人脑与机器大脑进行“感应对线日,美国企业家马斯克宣布,其名下的脑机接口公司“神经连接”,成功完成了全球首例人体脑机接口芯片植入手术。这款产品名为“心灵感应”,当大脑植入设备后,只需意念就能控制手机、电脑等“几乎所有设备”。当地时间2月19日,马斯克又表示,移植者已能通过大脑意念移动鼠标,“总体来说,进展非常好”。

  马斯克公司的新进展,将脑机接口话题推向新高潮。不少人好奇,中国在这一领域的发展状况如何?专家这样认为,目前我国在脑机接口方面掌握的技术并不逊色于马斯克。

  1月31日,首都医科大学宣武医院赵国光教授团队、清华大学医学院洪波教授团队宣布,已于2023年10月24日,成功进行了全球首例无线微创脑机接口临床试验,比马斯克公司早3个月完成。

  相比马斯克此次只是公开了人体植入的消息,我国科研团队的进展更加具体:两枚硬币大小的脑机接口处理器,植入高位截瘫的杨先生颅骨中,经术后三个月康复训练,杨先生已实现自主喝水等脑控功能,抓握准确率超过90%,这是脑机接口技术的一项重要里程碑。

  赵国光介绍,在人身上安装“脑机接口”的难点,在于既能采集信号,还要让信号“解码”语言、运动、意识,“这是挑战不可能”。

  一只气动手套,套在杨先生手上,从大脑右侧感觉运动区的电极获取信号得知,老杨想移动右手。电脑“读懂”老杨的想法后,解码完成,指令传达到气动手套,协助老杨右手手指弯曲,抓住了矿泉水瓶。

  在这场神秘的“脑机对线毫秒甚至更短时间,电脑就会快速“读懂”患者的想法,判断是抓握、保持还是松开,实现精准解读。这是怎么来实现的?

  原来,老杨的脑部颅骨内埋有体内机,电极覆盖在大脑硬膜外。体外机隔着头皮给体内机供电,并接收脑内神经信号,传送到电脑或手机上,借助解码算法,实现脑机接口通信。

  如何保护患者的隐私安全?科研团队在电源管理中设置了认证芯片,体内与体外机一定得完成配对,才能启动人体内的信号采集系统。植入颅骨的体内机无需电池,患者可终身使用,手术10天后即可出院回家。

  此外,2023年12月19日,第二例脊髓损伤患者,已在北京天坛医院成功植入脑机接口设备,信号接收正常,患者正在进行康复训练。

  大脑信号从内到外可分为三个层次:神经细胞放电、颅内脑电、通过脑电帽采集的头皮外脑电波。中科院自动化研究所脑图谱与类脑智能实验室主任余山介绍,所谓脑机接口,是通过记录和解读大脑信号,实现脑机之间的直接通信,简单说,就是在大脑和电脑之间架起一座“桥梁”,让它们能够互相“聊天”。

  脑机接口的实现方式,分为非侵入式、半侵入式和侵入式。非侵入式脑机接口通过头皮采集脑电波，安全性最高，但信号质量低，功能有限；侵入式直接将电极植入大脑皮层，可获得最高质量的神经信号，但对患者来说创伤大、风险高；此次清华大学团队采用的是半侵入式微创技术,将如硬币大小的电极,植入颅骨和大脑皮层之间的脑膜上,距神经元更近,但不破坏神经组织，可获得较高信号强度和分辨率，同时降低了免疫反应和损伤神经细胞的风险。

  赵国光教授解释,“目前,国内大部分脑机接口是非侵入式的,我们则进行了突破,首次进行了半侵入式脑机接口试验。相比马斯克将整个设备埋在颅内,我们的设备只有内机埋在颅骨内,电极覆盖在硬膜外,在保证颅内信号质量的同时,不破坏神经组织。”

  洪波打了一个形象比喻:如果把大脑比作一个熟鸡蛋,剥开鸡蛋壳之后,还有一层白色保护膜,相当于大脑的硬脑膜,可保护大脑环境不受外界干扰,细胞不受损伤。把电极放在硬脑膜上,将329个零件放在硬币大小的钛壳之中。两枚硬币大小的脑机接口,植入高位截瘫患者颅骨中,采集感觉运动脑区神经信号,实现手部抓握动作的解码。

  洪波介绍,相较而言,马斯克团队所采用的全侵入式脑机接口,在接入大脑皮层后,每一次使用,都需要接上数据插头,做消毒操作。此类临床试验为了尽最大可能避免感染风险,目前需要患者永久在医院做治疗和观察。

  “中外团队研发脑机接口的技术路线不一样。不同路径均可实现脑机接口目标,但应用场景和优劣势不同,并没有高低之分。”洪波说,下一步,我们大家都希望帮助患者用脑信号指挥家里的智能设备,比如手机、轮椅、电动窗帘等,为人和物的连接提供更多可能。

  据中国残联数据,我国肢体残疾2472万人,视觉障碍群体接近1800万,听力残疾者达2780万人,脑机接口发展的潜在能力巨大。中国电子技术标准化研究院预计,2027年全球脑机接口市场规模将达37亿美元。到2040年,我国脑机接口行业综合市场规模有望超过1200亿元。

  目前,我国脑机接口技术多临床应用于癫痫、脊髓损伤等疾病治疗。未来,在渐冻症、帕金森、认知障碍、抑郁症等涉及神经系统病变的诊疗中,脑机接口将大展身手。不过,要达到“完全意念控制机器”或“意识永生”,脑机接口还面临基础理论上的根本性难题,离科幻电影中的场景还很远。

  “目前脑机接口已进入探索和发展的活跃期,我国科研人员紧跟国际趋势,进行更多从0到1的原始创新。”专家这样认为,在脑机接口领域,我国成果和产业高质量发展处于全球第一梯队。

  在政策层面,脑机接口也被给予越来越多重视。1月29日,工信部等七部门联合发布《推动未来产业创新发展的实施建议》,将脑机接口列为“创新标志性产品”,鼓励研制一批易用安全的脑机接口产品,探索在医疗康复、无人驾驶、虚拟现实等典型领域的应用。

  据中国信通院发布的《脑机接口技术在医疗健康领域应用白皮书（2023年）》,2013年至2022年,医学领域脑机接口专利申请数量为1239件,中国是专利公开数量最多的国家,为602件,高于美国（195件）、韩国（119件）等其他国家。

  当然,作为一项新技术,脑机接口还面临解决安全性、脑电信号翻译、伦理等诸多问题。日前,科技部公布我国首部《脑机接口研究伦理指引》,明确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,提升人类健康和福祉；在尚未妥善处理各种风险的情况下,不应贸然开展有关技术应用,最小化对人类造成的负面影响。