戴亚康团队研发的脑机接口系统。 实习生 孔梓萱 摄
□ 本报记者 杨易臻 蔡姝雯
脑机接口正在走向技术爆发期。近期，清华大学医学院洪波教授团队和首都医科大学宣武医院团队联合宣布，已经成功完成全球首例无线微创脑机接口临床试验。这项临床试验，让一位患者在四肢瘫痪15年来，第一次实现了“用手喝水”。
脑机接口还面临哪些技术挑战？应用前景如何？离惠及普通大众的生活还有多远？新华日报《科技周刊》记者采访了相关领域的专家。
侵入式or非侵入式？多种技术路径竞相发展
通俗来讲，脑机接口是一种“读脑”技术，对人类大脑活动做实时监测，根据监测分析解读出人们想表达的控制指令是什么。随着生物医学、通信和人工智能技术的显著提升，近年来脑机接口技术实现了跨越式发展，利用脑机接口控制电脑、机械臂已经从实验室逐渐走向临床应用。
今年1月，美国企业家埃隆·马斯克的脑机接口公司Neuralink宣布完成了向人体移植脑机接口设备的工作。3月底，参与移植的首位人类受试者诺兰·阿博在社交媒体直播露面。这位因潜水事故导致肩部以下瘫痪8年的29岁男子，表示自己现在可以躺在床上玩几个小时的电子游戏：“我只需要在大脑里想象光标在移动，就可以真的移动电脑上的光标。”他用了一个比喻，“这就像是在使用‘原力’（科幻作品《星球大战》中的超自然力量）”。
脑机接口的发展源于人类扩展大脑智能的渴望。早在1924年，德国医生汉斯·贝格尔首次发现并无创记录到人的脑电波。1969年，美国华盛顿大学医学院利用猴子进行脑电生物反馈的研究，这标志着脑机接口技术开始成形。
多年来，脑机接口取得了飞速发展，被用于医疗健康、智能生活等众多领域。美国、欧盟、日本等都在战略层面对脑机接口进行布局。2013年，美国发布“美国创新性神经技术大脑研究计划”，欧盟也在同年启动“人类脑计划”。我国高度重视脑机接口技术发展，在2014年发布了“脑科学与类脑科学研究”，中国科学院也于2022年初成立脑科学与智能技术卓越创新中心。
脑机接口的不同技术路径，一向是行业内讨论的焦点。根据脑电信号获取的方式，脑机接口主要可分为侵入式、非侵入式和半侵入式三种形式。
马斯克的公司采用的技术路线是侵入式脑机接口，需要通过开颅手术放入电极，采集神经元活动，实现脑电信号的获取及解码。非侵入式脑机接口，则是在头皮外侧以无创的方式采集脑信号，目前在商业化场景中被广泛采用。
清华大学医学院洪波教授团队研究的则是半侵入式手段。洪波曾在采访中进行一个形象的比喻：如果把大脑比作一个熟鸡蛋，颅骨就好似蛋壳，剥开鸡蛋壳之后，还有一层白色的保护膜，相当于大脑的硬脑膜，它可以保护大脑环境不受外界干扰，细胞不受损伤，包裹之下的脑组织就是蛋白蛋黄。在半侵入式路径中，脑机接口的电极就是放在硬脑膜上，将硬币大小的接口植入瘫痪患者的颅骨中。
“侵入式脑机接口要通过外科手术植入，记录信号更精确，但技术难度大、存在感染风险；非侵入式脑机接口技术，是在头皮上采用柔性电极采集脑电信号，无需手术，但在如何获得高质量的脑电信号上有难度。”苏州念及智能科技有限公司市场部负责人王涛告诉记者，当前非侵入式脑机接口更易被大众接受，因此无创、便携也是公司产品研发的方向。目前，该公司推出的便携式高速率脑机接口交互设备LinkMe，仅重75g，即戴即用。此外，公司研发的高速率视觉脑机接口编解码算法，目前保持非侵入式脑机接口通信速率世界最高水平，通信速率达到每秒1个字符，准确率达94.5%。
临床应用前景广阔，关键在于提高信号准确度
在日常生活中，脑机接口正在被推向更普适的应用。中国信息通信研究院发布的《脑机接口技术发展与应用研究报告（2023年）》指出，脑机接口融合特点突出，尤其值得关注医疗、睡眠、康养、消费娱乐等领域的市场发展前景。根据中商产业研究院统计数据，2022年全球脑机接口市场规模接近17.4亿美元。麦肯锡预测，未来10—20年，全球脑机接口产业将产生最多2000亿美元的经济价值。
4月初，记者来到中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，在这里，有一支科研团队正奋战在脑科学的研究前线，致力于脑疾病的智能辅助诊疗设备研发。
来到该所戴亚康研究员的办公室，记者见到了一只黑色网状的“帽子”，上面布满了电极。“这就是我们正在研发的脑机接口系统，它有很多的应用场景。”戴亚康举例道，脑卒中是一种凶险的急性脑血管疾病，可能导致偏瘫等症状，而通过脑卒中的康复训练，患者有可能恢复部分神经功能。在康复训练中，医生会让患者想象一些动作，比如让右手瘫痪的患者想象用右手抓握水杯。但是，以往医生看不见患者所想，无法得知患者训练中是否有正确的神经刺激。现在，通过脑机接口系统，医生可以实时评估、监测患者的脑活动信号。
