走进中国脑机接口实验室

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“北脑一号”脑机接口设备

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手术后的患者正通过“北脑一号”脑机接口控制机械臂。

本报记者 马 俊

编者的话：在科幻电影中，能读取大脑信息或快速上传记忆的脑机接口技术极为酷炫。而在现实世界里，脑机接口技术距离普及似乎也越来越近了。美国亿万富豪马斯克6月底展示了旗下脑机接口公司Neuralink的最新成果，宣称“最快在2026年让盲人复明”，最终目标是实现“人机结合”；中国正在迎头赶上，北京脑科学与类脑研究所联合北京芯智达神经技术有限公司研制的“北脑一号”脑机接口已经在临床试验中植入5名患者的大脑中，实现多个“国际首次”，受到美国有线电视新闻网（CNN）等外媒的高度关注。目前脑机接口技术进展如何？是否真的能实现科幻电影里的场景？这一技术将如何改变人类的未来？带着这些问题，《环球时报》记者近日走进北京脑科学与类脑研究所。

解读言语，促进康复

当《环球时报》记者走进北京脑科学与类脑研究所的大楼时，发现不同实验室里的装备大相径庭——既有闪烁的机房，也有正在测试的机械臂，还有生化实验室。这也反映了脑机接口的跨学科特性——它同时涉及医学、机械、通信和计算等不同领域。北京脑科学与类脑研究所于2018年成立，并根据北京市前瞻布局的“智能脑机系统增强计划”，牵头成立了北京芯智达神经技术有限公司（简称芯智达）。

芯智达业务发展总监李园在接受《环球时报》记者采访时介绍说，大脑活动最根本的工作机制是通过细胞之间电信号的发放和传导，实现人体从最基础的吃饭、睡觉等生存动作，到产生复杂的记忆和情绪。基于这个认识，如果通过工程技术手段，把大脑活动产生的电信号精准地采集出来，然后进行非常低延时的传输，再通过外部的计算设备实现解码，就能解读出大脑电信号的含义。这是脑机接口最根本的原理。

目前外界关注的脑机接口技术主要用于医学复健领域，例如可利用读取的大脑信息帮助瘫痪病人控制其他设备（操作机械臂或控制电脑光标）。美国Neuralink公司的演示视频显示，手术后的瘫痪病人可以在不移动任何四肢或手指、完全依靠神经信号的情况下移动光标、选择要输入的单词、浏览网页，甚至玩电子游戏。

李园表示，得益于柔性材料、无线数据传输、人工智能帮助下的算法解码等技术的共同进步，新一代脑机接口设备实现了对大脑皮层表面的大规模电信号采集和实时快速的解码。此前的研究已证实，大脑不同的脑区负责着各自功能，因此现在脑机接口通过对瘫痪病人大脑特定区域提取脑电波信号和解码，就可以知道病人是想动手还是想动腿，是想动左手还是想动右手等；而负责语言功能的脑区主要在颞叶，不同部位分别负责言语的理解、产生以及调动哪些肌肉实现表达，因此脑机接口可以对应地解读出渐冻症等导致的言语障碍患者想要表达的语言。

如果脑机接口将外部信息通过电极反过来刺激大脑，也可以帮助失明患者重建视觉。其原理就是利用电极将摄像头拍摄的画面经过数字编码，向负责视网膜的脑区写入对应的神经电刺激信号，就可在患者脑海产生相应的影像。

李园称，更广泛的脑机接口技术，也包括让失聪患者恢复听力的人工耳蜗设备，其原理就是利用传感器感知声波，写入对应的刺激电信号，让患者产生听觉。神经调控技术的应用则更为成熟，例如癫痫、帕金森和抑郁症患者都存在脑部电信号异常的情况，随着技术的发展，可利用脑机接口技术监测相关区域的脑电波活动情况，如果出现异常就释放刺激信号进行抑制和纠正，实现更精准的神经调控的效果。

马斯克在今年6月提出，作为脑机接口技术的未来拓展方向，Neuralink下一步将让受试者通过脑电波控制“擎天柱”人形机器人。李园表示，现在“北脑一号”已具备类似能力，只要与高自由度的人形机器人进行相应的匹配，就可以遥控机器人完成不同方向的行走和拾取东西等动作。她还介绍说，如果能够有足够精细的外部设备支持，该系统还能帮助患者完成更多的康复训练。例如下肢瘫痪的患者就能够用脑信号控制高自由度的外骨骼自行行走，或者利用非常精细的电刺激控制不同肌肉群运动，绕开“失灵”的运动神经，让大脑直接指挥腿部肌肉完成迈步的动作。

三条路线，各有利弊

目前根据脑电波信号的采集深度不同，脑机接口技术由浅到深可以划分为非侵入式、半侵入式和侵入式三大类。

李园介绍说，非侵入式脑机接口不用手术，只是将电极贴在头皮上采集脑电波，因此最为安全。但这种模式收集到的是脑部的全局信号，由于脑细胞释放的电信号很微弱，隔着颅骨和头皮收集到的信息精度很低。不过它在临床上面也有很多应用，例如用于监测大脑的健康状况等。

半侵入式脑机接口需要打开颅骨，把电极贴在脑皮层或硬脑膜外，收集的脑电波精度更高，同时又不用将电极插入脑组织里面，手术风险相对更小，是在收集脑电波的质量和植入手术的安全性方面做出的平衡选择。“北脑一号”就属于半侵入式脑机接口，它是将128通道的柔性高密度薄膜电极贴敷在硬脑膜外，不触及脑组织，生物兼容性高、信号质量优异。李园解释说，电极通道数越多，传输的信号精度就越好、数据量越多，脑电波的解码信息量也更丰富。此前国际上最好的类似设备采用的是64通道，提升通道数的难点是整机的信号处理及传输速度和功耗。

