帮助瘫痪病人重新走路？脑机接口技术前沿与应用前景

一只猴子正在用脑芯片玩游戏。

4 月 9 日，以马斯克为 CEO 的侵入性脑机接口公司 Neuralink 发布了最新进展。六周前，一只名叫 Pager 的 9 岁猕猴在其大脑中植入了两个脑机接口设备。训练后，它可以用大脑控制光标在屏幕上移动。马斯克随后在社交媒体 Twitter 上评论道：“Neuralink 的第一个产品可能是帮助瘫痪患者用大脑操作智能手机，甚至比普通人用手指操作还快”，“后续产品形式可能是颅内的神经电信号被转化为运动/感觉刺激，以帮助（例如）瘫痪的患者再次行走。”

但究竟什么是脑机接口？这种探索背后的潜在驱动逻辑是什么？有哪些技术路径？应用前景如何？目前科研和产业前沿的概况是怎样的？哪些方向率先实现商业化突破？本文将尝试从脑机接口技术的分类路线、应用方向、商业化等方面来消除该技术的网络科幻形象，梳理出一条了解其发展脉络和产业化的主线探索。

脑机接口底层驱动逻辑

1924 年，德国精神病学家 Hans Berger 发现了神经电活动并将其记录为脑电图 (EEG)。 1970 年代，美国国防高级研究计划局 (DARPA) 开始探索大脑的潜力。 1973年，加州大学洛杉矶分校教授雅克·维达尔首先提出脑机接口（BrainComputer Interface，BCI）的概念。直到21世纪，脑机接口才开始引起学术界的关注。近十年来，脑机接口真正成为学术研究的热点领域，并逐渐走向商业化。

随着现代科技和医疗技术的发展，人类的预期寿命不断增加。目前80至90岁，预计本世纪下半叶将超过100岁。未来 50 年，预计 30% 到 60% 的人口将活到 90 岁以上。然而，目前的现实是，绝大多数人在 50 岁之间就开始出现脑功能下降导致的问题70，如记忆力减退、痴呆、抑郁、癫痫、脑肿瘤和脑萎缩。如果不从根本上改善这些与大脑有关的问题，一个预期寿命普遍较长的社会将面临巨大的文化、伦理和经济挑战。这就是人类平均寿命的快速增长与大脑有限的工作寿命之间的矛盾。

另一方面，过去50年的信息技术革命为人类社会带来了指数级增长的信息增量。但是，相关的人类学证据表明，在过去的 2000 年里，人类的个体大脑并没有出现。显着的生物进化。这意味着人类文明知识的爆炸式发展远远超过了生物大脑的进化速度，两者之间也存在着明显的矛盾。

人类本体与生物大脑的两大矛盾将长期伴随着我们。脑科学和脑机接口技术的发展可能有助于我们发现解决这两个矛盾的关键问题，从而获得变革性的解决方案。我们认为这是近年来脑机接口快速发展的底层驱动逻辑。

过去十年是全球脑科学和神经工程领域发展最快的十年。一方面，包括中国在内的全球主要经济体积极推动脑科学研究，提出脑计划；另一方面，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，创造了一个又一个激动人心的里程碑。

脑机接口技术路线分类

我们拆解脑机接口的关键部件，了解脑机接口的定义。大脑是指有机生命形式的大脑或神经系统，而不是抽象的头脑；计算机或机器是指任何以简单电路形式的处理或计算设备，以硅基芯片到外部计算或运动设备；接口是信息交换的中介。

这种中介以PC时代的键盘+鼠标+图形显示器、智能手机时代的触摸屏、5G万物互联时代的各种智能传感器为代表。在人机互联时代，脑机接口代表着人与外部设备之间建立的直接连接路径。

简单理解，脑机接口就是一个闭环的神经信息通信和控制系统。神经信息交流与控制闭环的实现离不开信号采集、信号分析解码成指令、指令编码成行为、实时反馈到大脑四个步骤。

上一篇文章中提到的猴子用大脑玩电子游戏的案例就明白了。这4个步骤分别对应：1）植入大脑的电极收集神经元发出的电信号，2）将信号解析成操纵光标移动的指令，3）指令为用于控制计算机系统中的光标移动，4）猴子用肉眼观察光标移动（获得视觉反馈），然后开始思考下一次光标移动会在哪里。

根据信息采集方式，脑机接口可分为侵入式和非侵入式两种技术路径。

侵入性脑机接口植入传感设备，例如将颅内神经信号收集到大脑皮层或附着在大脑硬脑膜上的电极。这种方式采集的信号具有较高的信噪比和时空分辨率，是侵入式脑机接口相对于非侵入式脑机接口的最大优势。

