2014年 巴西世界杯 開(kāi)幕式上，一位全身癱瘓的前足球運(yùn)動(dòng)員 通過(guò)腦機(jī)接口技術(shù)操控外骨骼 ，成功完成了一個(gè)2秒的開(kāi)球動(dòng)作。10年前的這2秒一直被認(rèn)為是腦機(jī)接口 技術(shù)的里程碑 。 通過(guò)腦機(jī)接口技術(shù)，這名前足球運(yùn)動(dòng)員重拾了源于球場(chǎng)的自信。在嘈雜的球場(chǎng)環(huán)境中，腦機(jī)接口發(fā)揮了穩(wěn)定操控的技術(shù)潛力。
腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展并非偶然，而是 跨學(xué)科創(chuàng)新融合 的成果。從腦科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)到材料科學(xué)、心理學(xué)，再到計(jì)算機(jī)科學(xué)， 腦機(jī)接口已經(jīng)成為多學(xué)科交叉的前沿陣地 。在腦機(jī)接口的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，我們不僅在掃清大腦與機(jī)器之間的障礙，更在逐步揭開(kāi)大腦奧秘的同時(shí)，推動(dòng)著 人類智慧進(jìn)一步發(fā)展 。
在本篇行研報(bào)告中，我們將從腦機(jī)接口的 分類、科學(xué)原理、發(fā)展脈絡(luò)和商業(yè)化路徑 入手，分析這一領(lǐng)域的創(chuàng)新機(jī)會(huì)與發(fā)展方向。這也是我們發(fā)布的 第三篇與腦科學(xué)相關(guān)的報(bào)告 ，之前我們于2021年、2022年發(fā)布的兩篇行研報(bào)告?zhèn)戎赜谀X與認(rèn)知科學(xué)領(lǐng)域的起源、研究方法，以及發(fā)展出的新工具與新療法。
我們持續(xù)關(guān)注腦科學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)業(yè)投資機(jī)會(huì)，期待與更多創(chuàng)新公司同行， 解鎖更多未知的領(lǐng)域 。
互動(dòng)福利
你期待 腦機(jī)接口技術(shù)給生活帶來(lái)什么樣的變化 ？歡迎在評(píng)論區(qū)留言，我們將隨機(jī)挑選5位讀者，分別送出 《腦機(jī)接口 從科幻到現(xiàn)實(shí)》 一書(shū)。
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腦機(jī)接口是什么？對(duì)人類有什么用？
人類的大腦是一個(gè)異常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)， 擁有860億個(gè)神經(jīng)元，超過(guò)萬(wàn)億的神經(jīng)元連接 ，是目前已知信息處理能力最強(qiáng)的“計(jì)算機(jī)”。
《紐約時(shí)報(bào)》刊登過(guò)兩張照片，一張是小鼠的大腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，另一張是宇宙的星系，二者驚人地相似。大腦與整個(gè)宇宙似乎擁有一樣的連接結(jié)構(gòu)。因此，人的大腦也被稱為 “ 3磅重的宇宙” 。
我們?nèi)绾窝芯看竽X復(fù)雜的連接結(jié)構(gòu)，觀察、解讀乃至調(diào)控大腦的活動(dòng)？
腦機(jī)接口 通過(guò)建立 人腦與外部設(shè)備交互的“橋梁” ，為我們提供了一種新的思路。
具體而言，腦機(jī)接口中的 “腦” 指的是人類大腦和中樞神經(jīng)系統(tǒng)， “機(jī)” 則是外部設(shè)備，比如機(jī)械臂、鍵盤、鼠標(biāo)、攝像頭，甚至無(wú)人機(jī)、電子皮膚等裝置。腦機(jī)接口既可以將大腦的想法轉(zhuǎn)化為指令，控制設(shè)備，也可以通過(guò)外部設(shè)備，向人腦寫入信息。
腦機(jī)接口的研究看似充滿科幻色彩，實(shí)際上試圖解答一些根本性的問(wèn)題，比如，大腦的意圖能否被解析？是否可以直接讀取甚至“下載”大腦中的知識(shí)？另外，腦機(jī)接口的應(yīng)用潛力也讓人充滿期待。比如，腦機(jī)接口能否讓我們變得更聰明，能否實(shí)現(xiàn)“一心多用”，等等。
從更宏觀、更長(zhǎng)遠(yuǎn)的視角來(lái)看，腦機(jī)接口的價(jià)值在于人們將不再依賴語(yǔ)言或者肢體運(yùn)動(dòng)，而是 直接以大腦為媒介，與外界建立溝通。
人類無(wú)法以超越自我語(yǔ)言的速度和別人溝通。 然而，我們大腦中的知識(shí)和體驗(yàn)往往比語(yǔ)言和行為更豐富，我們的大腦也有能力通過(guò)訓(xùn)練適應(yīng)更快的閱讀（信息輸入）和寫作（信息輸出）速度。