而侵入式脑机接口则是直接将电极插入脑组织中，它能够非常精准地在目标神经元旁边收集信号，但手术难度和风险高。Neuralink主推的脑机接口就采用这条技术路线，目前已经有至少9名患者完成手术。北京脑科学与类脑研究所的“北脑二号”侵入式脑机接口有线版本也在国际上首次实现了猴子用意念拦截运动目标。据《环球时报》记者了解，“北脑二号”今年将完成微型无线全植入工程机的开发，有望在2026年进入临床验证。李园表示，“从临床的接受度和实用性上来讲，半侵入式脑机接口会推进得更快，因为它的手术风险相当低，同时已经能够帮助很多瘫痪患者改善部分生活质量。目前侵入式脑机接口暂时还没有在改善患者方面表现出更多优势，但从长远来看，侵入式脑机接口能够提供更高的信号精度，未来的可拓展性更强。”

此外，另一家知名脑机接口企业美国Synchron公司采用介入式技术，它非常巧妙地从颈部顺着血管将电极送入颅内的指定位置收集脑电波信号，相对于侵入式和半侵入式脑机接口的开颅手术，它的风险要小得多。但由于血管中的血液流动会对脑电波收集产生干扰，同时能安置电极的脑部血管位置有限，因此这种技术存在明显的局限性。

首次实现中文解码

CNN引用美国乔治城大学神经科学教授马克西米利安·里森胡贝尔的评论称，相比大多数美国公司采用的侵入性技术，目前已经有5名中国患者植入了“北脑一号”半侵入式脑机接口。李园介绍说，植入该装置后并不代表患者能够立即获得相应能力，而是需要经过一段时间的术后训练，“这是一个患者适应脑机接口，脑机接口适应患者的双向过程”。她描述说，每个人的脑电波特性都不一样，因此完成植入手术的患者，会在术后训练反复练习集中注意力设想某个动作。“例如患者想抬右手，但可能设想这个动作时大脑还会有其他念头，系统需要从收集到的繁杂脑电波中识别出抬右手对应的信号。经过反复强化后，系统才能更快和更精准地识别出相关信号，同时患者也需要练习尽量集中精力减少杂念的产生。”

据介绍，首例植入“北脑一号”的患者遭遇脊髓损伤高位截瘫，术后训练两周即可完成初步的脑控，驱动肌肉刺激装置促进自身肢体运动功能逐渐康复。李园表示，这种康复训练是在手臂肌肉位置贴上刺激片，然后在大脑中想象“握手”，然后脑机接口装置接收和识别这个信号，把指令发放给刺激片，驱动肌肉完成“握手”的动作。该患者手术至今已经过去了5个月，如今他的上肢肌力明显提升，手部能够完成术前完全无法做到的动作。同时患者还能够用脑电波直接控制电脑光标和机械臂，“现在这名患者基本上实现了对电脑光标的自由控制，相当于手不能动，但他通过直接脑控光标，打开对电子世界的控制。”

接受“北脑一号”植入手术的另一名患者患有肌萎缩侧索硬化症（渐冻症），基本失去语言能力。通过一个月左右的术后训练，该患者已经可以通过脑机接口非常准确地输出近百个词语，并拼出“我想吃饭”“我想喝水”“帮我找医生”等短句，这也是无线全植入脑机系统在国际上首次实现言语障碍患者的中文解码。李园介绍说，此前还没有人尝试过用这种全植入式的脑机接口完成中文的输出，因为中文属于表意的语言，如何为脑机接口找到配套的高效解码策略还有很多探索性的工作要做。

不能过于夸大技术现状

最近几年脑机接口技术突飞猛进，在获得外界高度关注的同时，也引发不少担忧。不少民众担心未来脑机接口技术成熟后，会不会用于直接复制或上传记忆，进而侵犯个人隐私，或者像好莱坞电影《黑客帝国》描述的那样帮助人类实现群体意识相连。李园表示，就当前脑机接口的技术能力而言，这样的设想暂时还只能停留在科幻电影里，因为我们对大脑的工作机制了解得非常粗浅。她解释说：“脑科学的研究还处于早期阶段，当前科学家只初步了解了运动指令等最简单的脑部活动，对于记忆、情感等复杂脑活动的机制以及它们对应的脑区分布还有很多未知，因此也根本谈不上收集信号和解码。”其实别说情感等复杂脑活动，就连味觉和嗅觉，目前脑机接口技术都“无从下手”，因为不太清楚产生这些感觉的脑部区域具体分布。

此外，尽管脑机接口技术理论上可以实现让盲人复明，马斯克乐观预测“最快明年就能实现”，但李园认为，想用这种方法恢复正常视觉“还有非常遥远的距离”。因为视觉信号非常复杂，就如同图片信息远大于文字信息，即便是简化的黑白画面，需要传输的数据量也非常大，不是现在几千通道的电极阵列就能够解决的问题。因此所谓的让“盲人复明”，目前第一步能做到的只是让盲人“看到”像素非常低的黑白轮廓或者字母。李园认为，不能过于夸大脑机接口技术的应用前景，它不是“无所不能”，也并非所有类似病症的最好解决方案。

作为对比，北京脑科学与类脑研究所的另一个研究项目是利用基因药物治疗失明，即通过腺相关病毒载体将新型光敏蛋白基因特异性地表达在视网膜神经节细胞，将其转化为替代的光感受器，从而恢复盲人的感光能力和部分视觉功能。据介绍，一名全盲10多年的患者接受治疗后已出现明显的感光性改善，甚至能识别面前的多行视力表，具备自行在道路上行走和避障的能力。