但是，侵入性脑机接口不可避免地会对脑组织造成损伤，因此一般首选动物作为实验对象。目前只有少数实验用于严重的神经或精神疾病患者，旨在部分或完全恢复因疾病或事故而丧失的参与者的感觉或运动能力，这也是目前对侵入性脑的研究-电脑界面。重点方向之一。我们将在以下部分列举这方面的几个突破。

过去50年的大部分时间里，集成电路都遵循摩尔定律的指导，而侵入式脑机接口领域也有类似摩尔定律的发展规律：平均7.两倍4 年内可以同时记录的神经元数量。在 2010 年代，这个数据量在 200 到 300 个左右。进入 2020 年，Neuralink 的电极已经达到了 1024 个通道，大大增加了可以同时记录的神经元数量，这也是 Neuralink 对当前侵入性脑机的重要贡献界面研究。

人脑中有大约 850 亿个神经元。我们知道，当可以同时记录的神经元数量达到10万个数量级时，或许人类对脑部疾病和脑部活动的认识会更加深入。清晰的认知。目前，我们还处于从千级向万级迈进的阶段。

然而，侵入式脑机接口目前仅作用于局部大脑皮层，在附近区域植入过多电极或收集更精确信号的边际效应正在减弱。一个更可行的方法是从多个区域收集信号，就像我们在 Neuralink 的猴子实验中看到的那样使用两个接口，但问题是大脑暴露在更多的风险中，这是一个两难的选择。 .

无创脑机接口是目前最常用的脑信号采集路径，也是商业探索中最有可能率先实现的技术路径。虽然采集到的信号强度远弱于侵入式脑机接口方案，信噪比低，时空分辨率更加模糊，但由于该方案不会对脑组织造成伤口损伤，它更适合包容性应用。潜在的。目前无创脑机接口的研究重点一方面在于对信号监测分析设备和算法的改进，另一方面与多种潜在应用场景深度融合，挖掘应用潜力.

脑机接口的三个应用层次

我们将脑机接口的应用从单向输出到形成闭环电路，技术难度从低到高，商业化从低到高。已实现探索的逻辑分为三个层次：状态识别与监测、信息交换与控制、感觉/运动功能康复与增强。

在第一层次，状态识别和监测脑机接口正在进入教育、娱乐和职业培训领域。在这样的商业落地场景下，非侵入式脑机接口方案是主流。该应用的前提是通过便携和可穿戴设备实现对脑电信号的准确采集。过去，脑电波信号的采集依赖于复杂的外部设备，需要测试对象在头部涂上导电胶，并戴上覆盖着电缆的笨重帽子。得益于近年来材料科学和信号处理算法的突破，可穿戴脑电检测设备日趋成熟。

在教育中，可穿戴脑电检测设备可用于实时评估学生的注意力水平，帮助教师获得教学效果的实时反馈，为改进教学内容安排提供参考。在游戏娱乐方面，可以用来监测电竞选手在训练时的计时表现，作为提升训练效果的参考。在专业培训工作管理方面，由于航天员、飞行员、航空空中交通管制员等特殊岗位人员的认知负荷和疲劳程度对工作安全和绩效非常重要，实时监测数据可作为工作管理的重要客观依据。 .

第二个层次，信息交换和控制在这个层次。我们已经观察到越来越多的大脑控制的外部设备的出现。典型场景包括大脑控制的机械臂和假肢。一个场景也是一个同时探索侵入式和非侵入式脑机接口技术路径的场景。

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的大脑中植入了 100 个电极，让猴子可以通过思想控制机械臂的进食，这是一种侵入性大脑。探索机器接口应用的重要里程碑。

2012 年，布朗大学 (BrainGate) 的一个研究团队在《自然》杂志上发表了一篇论文，报告称他们成功地帮助一名 15 岁的中风患者通过机械臂完成了抓取和进食的动作。实验对象全程不依赖外界帮助，通过意念远程控制机械臂。

中国在这一领域也取得了重要突破。 2020年，浙江大学完成了国内首个侵入式脑机接口的临床转化研究。一名 72 岁的截瘫男子通过植入电极控制机械臂，还实现了抓握和喂食的动作。与BrainGate较早的成果相比，国内这项脑机接口研究的课题较早，挑战也较大。

全球在这个方向上的最新成果是，2020年，美国约翰霍普金斯大学宣布首次实现两个机械臂同时控制。据研究人员介绍，控制两个机械臂并不是简单的动作总和，难度比控制单个机械臂高出数倍。

