脑机接口技术前沿与应用展望

一只猴子正在通过大脑芯片玩游戏。

　　4月9日，由马斯克担任CEO的侵入式脑机接口公司Neuralink发布了最新进展。一只名叫Pager的9岁猕猴于6周前在脑内植入了两个脑机接口设备，经过训练后，它可以用大脑控制光标在屏幕上移动。随后马斯克在社交媒体Twitter上评论：“Neuralink的第一款产品可能是帮助瘫痪病人用大脑操作智能手机，甚至比普通人用手指操作还快”，“之后的产品形式可能是将颅内的神经电信号转化为运动/感官刺激，从而（举个例子）帮助瘫痪病人重新行走”。
　　然而脑机接口究竟是什么？这项探索背后的底层驱动逻辑是什么？有哪些技术路径？有哪些应用前景？目前科研与产业的前沿概况是怎样的？哪些方向最先实现商业化落地的突破？本文将从脑机接口技术分类路线、应用方向、商业化落地案例等角度尝试为读者拨开这项技术的赛博科幻表象，并梳理出一条理解其发展脉络与产业化探索的主线。
　　脑机接口的底层驱动逻辑
1924年，德国精神病学家Hans Berger发现了神经电的活动并记录成了脑电图（electroencephalogram, EEG）。上世纪70年代，美国国防预先研究计划局（DARPA）开始发力探索大脑潜力。1973年，美国加州大学洛杉矶分校教授Jacques Vidal首次提出了脑机接口概念（BrainComputer Interface, BCI）。直至进入二十一世纪，脑机接口开始受到学术界关注。近十年来，脑机接口真正成为学术研究的热点领域，并逐步走向商业化。
　　随着现代科技和医疗技术的发展，人类预期寿命不断提高，目前是80~90岁，在本世纪后半叶甚至有望突破100岁。未来50年，30% ~ 60%的人群有望活到超过90岁。然而，当下现实情况是，绝大多数人群在50~70岁开始出现脑功能下降带来的问题，比如记忆力下降、痴呆、抑郁、癫痫、脑肿瘤、脑萎缩等等。如果这些与大脑相关的问题得不到根本性的改善，一个人群普遍寿命延长的社会将会面临着文化、伦理和经济等层面的巨大挑战。这是人类平均寿命快速增长与大脑工作寿命有限之间的矛盾。
　　另一方面，近50年的信息技术革命给人类社会带来了指数级增长的信息增量，然而人类学的相关证据表明，过去2000年来人类的个体大脑并未发生显著的生物学进化。这意味着人类文明知识的爆炸式发展远远超过生物大脑的进化速度，二者之间也存在显著矛盾。
　　人类本体和生物大脑的两大矛盾将长期伴随我们存在。脑科学与脑机接口技术的发展或许将帮助我们发现解决这两大矛盾的关键问题，从而获得变革性的解决方案。我们认为，这是脑机接口近年来获得快速发展的底层驱动逻辑。
　　上一个十年是全球脑科学和神经工程方面发展最为快速的十年。一方面，包括中国在内的全球主要经济体在主动推进脑科学研究，纷纷提出Brain Project；另一方面，在神经工程领域也涌现出一批初创企业。在这些力量的推动下，脑机接口技术不断自我迭代，正在创造出一个又一个令人激动的里程碑。
　　脑机接口技术路线分类
我们拆解开脑机接口的关键组成部分来理解脑机接口的定义。脑（brain），是指有机生命形式的脑或者神经系统，而并非抽象的心智（mind）；机（computer或者machine），是指任何处理或计算的设备，其形式可以从简单电路到硅基芯片到外部的计算或运动设备；接口（interface）是一种用于信息交换的中介。
　　这种中介在PC时代是以键盘+鼠标+图形显示为代表，在智能手机时代以触摸屏为代表，在5G万物互联时代以各种智能传感器为代表。在人机互联的时代，脑机接口代表着人与外部设备间建立的直接连接通路。
　　简单理解，脑机接口是一个闭环的神经信息通信和控制系统。实现神经信息通信和控制的闭环离不开 4个步骤：信号采集、信号分析解码成指令、将指令编码成行为、实时反馈回大脑。
　　以前文中提到的猴子用大脑玩电子游戏的案例来理解，这4步分别对应着：1）植入大脑中的电极采集到神经元发出的电信号，2）将该信号解析成操控光标运动的指令，3）用指令控制计算机系统内的光标移动，4）猴子用肉眼观察到光标移动（获得视觉反馈），然后开始思考下一次光标移动的位置。
　　按照信息采集的方式，脑机接口可以分为侵入式和非侵入式两种技术路径。
　　侵入式脑机接口，是将收集颅内神经信号的电极等传感设备植入到大脑皮层中，或者贴合到大脑硬膜上。以这种方式采集到的信号具有较高的信噪比和时空分辨率，这是侵入式脑机接口相比于非侵入式脑机接口最大的优势。