一個(gè)更加具體的對(duì)比是， 雖然人的大腦擁有比同功耗的電腦更高的算力 ，但傳統(tǒng)的語(yǔ)言和文字輸出速度相對(duì)較慢，一般每秒40～60比特，計(jì)算機(jī)傳輸信息的速度遠(yuǎn)高于此，能夠達(dá)到每秒百萬(wàn)比特的水平，大概是語(yǔ)言的20多萬(wàn)倍。
腦機(jī)接口的出現(xiàn)有望打破傳統(tǒng)語(yǔ)言的束縛，更高效地傳遞大腦中的信息。這種新的溝通形式將在 回答神經(jīng)科學(xué)的基本問(wèn)題、干預(yù)大腦疾病、提升學(xué)習(xí)交互效率 等不同層面產(chǎn)生巨大的價(jià)值。
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為什么當(dāng)下要關(guān)注腦機(jī)接口？
1973年 ，腦機(jī)接口的概念被正式提出，如今已經(jīng)過(guò)了半個(gè)世紀(jì)。 2016年 ，標(biāo)志性腦機(jī)接口公司 Neuralink 成立，至今已經(jīng)過(guò)了7年。
如果說(shuō)7年前，腦機(jī)接口行業(yè)主要圍繞材料的創(chuàng)新和大腦電生理信號(hào)的解讀， 那么目前行業(yè)已經(jīng)開(kāi)始關(guān)注產(chǎn)品和臨床應(yīng)用的開(kāi)發(fā) 。
在產(chǎn)品和臨床端 ，Neuralink已于2024年11月獲得了加拿大衛(wèi)生部臨床試驗(yàn)批準(zhǔn)，并開(kāi)始招募志愿者，以評(píng)估Neuralink的腦機(jī)接口在“幫助四肢癱瘓患者用意念控制外部設(shè)備”方面的初步功能。在國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)洪波教授團(tuán)隊(duì)與企業(yè)共同開(kāi)發(fā)的腦機(jī)接口產(chǎn)品，于2024年8月成為我國(guó)首款進(jìn)入創(chuàng)新醫(yī)療器械特別審查程序的腦機(jī)接口產(chǎn)品。
在產(chǎn)業(yè)端 ，2024年12月，由天橋腦科學(xué)研究院與腦機(jī)接口協(xié)會(huì)聯(lián)合主辦的國(guó)際腦機(jī)接口大會(huì)在上海召開(kāi)，這是該國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)會(huì)議在創(chuàng)辦25年后首次落戶亞洲。
在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方面 ，2024年5月，國(guó)家網(wǎng)信辦等三部門印發(fā)《信息化標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)行動(dòng)計(jì)劃（2024—2027年）》，強(qiáng)調(diào)推進(jìn)腦機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)研究，加強(qiáng)輸入—輸出接口、腦信息編解碼算法、腦信息安全與隱私保護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的研制。2024年6月，中國(guó)科技部發(fā)布《腦機(jī)接口研究倫理指引》，界定和劃分了腦機(jī)接口技術(shù)中的術(shù)語(yǔ)，澄清了倫理審查工作中可能遇到的概念模糊。 這是我國(guó)首次專門編制關(guān)于腦機(jī)接口研究的倫理指引文件。
為什么腦機(jī)接口這么熱，我們?yōu)槭裁匆P(guān)注腦機(jī)接口？
從技術(shù)演進(jìn)的角度 ，腦機(jī)接口是一個(gè)交叉領(lǐng)域， 集成了腦科學(xué)、材料科學(xué)、人工智能等 領(lǐng)域的最新進(jìn)展，這些單學(xué)科的進(jìn)展將推動(dòng)腦機(jī)接口的發(fā)展。2000年以來(lái)，覆蓋不同學(xué)科的腦機(jī)接口專利的數(shù)量有了顯著的增長(zhǎng)。
從科研的角度 ，今天的腦科學(xué)研究已經(jīng)從“無(wú)從下手”進(jìn)入“部分有了手段，尚待深入”的階段。而通過(guò)侵入式腦機(jī)接口技術(shù)，預(yù)期可以實(shí)現(xiàn)從單個(gè)神經(jīng)元到百萬(wàn)神經(jīng)元的觀測(cè)，幫助我們更好地 理解人體大腦的微觀活動(dòng)和介觀活動(dòng) 。從尺寸的角度，電極目前是實(shí)現(xiàn)微觀到介觀人類大腦觀測(cè)的唯一手段。腦機(jī)接口會(huì)為 解開(kāi)腦科學(xué)的謎題 帶來(lái)新的結(jié)論。
