沿血管植入感測器，無需開顱即可採集腦電信號。5月4日，全球首例非人靈長類動物介入式腦機介面試驗在北京取得成功。試驗在猴腦內實現了介入式腦機介面腦控機械臂，對推動腦科學領域研究具有重要意義，標誌著我國腦機介面技術躋身國際領先行列。
此次試驗由南開大學教授段峰團隊牽頭，與中國人民解放軍總醫院(301醫院)、上海心瑋醫療科技股份有限公司聯合完成。試驗是在前期介入式腦機介面動物(羊)試驗基礎上取得的進一步成果，實現了介入式腦電信號從被動採集到主動控制的技術飛躍，突破了血管內腦電信號採集、介入式腦電信號識別等核心技術。
●試驗 介入式腦機介面兼顧安全性、識別穩定性
腦機介面技術可以將腦電信號轉換為控制指令，從而幫助運動功能障礙患者如腦卒中、漸凍症等與外部設備交互，提升生活質量。技術研究過程中發現，侵入式腦機介面創傷大，例如美國馬斯克的Neuralink公司侵入式腦機介面試驗猴已有多隻死亡；非侵入式腦機介面易受大腦容積導體效應的影響，腦電信號長期穩定性差。段峰團隊牽頭研發的介入式腦機介面通過介入手術將介入腦電感測器貼附在猴腦血管壁上，無需開顱手術即可採集到顱內腦電信號，相較於傳統侵入式和非侵入式腦機介面，兼顧了安全性、識別穩定性。
此次試驗的介入手術由解放軍總醫院第一醫學中心神經外科吳東東團隊操作完成。介入式腦電感測器通過頸靜脈，進入矢狀竇，到達猴運動皮層腦區。在術後成功採集並識別到非人靈長類動物介入式腦電信號，實現了動物對機械臂的主動控制。
段峰介紹，此次在非人靈長類動物腦內開展的介入式腦機介面試驗研究成果，促進了介入式腦機介面從實驗室前瞻性研究向臨床應用邁進，有助於推動醫療企業產業升級，通過醫工結合打造高端醫療設備民族品牌，未來在腦疾病醫療康復領域市場前景廣闊。
●回顧 把大腦皮層的信號活動直接轉變為計算機指令
去年6月25日，我國自主研發的國內首款介入式腦機介面在北京成功完成動物試驗。那次試驗的介入式腦機介面也是由段峰教授科研團隊牽頭，與上海某科技公司聯合研發。試驗的成功，標誌著我國在腦機介面、介入機器人研究領域達到國際先進水平。
那次試驗是國內首次在羊腦內實現介入式腦機介面，突破了介入式腦電電極、血管內腦電採集等核心技術，完成了支架、導管等神經介入器械產品研製，解決了傳統侵入式腦機介面對腦區造成不可逆損傷的弊端，填補了國內介入式腦機介面領域空白，對推動我國腦科學領域發展具有重要意義。
腦機介面技術可以在不依賴外周神經系統和肌肉組織的情況下，把大腦皮層的信號活動直接轉變為計算機指令，控制外界設備。對於嚴重運動功能障礙的患者來說，腦機介面能夠幫助他們獨立控制外界設備，恢復部分運動能力，提高生活質量。
據段峰教授介紹，人體內血管的支架經過長期臨床應用及研究，已經擁有較高的安全性。事實上，通過介入式腦機介面這一方式，沿著血管植入感測器，可以連通並激活大腦區域，無需侵入大腦即可獲得腦電信息。在動物腦內開展的介入式腦機試驗研究，在改善人們因腦、脊髓、周圍神經或肌肉功能障礙引起的嚴重癱瘓患者的功能獨立性，在治療癲癇、睡眠障礙、帕金森病等疾病中具有重要意義。
據段峰教授介紹，傳統腦機介面分為侵入式腦機介面和非侵入式腦機介面。侵入式腦機介面需要通過開顱手術或者鑽透顱骨將腦電感測器植入腦內，如馬斯克的Neuralink腦機介面需要直接從頭骨植入，這可能會導致患者大腦的長期炎症。而非侵入腦機介面雖然對人沒有傷害，但是腦電信號微弱，識別準確率和實時性受限。
段峰教授科研團隊牽頭研發的介入式腦機介面技術只需要通過類似心臟搭橋的微創手術便可實現腦機連接。科研團隊採用治療中風的神經介入技術，通過靜脈將腦電感測器植入到大腦運動皮層、視覺皮層等腦區後，神經支架膨脹，將電極擠壓在靠近大腦的血管壁上，從而獲取相應腦區信號。這一技術最大的優點是不需要顱骨鑽孔或開顱手術即可獲得腦電信號，整個手術植入過程可在兩小時內完成。
●重視 「腦科學和類腦研究」列入國家重大科技創新和工程項目
目前，腦機介面已被應用於醫療健康、狀態檢測、智能生活、國防安全等眾多場景，被美國、歐盟、日本、韓國等眾多發達經濟體視作戰略級科技。據麥肯錫諮詢公司預測，未來10到20年，全球腦機介面產業將產生最多2000億美元的經濟價值。
美國早在1989年就率先提出全國性的腦科學計劃，並把20世紀最後10年命名為「腦的10年」，他們還在2013年提出被認為可與人類基因組計劃相媲美的「腦計劃」，旨在探索人類大腦工作機制、繪製腦活動全圖、推動神經科學研究、針對目前無法治癒的大腦疾病開發新療法。