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刚性的、针状电极植入大脑的。使用这种电极的问题在于，除了长期不可避免的损害外，大脑的排斥还会在电极周围产生神经胶质疤痕，影响信号强度。因此，使用柔性电极代替针状电极是开发侵入式脑机接口以尽量减少对人体伤害的必然趋势。目前，Neuralink在这方面已经迈出了一大步。

无创脑机接口的应用以智能肌电假体为代表。以往实验研究的目标是让肢体健康但获得中风和瘫痪的患者通过侵入性脑机接口方案获得控制外部设备的能力，而假肢的任务是使肢体残疾但不瘫痪的人恢复站立并自由行走或使用双手。

在科学家将脑机接口技术应用于假肢开发之前，传统的廉价假肢通常是由木材或硅胶材料制成的机械假肢，没有任何智能特性。一些海外高端品牌如冰岛的Ossur、德国的Ottobock，价格昂贵，让大部分真正需要的残疾人无法受益，智力水平还不够。

2019 年《时代》杂志评选的“2019 年 100 项发明”包括 BrainRobotics，这是一款基于无创脑机接口技术的智能肌电图 (EMG) 假体。该假体由BrainCo（强脑科技）研发，利用人工智能算法处理神经电和肌电信号，实现仿生神经肌肉通路的构建。

原理是通过表面肌电传感器检测残疾患者残肢的肌肉活动，训练患者通过主动收缩肌肉来实现对假肢各种操作的控制。随着这种假肢产品的普及，我们见证了毛笔写字、弹钢琴、攀岩等极其艰巨的挑战。

以上介绍中，瘫痪患者通过脑机接口技术获得了控制外部设备的能力，截肢者可以自由使用假肢，但这种向大脑反馈信号的方式是视觉，而不是视觉。触。接下来，我们讨论BCI的第三个应用层面——感觉/运动功能的康复或重建。

第三层次，感觉/运动功能康复与重建。 2014年，在巴西举行的世界杯开幕式上，瘫痪的小伙子胡利亚诺·平托在脑机接口和机械外骨骼的帮助下，踢进了世界杯的第一个进球。这项研究的背后，是美国杜克大学神经工程教授米格尔·尼科尔利斯，他是世界著名的脑机接口领域科学家，《脑机穿越》的作者，“脑机交叉”的发起人。重走计划。

2016 年，米格尔教授的研究团队在《科学报告》杂志上发表了一篇论文，称长期瘫痪的患者在非侵入性脑机接口和外骨骼的帮助下接受了训练以恢复部分身体功能。其原理是将大脑对截瘫以下肢体的运动指令通过脑机接口传递给外骨骼，由外骨骼驱动四肢运动，从而达到主动训练的目的。经过世界杯开幕式前后10个月的训练，胡利亚诺的瘫痪登记从T4变成了T11脑机接口最新进展，这意味着他的七块椎骨恢复了感觉和运动控制。

在随后的长期随访中，研究人员注意到，四名瘫痪患者在经过 12 个月的训练后，下肢知觉和肌肉控制发生了显着变化，以至于医生将诊断从“完全瘫痪”修正为一年前到“局部瘫痪”； 28 个月后，八名受试者中有七名明显改善。康复最好的病人甚至可以离开机器人外骨骼。

这是脑机接口在脊髓损伤康复领域的一项了不起的成就。米格尔教授还表示，这项研究未来可能会转化为脊髓损伤致瘫痪的康复治疗，为全球约2500万有需要的人带来希望。

此外，2020年，美国巴特尔纪念研究所的一个研究团队在《细胞》杂志上发表论文，宣布使用侵入式脑机接口成功恢复了四肢瘫痪患者的运动功能和触觉。同时，也成为瘫痪康复领域的又一里程碑式突破。

期待脑机接口不久的将来

脑机接口不是新技术或新概念。经过50多年的发展，逐渐从学术界走向创业锁定。虽然目前落地应用案例相对较少，但已经呈现出明显的趋势和巨大的潜力。实际应用与大众对脑机接口概念的期待可能还有一段距离，但短期来看，其发展方向是明确的、可执行的。

我们认为，侵入式脑机接口实现人类应用的物理基础在短期内将向以下方向发展：1）开发更具生物相容性和柔性的电极材料，2）采用更安全的植入方式，3）神经信号记录仪的小型化发展，4）从有线连接到无线连接的转变，既要实现数据的高通量传输，同时也要考虑到考虑到电池功耗和充放电频率的要求。

无创脑机接口的潜力在于探索更多场景的应用，比如游戏娱乐、注意力提升、解决失眠问题、自闭症干预治疗、阿尔茨海默病延缓等。此外，无创脑机接口与VR、机械外骨骼等外部技术相结合脑机接口最新进展，在瘫痪康复领域也有很大的应用前景。