在臨床應(yīng)用中 ，腦機(jī)接口為一些無(wú)藥可治的疾病帶來(lái)了治療新希望。比如，腦機(jī)接口有望緩解中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病（CNS）藥物研發(fā)緩慢、無(wú)藥可用的困境，可以提供一種評(píng)估CNS藥物大腦效果的方法。具體來(lái)看，腦機(jī)接口應(yīng)用于人體臨床治療，可以干預(yù)骨髓損傷、語(yǔ)言區(qū)損傷造成的失語(yǔ)癥等無(wú)藥可醫(yī)的疾病。
在市場(chǎng)規(guī)模層面 ，腦機(jī)接口的市場(chǎng)增長(zhǎng)速度快。根據(jù)研究機(jī)構(gòu)Precedence Research和Market.US的數(shù)據(jù)，2023年 全 球 腦機(jī)接口市場(chǎng)規(guī)模 已超過(guò)20億美元 ，預(yù)計(jì)將以17%的年復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，到2033年將突破100億美元。而依據(jù)量子位發(fā)布的專題報(bào)告，到2040年， 我國(guó) 腦機(jī)接口行業(yè)的綜合市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到 1250 億元，其中 設(shè)備 市場(chǎng)規(guī)模可能 超過(guò)500億元 。
另外，考慮到 國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)日益激烈和大腦數(shù)據(jù)的敏感性 ，開(kāi)發(fā)和發(fā)展自主可控的腦機(jī)接口電極材料、設(shè)備和算法，對(duì)于推動(dòng)國(guó)內(nèi)腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是必要的。
早在2018年11月，美國(guó)商務(wù)部出臺(tái)的針對(duì)最新的14大類關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品的 出口管制框架 中，就提到了包括神經(jīng)控制界面、意識(shí)—機(jī)器界面、直接神經(jīng)界面等與腦機(jī)接口直接相關(guān)的內(nèi)容。而從 專利數(shù)量 上看，我國(guó)在腦機(jī)接口技術(shù)開(kāi)發(fā)中的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在腦電數(shù)據(jù)編解碼和腦機(jī)接口優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，而美國(guó)更關(guān)注與應(yīng)用場(chǎng)景直接相關(guān)的領(lǐng)域，譬如多場(chǎng)景應(yīng)用、多模態(tài)與感官分析方法等。
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腦機(jī)接口有哪些種類？
一、根據(jù)與大腦的物理作用方式
根據(jù)與大腦的物理作用方式，腦機(jī)接口可以分為 侵入式、非侵入式、半侵入式和介入式 四個(gè)類型。我們可以用“ 探索星體 ”的視角，理解不同類型的腦機(jī)接口如何探究人類的大腦。
1、侵入式
侵入式腦機(jī)接口 類似在星球探索中， 直接登陸、收集并帶回各種土壤和標(biāo)本 進(jìn)行研究。
侵入式腦機(jī)接口直接把電極植入大腦內(nèi)部，以記錄或調(diào)控神經(jīng)元電活動(dòng)。記錄的內(nèi)容一般包括單一神經(jīng)元脈沖放電和局部區(qū)域內(nèi)多個(gè)神經(jīng)元放電產(chǎn)生的總體電位變化。相比其他類型的腦機(jī)接口，侵入式腦機(jī)接口 通過(guò)原位采集的方法 獲得的腦電信號(hào) 最精確，信息量最大 。
從臨床轉(zhuǎn)化角度看，侵入式腦機(jī)接口是目前記錄乃至調(diào)控單個(gè)神經(jīng)元到百萬(wàn)級(jí)別的神經(jīng)元， 覆蓋微觀到介觀尺度的唯一手段 。侵入式腦機(jī)接口的開(kāi)發(fā)被認(rèn)為是解讀大腦、干預(yù)某些腦重大疾病的必由之路。
另一方面，侵入式腦機(jī)接口在植入時(shí)需要進(jìn)行 開(kāi) 顱手術(shù) ，在植入后往往難以拆除，植入物需具備長(zhǎng)期的 生物相容性 。因而，侵入式腦機(jī)接口的發(fā)展相對(duì)緩慢。在臨床上，科研人員會(huì)著重評(píng)估患者的風(fēng)險(xiǎn)與獲益，優(yōu)先將腦機(jī)接口面向嚴(yán)重的肢體疾病或者腦疾病患者。
目前，通過(guò)采集腦電信號(hào)，并根據(jù)異常信號(hào)施加電刺激治療的“ 腦起搏器 ”，可以視作已經(jīng) 商業(yè)化 的“侵入式腦機(jī)接口”，主要應(yīng)用于帕金森病、特發(fā)性震顫、癲癇等疾病的治療。