1991年，歐洲出台「歐洲腦10年」計劃。2013年1月，歐盟委員會宣布人腦工程入選「未來新興旗艦技術項目」，並設立專項研發計劃「人類大腦計劃」，可在10年內(2013年至2023年)獲得10億歐元經費。日本腦/思維計劃(通過用於疾病研究的集成神經技術繪製腦圖)，於2014年6月啟動，計劃開發腦圖繪製技術，並繪製人類腦圖譜。該項目在10年內受到共400億日元的資助。
我國也高度重視腦機介面技術發展，已將「腦科學和類腦研究」列入國家重大科技創新和工程項目。中國科學院也於2022年初成立腦科學和智能技術卓越創新中心。2023年2月，中國腦機介面產業聯盟成立，將積極發揮政產學研用橋樑紐帶作用，為我國腦機介面、腦機交互、腦機智能領域規劃布局提供支撐建議，加強跨領域與行業交流，推動技術創新與應用探索，開展標準和測試研究，培育和構建產業生態，以便更好地支撐我國經濟、科技和社會發展。
科學進程
為了解大腦，科學家至少花了200年
早在1924年，德國精神科醫生漢斯·貝格爾(Hans Berger)就通過檢測發現了腦電波，這意味著人的意識可以轉化成電子信號被讀取。此後，腦機介面技術的研究開始出現，但直到20世紀70年代才真正逐漸成形。
當時，美國加州大學洛杉磯分校教授雅克·維達爾(Jacques Vidal)在科學文獻中首次用到「腦機介面」這一術語。1977年，他通過提取視覺誘發電位，完成了通過腦電對屏幕上游標樣物體的控制，這是腦機介面最早的實驗室實現形式，也意味著該技術的發展由設想進入了研究階段。
如何理解腦機介面的概念呢?要從我們的大腦談起。它是人體的控制器，主要由神經元組成，數量多達860億個，可以說是宇宙中最複雜的存在之一。大腦神經元對信息進行接收、處理和轉發，神經元之間通過級聯方式形成網路，這些網路進一步形成更複雜的交聯網路。通常情況下，中樞神經系統的活動通過外周神經系統連接身體的感覺、運動、語言等信息收發器官，實現身體內部與外部環境的信息交互。
而腦機介面則由「腦」+「機」+「介面」組成，簡稱為BCI(brain-computer interfaces)，指的是將人腦與外界具有處理或計算能力的設備(比如電腦或其他裝置)實現連接，進行直接通信的方式。
我們的大腦複雜精密但又極度脆弱，一點疾病就可能讓人束手無策。為了理解大腦，科學家們至少花了200年時間。據中國科學院院士、上海腦科學與類腦研究中心主任蒲慕明所述，現在我們對神經細胞如何處理信息了解得很清楚，但是對整個大腦複雜的網路結構了解仍不多。「到底是什麼原理使得神經細胞在某種情況下發生某些反應，我們並不是很清楚；還有大腦中的信息處理，我們對各種情緒的感知，還有一些高等認知功能——思維、抉擇甚至意識等，理解得比較粗淺。」
通過腦機介面技術，我們就可以全面地解析認識大腦了。同時，它也是神經修復領域最有潛力的診療工具，對於治療神經功能損傷引發的疾病具有重要價值。
腦機介面技術迎來大爆發
時間回到20世紀80年代至90年代，科學家們不僅研發了可行的腦機介面系統，還定義了幾種主要範式，實現了腦機介面技術真正的破冰，這些範式至今仍在採用。
1988年，法韋爾(L.A.Farwell)和唐欽(E.Donchin)提出了著名的腦機介面範式——「P300拼寫器」，該範式通過檢測電位輸出目標字元，幫助癱瘓病人與外界進行通信和交互。
1992年，埃里希·薩特(Erich E. Sutter)提出了基於視覺誘發電位的腦機介面系統。這是基於視覺誘發電位的腦機介面範式首次被應用於臨床，幫助肌萎縮側索硬化症(又稱「漸凍症」)患者以高於10個單詞/分鐘的速度向外界傳遞信息。
1998年，埃默里大學的研究員菲利普·肯尼迪(Philip Kennedy)首次將腦機介面裝備植入人體，使用無線雙電極獲得了高質量數據，實現了對電腦游標的控制……
進入21世紀以來，尤其是最近10年，在機器學習演算法和腦電信號處理技術快速發展的背景下，腦機介面的技術迎來大爆發。大批多元化範式湧現，如視覺BCI、語言BCI、情感識別等；消費級腦電感測器和腦機介面系統問世，不僅在臨床醫學上的應用得到快速推進，非醫學領域如情緒識別、虛擬現實和遊戲等方向上也出現了嘗試與探索。
用意念「手寫」，準確率可達99%
當下腦機介面的研究進展如何，又帶來了哪些改變呢?
