通过在脑后插入一根线缆，我们就能够畅游计算机世界；只需一个意念我们就能改变“现实”；学习知识不再需要通过书本、视频等媒介，只需直接将知识传输到大脑中即可……科幻电影《黑客帝国》中的这些桥段相信不少影迷都记忆犹新。这些画面并非是天马行空的想象，而是基于“脑机接口”技术的合理设想。如今，脑机接口技术正逐步从科幻世界渗透到现实生活。

       12月1日，世界首富埃隆·马斯克表示，自己的脑机接口公司Neuralink将在6个月内开展人体试验，即把一款无线设备植入受试者大脑中。目前，这项实验所需的大部分材料已提交至美国FDA。

       Neuralink成立于2016年。最初，Neuralink公司要开发一种芯片，将人类大脑和电子设备相连，最终治愈帕金森症、阿尔兹海默症等脑部疾病，甚至是让大脑和人工智能相融合。去年12月底，马斯克公开表示，希望在2022年完成首 个脑机接口人体试验。不过，截至目前为止，Neuralink最大的成就是训练一只猴子通过心灵感应玩电子游戏。

       在发布会上，马斯克表示，Neuralink设计了一种将大脑信号转化为行动的设备，预计这项技术将首先应用于恢复视力。据外媒报道，Neuralink在材料上做出了很大的突破，公司的植入材料由一种只有4到6微米粗的“线”构成，大概是头发丝的1/10粗细，更为柔软，损伤也更小。

       那么，世界首富都在押注的脑机接口到底是什么技术？它的研发现状如何？未来前景又怎样呢？

       脑机接口的前世今生

       脑机接口（Brain-Computer Interface,BCI或Brain-Machine Interface,BMI）是指在人或动物大脑与外部设备之间创建的直接连接，从而实现脑与设备的信息交互。按照BCI信息的传送方向，分为狭义BCI和广义BCI。

       狭义BCI指输出式BCI，在大脑与外部设备之间建立直接的交流和控制通道，利用中枢神经系统产生的信号，在不依赖外周神经或肌肉的条件下，把被试者的感知觉、意念、思维等转化为外部设备的动作指令。广义BCI除了输出式BCI，还包含输入式BCI和双向闭环BCI。输入式BCI主要指外部设备向大脑输入电、磁、声、光等，以调控大脑中枢神经活动。双向闭环BCI主要指大脑向外部设备输出通信或控制指令，外部设备在执行指令过程中把结果反馈给大脑，从而完成脑-机信号交互的闭环。

       人类对大脑的探索由来已久。不过直到19世纪，人类对大脑的基础研究才取得突破性进展。同时，影像学、生物工程、材料科学、人工智能等关联学科的进步，为脑机接口的发展奠定了基础。眼下，脑机接口作为当前神经工程领域中最活跃的研究方向之一，在生物医学、神经康复和智能机器人等领域具有重要的研究意义和巨大的应用潜力，近10年来，脑机接口技术得到了长足的进步和飞速发展，应用领域也在逐渐扩大。

       2004年，Cyberkinetics公司的“犹他电极”获得FDA批准上市，开展了首次关于运动皮层脑机接口临床试验，尝试通过运动意图来完成对机械臂的控制，这标志着BCI技术正式由科研走向临床。

       2009年，美国南加州大学的Theodore Berger小组研制出能够模拟海马体功能的神经芯片。这种神经芯片植入大鼠脑内，使其成为第一种高级脑功能假体。

       2020年，浙医二院与浙江大学团队对一位高位截瘫患者植入犹他电极，通过意念控制机械臂实现进食和饮水等动作，实现中国侵入式BCI临床零的突破。2021年7月，Synchron公司的经血管植入式脑机接口产品Stentrode获得FDA的IDE（试验用医疗器械豁免）批准，成为全球首家可对永 久性植入式脑机接口进行人体临床试验的公司。

       脑机接口技术原理

       脑机接口技术是通过信号采集设备从大脑皮层采集脑电信号，之后经过放大、滤波等处理转换为可以被计算机识别的信号，然后对信号进行预处理，提取特征信号，再利用这些特征进行模式识别，最后转化为控制外部设备的具体指令，实现对外部设备的控制。