相對(duì)而言，能夠更廣泛解讀大腦信號(hào)的侵入式腦機(jī)接口技術(shù)仍處于 臨床試驗(yàn)階段 。比如， 猶他電極 是侵入式腦機(jī)接口常用的電極，在2004年獲得FDA臨床試驗(yàn)許可。多達(dá)100根纖細(xì)如針一樣的電極，排布在不到1元硬幣大小的金屬材料上，能夠同時(shí)采集數(shù)百個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)。截至目前，全球僅有不到40位受試者接受了猶他電極的植入試驗(yàn)。
2、非侵入式
非侵入式腦機(jī)接口類似于遠(yuǎn)距離觀測(cè)星球。
非侵入式腦機(jī)接口，一般是在 頭皮表面 或采用非接觸的形式采集或干預(yù)大腦活動(dòng)信號(hào)。常見(jiàn)的采集信號(hào)包括腦電信號(hào)、腦磁信號(hào)、腦血氧信號(hào)等，常見(jiàn)的干預(yù)手段包括經(jīng)顱電刺激、經(jīng)顱磁刺激甚至是感官刺激等。
這種方法無(wú)需開(kāi)顱手術(shù)，使用者往往只需要佩戴頭盔、額頭貼，甚至無(wú)需與設(shè)備直接接觸，因而安全性和臨床使用便捷性較高。不過(guò)因?yàn)槭艿饺梭w大腦顱骨的屏蔽和扭曲，非侵入式腦機(jī)接口 信號(hào)分辨率不高 ，信息量可能相對(duì)有限，目前適用的控制任務(wù)較簡(jiǎn)單。
因?yàn)槭褂谜呓邮艹潭雀?，非侵入式腦機(jī)接口優(yōu)先得到了偏消費(fèi)級(jí)應(yīng)用場(chǎng)景的青睞， 商業(yè)化潛力不能低估 。比如，腦陸科技曾發(fā)布的睡眠貼SleepUp可用于睡眠監(jiān)測(cè)，也能適當(dāng)助眠。目前，科學(xué)家正在開(kāi)發(fā)新的“ 電子紋身腦機(jī)接口 ”，這是一種基于導(dǎo)電高分子材料的液體墨水，墨水干燥后，能夠在皮膚表面形成一層使用者近乎無(wú)感的薄膜電極，透過(guò)頭皮捕捉大腦活動(dòng)。
3、半侵入式
半侵入式相當(dāng)于 在衛(wèi)星軌道上觀測(cè)星球 。半侵入式腦機(jī)接口介于非侵入式和侵入式腦機(jī)接口之間，雖然仍需要通過(guò)手術(shù)布置電極，但電極并不刺入大腦皮層，而是像貼片一樣， 粘在顱骨下、皮層上方 。
因?yàn)椴皇茱B骨屏蔽的影響，這一類腦機(jī)接口技術(shù) 采集的腦電信號(hào)分辨率 顯著優(yōu)于非侵入式。同時(shí)，電極位于皮層上方，受到的免疫排異和振動(dòng)位移小， 安全性高于侵入式 。因而，相比侵入式腦機(jī)接口， 半侵入式在臨床端更容易得到認(rèn)可 。
半侵入式腦機(jī)接口遠(yuǎn)期可能是面向 癱瘓、漸凍癥、肌功能障礙 等嚴(yán)重疾病的商業(yè)化方案，近期是 完善侵入式腦機(jī)接口臨床方案 的重要里程碑。清華大學(xué)洪波教授和企業(yè)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的腦機(jī)接口目前已完成三例癱瘓患者的電極植入，所采用的正是半侵入式腦機(jī)接口技術(shù)。在科研端，半侵入式腦機(jī)接口在 語(yǔ)言 腦機(jī)接口上取得了不錯(cuò)的進(jìn)展，并被用于 探索視覺(jué)重建、意念控制 等不同的場(chǎng)景。
4、介入式
半侵入式相當(dāng)于 在衛(wèi)星軌道上觀測(cè)星球 。半侵入式腦機(jī)接口介于非侵入式和侵入式腦機(jī)接口之間
介入式腦機(jī)接口類似于 在地表下的管道內(nèi) 探測(cè)星球。介入式腦機(jī)接口是通過(guò) 靜 脈支架的方式 將電極送到離大腦目標(biāo)區(qū)域較近的靜脈當(dāng)中，采集或干預(yù)大腦活動(dòng)。
得益于心臟支架近50年的臨床使用歷史，介入式腦機(jī)接口的安全性好、穩(wěn)定性高，部分產(chǎn)品已經(jīng)經(jīng)過(guò)臨床試驗(yàn)的驗(yàn)證。另一方面，由于血管對(duì)于腦電信號(hào)的屏蔽仍然顯著，而且感興趣的腦區(qū)可能沒(méi)有均勻的靜脈分布， 目前介入式腦機(jī)接口只能完成比較簡(jiǎn)單的任務(wù) ，比如腦控光標(biāo)移動(dòng)。
從商業(yè)進(jìn)程上看，介入式腦機(jī)接口可能是在非侵入式腦機(jī)接口之后，率先能 面向患者推廣的腦機(jī)接口產(chǎn)品 。
美國(guó)Synchron公司開(kāi)發(fā)的Stentrode產(chǎn)品就是一款介入式腦機(jī)接口，通過(guò)皮下植入，并經(jīng)由血管延伸到運(yùn)動(dòng)皮層附近，檢測(cè)運(yùn)動(dòng)皮層的電信號(hào)?；颊呖梢酝ㄟ^(guò)這一設(shè)備無(wú)線控制觸摸屏、鼠標(biāo)、鍵盤，實(shí)現(xiàn)打字、發(fā)郵件甚至在銀行里開(kāi)戶等操作。
