)大(dà)脑(nǎo)意(yì)图(tú)呢(ne)？
阶(jiē)梯(tī)医(yī)疗(liáo)的(de)相(xiāng)关负(fù)责人以“脑控”电脑屏幕上的光标为例进行说明：首先，将柔性电极植入大脑运动皮层，然后引导患者进行运动想象训练，让患者在脑海中模拟高精度操作、控制外部设备的过程，与此同时，精准采集大脑相关脑区神经元的电信号。
在对数据进行预处理后，接下来，进入脑控预测算法环节，信号处理单元会从大脑神经元活动里提取关键特征。通过模式识别，把这些特征与患者想象的任务对应起来，输出相应结果。这样，就构建起来一个预测网络模型。它可以把多维输入向量转换为控制光标的向量，即电脑屏幕上光标移动的速度向量和点击状态。
最终，在脑机接口的工作过程中，系统会根据实时采集的脑电信号，预测光标移动和点击的参数，并转化为指令发送给电脑，实现对电脑这一外部设备的控制与交互。
美国企业家埃隆·马斯克参与创办的脑机接口公司Neuralink公司采用侵入式脑机接口系统。2024年1月28日，该公司实施了人类首例脑机接口植入手术。截至目前，已有三名瘫痪男性患者参与临床试验，他们分别是诺兰 (Noland)、亚历克斯 (Alex) 和布拉德 (Brad) 。术后，他们借助“脑控”技术，重新获得“数字自主权”，能够自如地移动电脑光标、玩游戏，甚至使用电脑程序进行设计工作。他们大脑中的植入物——N1，通过分布在64条柔性导线上的1024个电极记录神经活动，被称为1024通道。每根导线都比头发丝还细。Neuralink公司还专门制造了手术机器人——R1，它能够精准高效地将导线插入患者大脑皮层，确保电极位于特定神经元附近。
未来
前述医疗器械检验系统相关负责人向澎湃科技表示，脑机接口医疗器械的术语标准，正在征求意见中。治疗癫痫的闭环脑机接口的标准，也在同步申报国家标准。
谈及脑机接口的未来发展，阶梯医疗的相关负责人向澎湃科技展望：从医疗器械的维度，脑机接口会发展成一种平台型的技术(shù)，基(jī)于(yú)电(diàn)极(jí)技(jì)术(shù)、植(zhí)入(rù)体(tǐ)、手(shǒu)术(shù)术(shù)式(shì)等(děng)底(dǐ)层(céng)根(gēn)技(jì)术(shù)的(de)组(zǔ)合(hé)，可(kě)以(yǐ)开(kāi)发(fā)出(chū)一(yī)系(xì)列(liè)针(zhēn)对(duì)不(bù)同(tóng)病(bìng)症(zhèng)的(de)产(chǎn)品(pǐn)，从(cóng)辅(fǔ)助(zhù)脑(nǎo)控(kòng)运(yùn)动(dòng)，到(dào)深(shēn)部(bù)脑(nǎo)刺(cì)激(jī)，再(zài)逐(zhú)步(bù)拓(tà)展(zhǎn)到(dào)脊(jí)柱(zhù)/外(wài)周(zhōu)神(shén)经刺激调控、视听觉重建等更广泛的领域，形成一套完整的脑机接口电子处方解决方案。
该负责人还补充道：“我们相信，脑机接口将与大模型、具身智能机器人等人工智能技术深度融合。从更长远的视角看，侵入式脑机接口有望成为连接人脑智能与人工智能的桥梁，实现人工智能为人脑赋能、人脑直接控制人工智能(néng)，推(tuī)动(dòng)人(rén)类(lèi)与(yǔ)人(rén)工(gōng)智(zhì)能(néng)共(gòng)生(shēng)共(gòng)存(cún)。”
目(mù)前(qián)，AI（人(rén)工(gōng)智(zhì)能(néng)）技(jì)术(shù)正(zhèng)在(zài)为(wèi)提(tí)高(gāo)脑(nǎo)机(jī)接(jiē)口(kǒu)的(de)准(zhǔn)确(què)性(xìng)助(zhù)力。
伦敦大学学院的研究人员(yuán)于(yú)2025年2月在国际学术期刊《神经电子学》上发表论文指出，脑机接口面临着一个重要挑战：许多用户难以获得可靠的准确度，70%的准确度是有效使用脑机接口的关键门槛。由于每个人的大脑活动模式的独特性，标准模型往往无法捕捉其复杂性，导致约40%的用户难以达到这一准确度，这对于肌萎缩侧索硬化症 (ALS) 等运动神经元疾病患者来说，问题更为严峻。为此，研究人员开发了一种新型人工智能模型——图形注意力网络 (GAT) 专门神经网络，通过适应每个用户独特的大脑思考模式，该模型在性能上超越了传统的深度学习方法，让ALS患者能够更轻松地通过脑机接口控制外部设备。
此外，另一种(zhǒng)脑(nǎo)机(jī)接(jiē)口(kǒu)——脑(nǎo)脊(jí)接(jiē)口(kǒu)，正(zhèng)在(zài)引(yǐn)发(fā)人(rén)们(men)的(de)关注(zhù)。
2025年(nián)3月(yuè)3日(rì)20点，复旦大学附属华山医院成功实施了全球首批第4例通过脑脊接口让瘫痪者重新行走的临床概念验证手术。这一成果源于复旦大学类脑智能科学与技术研究院加福民团队全球首创的“三合一”脑脊接口技术。此前，该团队已联合复旦大学附属中山医院完成全球首批3例临床概念验证手术，帮助严重脊髓损伤患者在两周内实现自主控腿、迈步行走。
陶虎展望道：“如果我们把目光放得更长远，脑机接口或许能突破人类手脚的生理局限，借助更强大的执行器实现更多(duō)可(kě)能(néng)。脑(nǎo)脊(jí)接(jiē)口(kǒu)旨(zhǐ)在(zài)帮助病人恢复健康，回归正常生活；而脑机接口结合其他技术，有可能让普通人拥有超越常人的能力。”
陶虎还提到，目前整个脑机接口市场尚未出现一款真正意义上的爆款产品，未能充分展现脑机接口的必要性、独特性和超越性。“不过，我们已经看到了新的机遇。在过去，对于渐冻症、失语症、重度截瘫等重大疾病，药物治疗和手术治疗效果有限。但脑机接口为这些‘绝症’提供了新的解决方案。我预计，未来3 - 5年内，脑机接口将在重大脑部疾病的诊治领域发挥重要作用。”