2021年，來自斯坦福大學的研究者首次破解了「與手寫筆跡相關」的大腦活動，其開發出的皮質內腦機介面系統，讓研究受試者(因脊髓損失癱瘓)每分鐘可以打出約90個字元，是以往利用此類腦機介面打字記錄的兩倍多，並且在線原始準確率達到了94.1%，自動更正後的離線準確率超過了99%。
以往，腦機介面的主要功能是恢復患者的「運動技能」，比如藉助腦機介面設備操控機械臂抓取物品、移動電腦游標、點擊字母輸入等。而這位65歲的受試者「想像著用筆在紙上寫字」，此時其大腦中植入的電極檢測到了他試圖寫字的活動，演算法會對每個字元對應的模式進行解碼，並轉化成可在屏幕上顯示的文本。
相關論文登上Nature(《自然》)雜誌，封面上還展示了用腦控「手寫」出的字母。
2014年，腦機介面領域的學術奠基人米格爾·尼科萊利斯(Miguel Nicolelis)為一位癱瘓少年做了一套「機械戰甲」，讓少年用大腦控制機械外肢，成功為巴西世界盃完成了開球。
在運動輔助上，還有一些非植入式腦機技術也取得了驚人的成果。2019年，BrainCo做出了全球第一款腦控機械義肢產品——智能仿生手，通過採集殘疾人殘肢末端的肌電神經電信號，用深度學習的演算法來還原殘疾人的運動意圖，並讓假肢執行相應的動作，做到「手隨心動」。並且，用戶不需要做任何的手術，直接在殘臂上布上一群高通量的信息採集器，採集他的肌電和神經電。
應用
有望幫助航天員完成複雜的工作任務
早在20多年前，清華大學就對於無創腦機介面(非侵入式)進行了研究。當時，航天員上天之前，都需要進行耐力方面的特殊訓練，目的是使受訓者在接受轉動、旋轉、失重和超重等刺激時，不會發生眩暈和錯覺癥狀。在太空環境適應訓練中，航天員訓練最多的是離心機，因為離心機高強度的刺激環境，在訓練中人常常會來不及喊停便陷入眩暈。來自清華大學的團隊負責在離心機實驗環境中檢測受訓人的大腦意識狀態，通過腦機介面系統分辨出受訓人是否清醒。這種基於腦電狀態來評價人的精神狀態，並基於用戶需求給予特定反饋的技術，形成了多類應用——開發更為輕便的可穿戴設備，應用在冥想、放鬆、睡眠等健康場景以及專註力、智能玩具、藝術裝置等教育或消費類場景中。
隨著載人航天的發展，航天員在太空的工作也日趨複雜。為了突破雙手操作的限制，中國航天員已經開始試驗一種腦機交互技術。
在神舟十一號載人飛行中，我們的航天員完成了人類歷史上首次太空腦機交互試驗。航天員戴上腦電帽後，還要塗上導電膏。當導電膏從腦電帽的小孔內注入以後，導電膏里的細粒就可以填充在接觸面的縫隙里，相當於增加了採集腦電信號的觸頭和頭皮的接觸面積，可以讓腦電帽更好地採集到頭皮的腦電信號。準備好後，航天員完成了視覺刺激實驗、運動想像實驗，還通過意識控制拼寫。
我國介入式腦機介面技術進展
2022年初:中國科學院成立腦科學和智能技術卓越創新中心。
2022年6月25日:我國首次在羊腦內實現介入式腦機介面，突破了介入式腦電電極、血管內腦電採集等核心技術，完成了支架、導管等神經介入器械產品研製，解決了傳統侵入式腦機介面對腦區造成不可逆損傷的弊端，填補了國內介入式腦機介面領域空白。
2023年2月:中國腦機介面產業聯盟成立，為我國腦機介面、腦機交互、腦機智能領域規劃布局提供支撐建議。
2023年5月4日:全球首例非人靈長類動物介入式腦機介面試驗在北京取得成功。試驗在猴腦內實現了介入式腦機介面腦控機械臂，標誌著我國腦機介面技術躋身國際領先行列。
三條技術路線
●侵入式腦機介面
需要通過開顱手術或者鑽透顱骨將腦電感測器植入腦內，可能會導致患者大腦的長期炎症。
●非侵入腦機介面
將設備覆蓋在頭皮上，雖然對人沒有傷害，但是腦電信號微弱，識別準確率和實時性受限。
●介入式腦機介面
沿著血管植入感測器，可以連通並激活大腦區域，無需侵入大腦即可獲得腦電信息。
整合:朱林
文圖來源:新華社、央視新聞、北京日報、《瞭望》新聞周刊等