二、按照中樞神經(jīng)系統(tǒng)系統(tǒng)與外界的交互方式
按照中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS系統(tǒng)）與腦機(jī)接口的交互方式，可以將腦機(jī)接口分為 讀、寫和讀寫融合 三種類型。
讀型 腦機(jī)接口通過(guò)電、磁、血氧等信號(hào)記錄大腦活動(dòng)，輸出端是外部設(shè)備，如腦控機(jī)械臂，這是比較常見(jiàn)的腦機(jī)接口類型。
寫型 腦機(jī)接口通過(guò)電、磁、超聲等作用方式，將能量或信號(hào)輸入大腦。輸入端是外部設(shè)備，如視覺(jué)假體。這一類腦機(jī)接口的作用對(duì)象和干擾因素均是大腦本身，其開(kāi)發(fā)需要深入理解大腦的生理狀態(tài)，甚至是高級(jí)認(rèn)知過(guò)程等。
讀寫融合型 腦機(jī)接口能夠融合兩種交互范式，實(shí)現(xiàn)記錄與刺激的協(xié)同。這一類閉環(huán)式的腦機(jī)接口是當(dāng)前研發(fā)的前沿領(lǐng)域，旨在高效和個(gè)性化地實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口的功能。
Neuropace開(kāi)發(fā)的 采刺一體式癲癇治療植入設(shè)備 ，可以視作一種最簡(jiǎn)單的讀寫融合類腦機(jī)接口。通過(guò)皮層半侵入式電極捕捉癲癇相關(guān)異常腦電信號(hào)，觸發(fā)腦深部電刺激抑制癲癇發(fā)作。另一類讀寫融合式腦機(jī)接口是目前在研的 “神經(jīng)電子橋”或“腦脊接口” ，從大腦提取運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)，然后將電刺激施加于脊髓斷裂處的下方，恢復(fù)病人肢體功能。我們將在下文詳細(xì)展開(kāi)。
三、按功能演進(jìn)
腦機(jī)接口按功能的演進(jìn)可以分為 修復(fù)型、改善型、增強(qiáng)型和溝通型 四類。
1、修復(fù)型
修復(fù)型腦機(jī)接口 用于彌補(bǔ)患者身體失去的機(jī)能，主要針對(duì)人的運(yùn)動(dòng)（包含語(yǔ)言表達(dá)）和感覺(jué)系統(tǒng)。開(kāi)篇我們提到的 巴西世界杯 上，癱瘓的前足球運(yùn)動(dòng)員完成2秒開(kāi)球，所使用的就是修復(fù)型腦機(jī)接口。
修復(fù)型腦機(jī)接口一直是研究的 主流方向 。一方面，運(yùn)動(dòng)皮層和感覺(jué)皮層的面積較大，有利于開(kāi)展神經(jīng)電生理的研究；另一方面，針對(duì)運(yùn)動(dòng)與感覺(jué)的試驗(yàn)可以得到受試者最直接的反饋。
迄今為止，雖然人們?cè)诶斫膺\(yùn)動(dòng)和感覺(jué)的大腦編碼領(lǐng)域取得了一定進(jìn)展，但仍無(wú)法建立完善的 人的自由意志與特征大腦信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系 。腦機(jī)接口發(fā)展的半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，修復(fù)型腦機(jī)接口主要處在實(shí)驗(yàn)室階段或者臨床試驗(yàn)階段。未來(lái)，修復(fù)型腦機(jī)接口的開(kāi)發(fā)，可能需要基于更完善數(shù)據(jù)下的 解碼能力 ，以及 配合 人類大腦本身的 學(xué)習(xí)過(guò)程 。
在修復(fù)型腦機(jī)接口中，最成功的實(shí)例是 人工耳蝸 。根據(jù)貝哲斯咨詢的報(bào)告，2023年全球的人工耳蝸市場(chǎng)達(dá)到 20.55億美元 。值得注意的是，人工耳蝸并不是直接作用于人的聽(tīng)覺(jué)皮層，而是通過(guò)不同電極分不同頻率地 與聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)（螺旋神經(jīng)元）連接 ，模仿耳蝸傳遞不同頻率聲音的工作原理。人工耳蝸修復(fù)的是人聽(tīng)到不同頻率聲音的能力，而不是幫助人形成對(duì)于聲音語(yǔ)義的理解。在植入人工耳蝸后，患者一般需要一年左右的時(shí)間，從聽(tīng)到不清楚的對(duì)話和無(wú)法分辨的聲音， 來(lái)慢慢“聽(tīng)懂”之前自己已經(jīng)熟悉的語(yǔ)言 。
2、改善型
與修復(fù)型腦機(jī)接口不同， 改善型腦機(jī)接口 往往不局限在皮層某個(gè)單一區(qū)域的電活動(dòng)，而 關(guān) 注神經(jīng)遞質(zhì)的變動(dòng) ， 以及全腦腦網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng) 。