       脑机接口系统一般主要包含4个部分：信号采集、信号处理、信号执行、神经反馈。根据信号采集的侵入程度，BCI可分为非侵入式、半侵入式和侵入式三类。

       非侵入式是指通过从大脑外部采集信号，主要代表有脑电图、脑磁图。其优点是避免了手术风险，但是记录到的信号强度和分辨率不高；半侵入式是指将脑机接口植入到颅腔内，但是在大脑皮层之外。主要基于皮层脑电图进行信息分析。其获得的信号强度及分辨率弱于侵入式，优于非侵入式。侵入式是指通过手术等方式直接将电极植入到大脑皮层，这样可以获得高质量的神经信号，但是却存在着较高的安全风险和成本。在信号采集的过程中，侵入程度越深，信号分辨率越高，但安全性问题不容忽视。

       目前布局侵入式的企业较少。上文提到的Neuralink公司正在研发的脑机设备属于典型的侵入式接口。我国宁矩科技公司主要研发对象也为侵入式BCI，公司推出的国内首 个无线侵入式脑机接口设备,一代样机已开始与临床合作。

       脑机接口的研发现状和未来

       在当前阶段，BCI技术的应用主要集中在医疗健康领域，包括各类神经类和精 神类疾病在内的脑疾病治疗，如癫痫、脑卒中、帕金森病及神经退行性疾病等。伴随技术的逐渐成熟，BCI的应用将能够在健康人群生活中得到普及。麦肯锡公司在2020年发布的报告估算，BCI在未来10-20年内将产生700亿-2000亿美元的年市场价值。

       近年来，世界各国都将脑科学研究列入重点规划，美国政府与欧盟在2013年先后启动各自的“脑计划”，重点开展脑科学研究。特别是美国，早在1989年就发布了《全国性脑计划》。日本则在1996年启动脑科学研究，韩国和加拿大分别在2016年、2017年启动。

       中国“脑计划”正式诞生于2016年3月发布的“十三五”规划纲要，将“脑科学与类脑研究”列为“科技创新2030重大项目”。中国脑计划分为两大重要方向：以探索大脑秘密并攻克大脑疾病为导向的脑科学研究和以建立并发展人工智能技术为导向的类脑研究。“十三五”期间，上海成立了上海脑科学与类脑研究中心，已启动“脑科学与类脑智能”地区性计划，扶持相关企业发展。此后，在“十四五”规划和2035年远景目标中，人工智能和脑科学被明确列为国家战略科技力量。

       现阶段，中国BCI行业投融资热度主要集中在非侵入式BCI，包括可穿戴的BCI设备、脑疾病的影像诊断、脑认知康复等。中国脑科学赛道投资频次较高的投资机构有红杉中国、荷塘创投、中国电子等。其中红杉中国目前已完成了相对全面的脑科学产业赛道布局，其投资标的已覆盖到脑机接口、脑科专科医院、神经药物等细分领域。

       总之，目前的脑机接口技术还是只能实现一些并不复杂的对于脑电信号的读取和转换，从而实现对于计算机/机器人的简单控制。要想实现直更为复杂的精细化的交互和功能，实现所想即所得，还有漫长的路要走。而全球范围内对脑科学研究的大量投入有利于大幅增进人类对大脑工作方式以及如何治疗脑部疾病的理解，脑机接口作为重要的底层工具之一，未来将大有可为。

       参考：

       1.《马斯克的脑机接口公司Neuralink将在6个月内开始人体试验》，脑机接口社区，2022-12-01；

       2.《押注未来！脑机接口接连取得突破，“超人类时代”真的要来了吗？》，瞪羚社，2019-09-02；

       3.《脑机接口技术在医疗健康领域应用白皮书》，人工智能产业发展联盟，2021-7-01；

       4.FDA Authorizes Marketing of Device to Facilitate Muscle Rehabilitation in Stroke Patients, https://www.fda.gov/news-events/press-announcements/fda-authorizes-marketing-device-facilitate-muscle-rehabilitation-stroke-patients (last visited August 2nd, 2022).