　　然而，侵入式脑机接口无可避免的会对脑组织造成损伤，因此一般首选以动物作为实验对象。目前只有极少数实验用于患有严重神经或精神疾病的病人，旨在部分或者全部恢复实验参与对象的因为疾病或意外事故丧失的感知觉或运动能力，这也是当下侵入式脑机接口研究的重点方向之一。我们将在后文中列举几项有关方面的突破性进展。
　　过去50年中的大部分时间里，集成电路遵循着摩尔定律的指引向前发展，侵入式脑机接口领域也存在着一个类似于摩尔定律的发展规律：平均每7.4年可同时被记录的神经元数量翻倍。2010年代，这一数据量在200~300个左右。进入2020年，Neuralink展示的电极已经达到了1024通道，大大提升了可同时记录的神经元的数量，这也是Neuralink对当前侵入式脑机接口研究的重要贡献。
　　人类大脑中大约有850亿个神经元，我们了解到，当能够同时被记录的神经元数量达到10万量级的时候，或许人类对脑疾病和脑活动会有较清晰的认知。目前我们还在从1000量级迈向10000量级的阶段。
　　然而，侵入式脑机接口目前还只作用在局部大脑皮层，在相近地区植入太多的电极或采集更精准的信号带来的边际效应是递减的。更可行的办法是采集多个区域的信号，就像我们看到Neuralink的猴子实验中使用了两个接口，但带来的问题是大脑被暴露在更多的风险中，这是一个两难的选择。
　　非侵入式脑机接口，是目前最常采用的脑信号采集路径，也是在商业化探索中更有望率先落地的技术路径。虽然采集的信号强度远远弱于侵入式脑机接口方案，信噪比低，时空分辨率更模糊，但因为这种方案不会对脑组织造成创口伤害，因此在普惠式应用方面更有潜力。非侵入式脑机接口当下的研究重点，一方面在于信号监测和分析设备及算法的改进，另一方面在于与多种潜在应用场景深度结合，探索应用潜力。
　　脑机接口的三大应用层面
我们将脑机接口的应用按照从单向输出到形成闭环回路、技术难度从低到高、商业化落地从已落地到探索中的逻辑划分为三个层面：状态识别与监测、信息交流与控制、感知/运动功能康复与增强。
　　第一个层面，状态识别与监测脑机接口正在切入教育、文娱、专业培训等领域，在这类商业落地场景中，非侵入式脑机接口方案是主流。这种应用实现的前提是通过便携化、可穿戴的设备实现对脑电信号的精准获取。以往，脑电波信号获取依赖复杂的外部仪器设备，要求被测试者在头上涂抹导电胶，并佩戴笨重的、布满线缆的帽子。得益于近年来材料学、信号处理算法等方面的突破，可穿戴的脑电检测设备已经成熟。
　　在教育方面，可以利用可穿戴脑电检测设备对学生的注意力水平进行实时评测，帮助教师获得教学效果的实时反馈，并为改进教学内容安排提供参考。在游戏文娱方面，可以用来监测电竞选手训练期间的时序性表现作为提升训练效果的参考。在专业培训工作管理方面，由于宇航员、飞行员、航空空中交通管制员等特殊作业岗位人员的认知负荷、疲劳程度对于工作安全、绩效十分重要，实时取得监测数据可以作为工作管理的重要客观依据。
　　第二个层面，信息交流与控制在这一层，我们观察到有越来越多的脑控外部设备等成果的出现，典型场景如脑控机械臂、假肢，这一场景也是侵入式和非侵入式脑机接口两种技术路径都在发力探索的场景。
　　2008年，美国匹兹堡大学和卡内基梅隆大学的研究人员在猴子大脑中植入了100个电极，实现了让猴子通过意念控制机械臂喂食，这是侵入式脑机接口应用探索中的重要里程碑。
　　2012年，美国布朗大学研究团队（BrainGate）在Nature期刊发表论文，报告了他们成功帮助中风15年的病人通过机械臂完成抓取和进食动作。实验对象全程没有依赖外界帮助，通过意念遥控了机械臂。
　　中国在这一领域也取得了重要突破。2020年，浙江大学完成了中国首例侵入式脑机接口临床转化研究，一位72岁的高位截瘫老人通过植入式电极控制机械臂同样实现了抓取和喂食的动作。相比于BrainGate早些时候取得的成绩，中国的这次脑机接口研究的对象年龄更大，挑战也更大。
　　在这一方向全球最新的成果是，2020年美国约翰霍普金斯大学宣布首次实现同时控制两条机械臂。根据研究人员的介绍，控制两条机械臂并非简单的动作求和，难度相比于控制单条机械臂有了数倍的提升。