大腦不是一個(gè)客觀信息的被動(dòng)接收者。 大腦的可塑性能夠給改善型腦機(jī)接口提供“土壤” ，從而讓腦機(jī)接口進(jìn)行精神狀態(tài)的調(diào)節(jié)，乃至精神疾病的治療，比如改善失眠、管理焦慮情緒、干預(yù)強(qiáng)迫癥、治療抑郁癥等。
值得一提的是，《自然醫(yī)學(xué)》雜志上的一篇學(xué)術(shù)文章曾分析了超過(guò)800例抑郁癥患者在靜息態(tài)和特定任務(wù)狀態(tài)下， 與抑郁癥有關(guān)的六種腦網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)模式 。
通過(guò)對(duì)這六種網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)大腦區(qū)域的活躍程度和連接組進(jìn)行量化評(píng)估，并與健康人群進(jìn)行對(duì)比，作者確定了六種不同的抑郁癥分型，每種分型都對(duì)應(yīng)獨(dú)特的大腦活動(dòng)模式。根據(jù)分型結(jié)果，作者對(duì)不同患者嘗試采用不同的治療策略， 發(fā)現(xiàn)抑郁癥分型與不同的臨床癥狀和治療反應(yīng)相關(guān) 。
這種對(duì)抑郁癥患者腦活動(dòng)的解讀、分型及治療試驗(yàn)表明， 特定的大腦活動(dòng)模式可以預(yù)測(cè)對(duì)個(gè)體患者最有效的治療策略 ，有望為抑郁癥治療的改善型腦機(jī)接口提供重要的理論支撐。
3、增強(qiáng)型
改善型腦機(jī)接口主要面向精神疾病患者，而增 強(qiáng)型腦機(jī)接口旨在增強(qiáng)健康人群的大腦功能 ，包括 提升專注力、增強(qiáng)記憶甚至是多任務(wù)處理 等。增強(qiáng)型腦機(jī)接口的開(kāi)發(fā)同樣與腦圖譜研究的進(jìn)展關(guān)聯(lián)密切。
一個(gè)增強(qiáng)型腦機(jī)接口的案例是日本尼桑開(kāi)發(fā)的 駕駛員頭戴式腦機(jī)接口 ，其在緊急情況下可將腦電波傳給汽車從而迅速制動(dòng)。開(kāi)車時(shí)，身體行為反應(yīng)比大腦活動(dòng)滯后，腦電信號(hào)控制剎車一般能夠節(jié)約 0.2～0.5秒的反應(yīng)時(shí)間 ，對(duì)應(yīng)以每小時(shí)120千米高速行駛的汽車 ， 意味著將開(kāi)始制動(dòng)的位置提前約7米 ，這對(duì)于提高駕駛的安全性意義重大。不過(guò)，因?yàn)椴捎梅乔秩胧皆O(shè)備記錄的腦電信號(hào)在控制精度和實(shí)時(shí)性上相對(duì)有限，特別是人腦在駕駛時(shí)往往是多任務(wù)模式，所以記錄的數(shù)據(jù)復(fù)雜且因人而異，“腦控剎車腦機(jī)接口”想要 落地可能還需要很長(zhǎng)一段時(shí)間 。
另一個(gè)已經(jīng)商業(yè)化的案例是Thync公司開(kāi)發(fā)的腦機(jī)接口產(chǎn)品Feelzing，通過(guò)非侵入性的經(jīng)皮耳迷走神經(jīng)刺激， 提升人在任務(wù)模式下的專注力 。公司自行開(kāi)展的雙盲對(duì)照試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，約三分之一的受試者獲得了較強(qiáng)烈的改善，包括大腦敏銳度提升、情緒和工作積極性改善、精神疲勞減少、效率提升等。
4、溝通型
溝通型腦機(jī)接口 是未來(lái)的研究重點(diǎn)，它的目標(biāo)是通過(guò)超越傳統(tǒng)語(yǔ)言的方式實(shí)現(xiàn)思想的直接交流，從而加速學(xué)習(xí)、工作和溝通的效率，實(shí)現(xiàn)人際交流中的“ 心領(lǐng)神會(huì) ”。溝通型腦機(jī)接口將帶來(lái)等效學(xué)習(xí)和交流內(nèi)容的增加，成為“群體智慧”進(jìn)步的重要驅(qū)動(dòng)力。
在目前的研究中，腦機(jī)接口僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)于 單一感覺(jué)或者單一沖動(dòng)的“共享” 。2018年，華盛頓大學(xué)開(kāi)展了一項(xiàng)三人協(xié)作玩 俄羅斯方塊 的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)從視覺(jué)皮層提取腦電信號(hào)特征，并由經(jīng)顱磁刺激傳遞“沖動(dòng)”感覺(jué)，實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證了人類可以在無(wú)語(yǔ)言交流下，僅通過(guò)腦電信號(hào)進(jìn)行任務(wù)協(xié)作。