通过从脑电帽采集到的脑电信号，脑机接口系统可以将脑电活动转换为可量化的测量指标，利用人工智能进行分析，最后反馈给医生。“目前，系统的脑电信号识别正确率已经达到90%以上，这套系统让患者的脑电信号变得可视化，不仅为医生提供了制订康复计划的可靠依据，也能提高患者参与康复训练的有效程度。现在，这套系统已经在江苏省人民医院等医院开展临床科学研究。”团队成员、副研究员耿辰表示。
戴亚康团队选择了非侵入式的脑机接口形式，“无创的技术路径不会给患者带来创伤，更易被人接受，应用范围也更广泛。但无创脑机接口设备想要获取脑活动信号，还受到大脑颅骨的影响，如何精准确定大脑皮层上的真实信号，一向是个难题。”戴亚康告诉记者，他们的目标，就是采用多模态融合的技术以及深度学习模型，让非侵入式脑机接口能够达到接近侵入式脑机接口的信号准确度。
多模态融合，即获取分析不同类别的信息，戴亚康团队开发的脑机接口系统，可以融合脑电信号和磁共振，从而建立神经电在大脑中传导的模型。而深度学习模型，就是解析大脑的神经活动。由此，系统能够更准确地为大脑皮层上的脑神经信号进行定位和编解码，从而提高对脑活动信号识别的准确率。
“借助这些技术，脑机接口设备也可用于检测类似于帕金森病、阿尔茨海默病等退行性疾病。对于神经退行性疾病患者，早诊断、早干预至关重要，因此我们希望在常规体检中就能发现患者脑区的病变。多模态融合和精准的大脑建模，可以帮助医生分析出大脑的体积、表面积等细节，尽早了解疾病发展的趋势。”戴亚康说。
研究应适度且无伤害，产业链需进一步完善
脑机接口技术处于人工智能和生物医学工程的交叉领域，实现“0到1”的创新实属不易。回顾过往科研之路，戴亚康感触颇深，“光是集齐这支科研团队就花了我们很长时间。脑机接口涉及机器学习、信号处理、生物医学工程等多个领域。我们用了10年多时间，才把各个要素的人才全部配齐。”
目前，戴亚康团队仍在不断攻克脑机接口关键技术。“在临床上，我们服务的对象是患者，患者在疾病的影响下，很难长时间佩戴脑机接口设备配合检测或训练。如何利用最短时间、最少数据进行大脑建模就是一道难题，这在国际上也是一个待攻克的痛点。”戴亚康表示，团队正尝试采用在通用模型上添加个体化的专用模型，缩短模型构建的时间，以减少患者接受检测的时长。
当前，脑机接口还是一个前沿领域，处于研究阶段的多，能落地临床的少，要达到规模化应用，还有很长一段路要走。“目前，我们正积极与全国各地的医疗机构、科研单位合作，推进成果转化落地。”2023年，戴亚康及其团队加入了中国信息通信研究院牵头成立的脑机接口产业联盟，同时联合省内江苏省人民医院、东南大学等机构，进行脑卒中高精度调控重点课题的研究，在今年已经进入临床采集实验的流程。
脑机接口走向现实，还有待在产业链上进一步完善。念及科技首席科学家、中国科学院半导体研究所研究员王毅军也曾在采访中表示，目前脑机接口产业整体还处于早期研究阶段，真正落地需要进一步探索，这需要形成完整的产业链。在这条“链”上，上游做脑机接口芯片、系统、数据服务等，中游做偏向应用的脑机接口产品，下游则是项目公司针对不同领域做应用。“下一步，我们希望在细分领域实现产品的规模化，脑机接口技术发展需要有一个长远规划。”
作为一项蓬勃发展的新兴技术，脑机接口在政策规范、伦理审查上也面临挑战。今年2月，科技部发布《脑机接口研究伦理指引》，指出“脑机接口研究应适度且无伤害，研究的根本目的是辅助、增强、修复人体的感觉—运动功能或提升人机交互能力”，提出了合法合规、社会与科学价值、知情同意、隐私保护和个人信息保护、风险防控、资质要求、责任机制等七方面具体要求。
“一直以来，有关脑机接口的伦理审查非常严格，相关指引的发布，给脑科学的研究提出了明确的方向，为今后合法合规开展脑机接口研究提供了参考。”北京大学智能学院研究员、北京大学分子医学南京转化研究院科学家陈婧表示，对脑机接口领域的政策指引，将能引领从业者进一步发掘技术的积极正向作用。
（来源：https://xh.xhby.net/pc/layout/202404/10/node_11.html#content_1315172）
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