　　以上三个案例都是基于侵入式脑机接口，神经信号的采集也是通过硬质的、针状的电极植入脑内。采用这种电极的问题是，除了长期不可避免的损伤，大脑的排异反应会在电极周边产生胶质瘢痕，影响信号强度。因此，采用柔性电极替代针状电极是侵入式脑机接口发展的必然趋势，以最大程度上降低对人体伤害，目前Neuralink已经将这方面进展向前推进了一大步。
　　非侵入式脑机接口应用以智能肌电假肢为代表。前面几项实验研究的目标是，通过侵入式脑机接口方案，让四肢健全但后天原因导致中风、瘫痪的病人获得控制外部设备的能力，而假肢的任务是让肢体残疾、但并未因此瘫痪的人士重新站立行走或者自如地使用双手。
　　在科学家将脑机接口技术应用于假肢研发之前，传统的平价假肢通常是木质或者硅胶等材料制成的机械假肢，没有任何的智能属性。一些海外高端品牌如冰岛的奥索（Ossur）、德国的奥托博克（Ottobock）价格高昂，让大部分真正需要的残疾人群体无缘受益，且智能化水平依然不足。
　　2019年《时代》周刊评选的“2019全球百大发明”中包括了一款基于非侵入式脑机接口技术的智能肌电（electromyogram，EMG）假肢——BrainRobotics。该假肢由BrainCo（强脑科技）公司研发，采用人工智能算法处理神经电和肌电信号，实现了仿生神经肌肉通路的构建。
　　其原理是通过表面肌电传感器检测残疾患者残余肢体的肌肉活动，训练患者通过主动收缩肌肉来实现让假肢做出多种操作的控制。随着这款假肢产品向市场的推广普及，我们已经看到诸如写毛笔字、弹钢琴、攀岩这类难度极高的挑战也得以实现。
　　以上介绍中，瘫痪病人通过脑机接口技术获得了控制外部设备的能力，以及截肢患者得以自如的使用假肢，但这种将信号反馈回大脑的方式是视觉，而不是触觉。接下来，我们讨论脑机接口的第三个应用层面——感知/运动功能的康复或重建。
　　第三个层面，感知/运动功能康复与重建
　　2014年，在巴西举办的世界杯开幕式上，全身瘫痪的小伙Juliano Pinto在脑机接口和机械外骨骼的帮助下踢出了当年世界杯的第一球。这项研究成果的背后是美国杜克大学神经工程学教授Miguel Nicholelis，他是脑机接口领域享有世界声望的科学家、《脑机穿越》著作者、Walk Again Project的发起人。
　　2016年，Miguel教授研究团队在Scientific Reports期刊发表论文，长期瘫痪的病人在借助非侵入式脑机接口和外骨骼的帮助下，经过训练恢复了部分身体功能。其原理是通过脑机接口将大脑对截瘫以下部位肢体的运动指令传递给外骨骼，通过外骨骼带动肢体运动，进而达到主动训练目的。经过世界杯开幕式前后10个月的训练，Juliano的瘫痪登记从T4变为T11 一下，这意味着他有7节脊椎恢复了感知和运动控制功能。
　　在随后的长期跟踪过程中，研究人员指出，有4名瘫痪病人在接受12个月的训练后，他们的下肢感知能力和肌肉控制能力发生了显著变化，以至于医生把诊断结果从一年前的“完全瘫痪”修改成“部分瘫痪”；28个月后，8名实验对象中的7名得到了显著改善。恢复最好的患者甚至能够不再依靠机械外骨骼行走。
　　这是目前脑机接口在脊髓损伤康复治疗领域取得的令世人瞩目的成就。Miguel教授也曾表示，这项研究未来有可能转化成为脊髓损伤导致的瘫痪的康复治疗手段，为全世界约2500万有需求的人群带来希望。
　　此外，2020年，美国巴特尔纪念研究所的研究团队在Cell期刊发表论文，宣布利用侵入式脑机接口成功同时恢复了一名四肢瘫痪者的运动功能和触觉，这成为瘫痪复建领域又一项里程碑式的突破。
　　展望脑机接口不远的将来
脑机接口并非是一个全新的技术或概念，从提出至今经过50余年的发展，已经逐渐从学术界走向创业圈。虽然目前落地应用案例相对较少，但已经表现出明显的趋势和巨大的潜力。现实应用与大众对于脑机接口概念的预期或许还存在遥远的距离，但短期来看，其发展方向是清晰、可执行的。
　　我们认为侵入式脑机接口实现人体应用的物理基础，短期会朝着以下几个方向发展：1）开发生物相容性更高、更柔性的电极材料，2）采用更安全的植入方式，3）神经信号记录仪器的微型化开发，4）从有线连接向无线连接过渡，既要实现高通量的数据传输，同时也要兼顾电池功耗、充放电频率等要求。
　　非侵入式脑机接口的潜力在于探索在更多场景中的应用，比如游戏娱乐、专注力提升、解决失眠问题、自闭症干预治疗、阿尔兹海默症延缓等等。此外，将非侵入式脑机接口与VR、机械外骨骼等外界技术手段结合，在瘫痪康复治疗领域也有着巨大的应用前景。 （逸文）