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腦機(jī)接口的腦科學(xué)原理：本體感覺(jué)
我們?cè)谥瓣P(guān)于腦科學(xué)的行研中曾經(jīng)提到一些關(guān)于腦科學(xué)的原理， 比如 神經(jīng)可塑性 ，描述的是神經(jīng)元具有重新生成及進(jìn)行新的連接的能力。新生成的連接可以使大腦的某些區(qū)域以與先前不同的方式運(yùn)作。
我們將在本篇中詳細(xì)介紹另一個(gè)不太被提起的腦科學(xué)原理—— 本體感覺(jué)，我們可以將其視作神經(jīng)可塑性的延伸 。
大腦不僅是一個(gè)信息接收器，它還能夠?qū)ν饨邕M(jìn)行重構(gòu)，將外部物體納入自我感知范圍。這種延展的認(rèn)知能力被稱為 “本體感覺(jué)”或者“近體空間” 。
我們平時(shí)察覺(jué)到的更多是大腦傳遞給我們的“地圖”，不一定是身體的真實(shí)情況。我們的近體空間建立在我們的 身 體加工具 之上 。這種近體空間甚至可以包含電腦中的虛擬世界。
例如， 手持工具 時(shí)，我們的身體感知能夠擴(kuò)展到工具的末端， 就好像工具是我們身體的一部分 。另一個(gè)形象的例子是“車感”，是人們?cè)隈{駛中建立的對(duì)人車運(yùn)動(dòng)的整體感，人們的感知從個(gè)體拓展到了車的各個(gè)頂點(diǎn)和輪廓。
腦機(jī)接口也是在建立患者的一種“接口感” 。根據(jù)大腦能夠被塑造的特點(diǎn)，讓大腦“適應(yīng)”設(shè)備，進(jìn)而視其為自我的一部分。
倫敦大學(xué)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了這種現(xiàn)象：當(dāng)參與者使用通過(guò)腳控的機(jī)械手指作為“第六根手指”來(lái)完成任務(wù)時(shí)，大腦逐漸適應(yīng)了 機(jī)械手指 的存在，將其視為自己身體正常的延伸。受試者可以輕松協(xié)調(diào)單手的五根手指與腳控的第六根手指，完成邊做數(shù)學(xué)題邊搭積木、蒙眼做出各種手勢(shì)等多種不同的動(dòng)作。
▲參與者可使用通過(guò)腳控的機(jī)械手指作為“第六根手指”
圖片來(lái)源：倫敦大學(xué)實(shí)驗(yàn)的機(jī)械手指試驗(yàn)
后來(lái)，腦影像學(xué)結(jié)果顯示，訓(xùn)練之后，受試者大腦中每個(gè)手指對(duì)應(yīng)的大腦活動(dòng)模式更加相似，腳趾與手指的運(yùn)動(dòng)信號(hào)也變得更加相似。這種變化帶來(lái)的重塑在訓(xùn)練結(jié)束7~10天后仍然存在。 這種大腦活動(dòng)模式的適應(yīng)性變化 ，為腦機(jī)接口設(shè)備被人類“接受”為身體的一部分提供了科學(xué)依據(jù)。
人的大腦把近體空間拓展的工具當(dāng)作身體的一部分去適應(yīng)。類似地， 能夠幫助人類拓展近體空間的理想腦機(jī)接口也最終會(huì)被人體適應(yīng) 。
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腦機(jī)接口的發(fā)展脈絡(luò)：
從科幻走向現(xiàn)實(shí)，
從科研到技術(shù)，再到臨床
一、啟蒙時(shí)期（1980年前）
腦機(jī)接口的歷史最早可以追溯到 腦電 的發(fā)現(xiàn)。
1924年 ，德國(guó)精神病學(xué)家漢斯·貝爾格在一名17歲男孩的頭部疤痕附近記錄到電流計(jì)鏡面的微小振動(dòng)。這是人類歷史上第一次記錄到人腦的電活動(dòng)。
這種人腦產(chǎn)生的電信號(hào)，即我們今天熟知的 EEG（腦電圖） 信號(hào)，是大腦皮層神經(jīng)元電活動(dòng)的一種刻畫(huà)。
漢斯·貝爾格進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在不同的大腦狀態(tài)下，腦電圖會(huì)呈現(xiàn)不同的特征。例如，當(dāng)人處于清醒、放松的狀態(tài)時(shí)，大腦會(huì)出現(xiàn)頻率為8～13赫茲的α波，而在邏輯思維活動(dòng)時(shí)，大腦則會(huì)出現(xiàn)頻率為13～30赫茲的β波。
1965年 ，美國(guó)作曲家阿爾文·盧西爾通過(guò)捕捉自己α波的節(jié)律信號(hào)，成功控制打擊樂(lè)器的節(jié)奏，完成了一場(chǎng)獨(dú)特的表演。這是人類第一次通過(guò)腦電信號(hào)實(shí)現(xiàn)與外界設(shè)備的直接交互，可以說(shuō)是最早的腦機(jī)接口實(shí)例。
腦電的發(fā)現(xiàn)，以及神經(jīng)電生理的研究，為腦機(jī)接口的出現(xiàn)奠定了關(guān)鍵的基礎(chǔ)。此外，在1950—1970年，集成電路的出現(xiàn)、數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)明及由計(jì)算機(jī)完成的信號(hào)處理，提供了深入分析連續(xù)變化的腦電信號(hào)的技術(shù)手段。
當(dāng)這些元素在1970年前后“湊齊”時(shí)，腦機(jī)接口的概念應(yīng)運(yùn)而生。 1973年 ，加州大學(xué)洛杉磯分校的雅克·維達(dá)爾教授 首次提出了腦機(jī)接口的概念 ，開(kāi)始探討如何通過(guò) 腦電信號(hào)實(shí)現(xiàn)腦與計(jì)算機(jī)的直接通信 。
總的來(lái)說(shuō)，腦電信號(hào)的發(fā)現(xiàn)與解讀奠定了腦機(jī)接口的主要發(fā)展方向。雖然功能磁共振成像、腦磁圖、功能腦近紅外等手段同樣能夠記錄大腦的活動(dòng)，甚至進(jìn)行某些解碼， 但 腦電信號(hào) 依然是腦機(jī)接口的 主 要大腦信息源 。
二、探索時(shí)期（1980—2000年）
1、非侵入式腦機(jī)接口研究階段
從20世紀(jì)80年代到2000年 ，人們對(duì)于腦機(jī)接口研究進(jìn)入了深入 探索階段 。一方面，科學(xué)家們借助最早通過(guò)非侵入式的EEG信號(hào)研究，開(kāi)始了腦機(jī)接口的初步嘗試，并在基于視覺(jué)誘發(fā)電位和手部運(yùn)動(dòng)想象信號(hào)的腦機(jī)接口上取得了進(jìn)展。
視覺(jué)誘發(fā)電位 是通過(guò)記錄大腦對(duì)特定頻率視覺(jué)刺激的反應(yīng)來(lái)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)方法。當(dāng)受試者看到屏幕上以特定頻率閃爍的圖標(biāo)時(shí)，即使該頻率超過(guò)肉眼可辨識(shí)的范圍，大腦仍能有效地“捕捉”到這些信號(hào)的頻率并呈現(xiàn)在腦電圖當(dāng)中。通過(guò)設(shè)計(jì)特定的視覺(jué)輸入頻率，可以間接控制外部設(shè)備，如通過(guò)軟鍵盤打字。
手部運(yùn)動(dòng)想象 是通過(guò)對(duì)手部特定手勢(shì)的運(yùn)動(dòng)想象來(lái)控制外部設(shè)備。之所以選擇手，是因?yàn)榕c手部運(yùn)動(dòng)想象關(guān)聯(lián)的大腦皮層，在運(yùn)動(dòng)和感覺(jué)皮層中所占面積很大；對(duì)于手的運(yùn)動(dòng)想象，便于腦電圖記錄到明顯的特征信號(hào)。
值得關(guān)注的是， 清華大學(xué)高小榕教授在2002年研發(fā)出基于視覺(jué)誘發(fā)電位的腦機(jī)接口 ，受試者可以通過(guò)看屏幕上的數(shù)字撥打傳呼機(jī)，在當(dāng)時(shí)世界范圍內(nèi)是十分領(lǐng)先的。
這種基于 非侵入式腦機(jī)接口技術(shù) 實(shí)現(xiàn)的拼寫控制、輪椅控制、簡(jiǎn)單通信的 研究范式 也一直保留到了今天。
然而，EEG信號(hào)也存在一定的局限性。由于EEG只能記錄頭皮表面的橫向電位差，無(wú)法捕捉大腦皮層深處的垂直電活動(dòng)，而垂直方向的電流通常承載著較為豐富的認(rèn)知和運(yùn)動(dòng)信息， 因此EEG信號(hào)的表達(dá)信息較為有限 。此外，更重要的是，EEG無(wú)法直接與個(gè)體的自由意志進(jìn)行簡(jiǎn)單對(duì)應(yīng)，一般需要依賴外部刺激引發(fā)皮層響應(yīng)、尋找特征EEG信號(hào)而間接控制外部設(shè)備，這大大 限制了其應(yīng)用范圍 。
因此，同一時(shí)期，科學(xué)家也在開(kāi)發(fā) 侵入大 腦內(nèi)部的腦機(jī)接口電極 。
2、侵入式腦機(jī)接口研究階段
最早的一類侵入式腦機(jī)接口是美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的菲爾·肯尼迪發(fā)明的 神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)電極 ，用于記錄電極變化。他巧妙地將坐骨神經(jīng)等外周神經(jīng)片段放入電極，實(shí)驗(yàn)證明在植入大腦后，能被周圍神經(jīng)元接納而減弱免疫排斥反應(yīng)。此外，神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)電極使用玻璃漏斗，在電極和長(zhǎng)進(jìn)來(lái)的神經(jīng)軸突周圍形成絕緣隔離，起到了放大細(xì)胞外動(dòng)作電位的效果。
1998年 ，科學(xué)家開(kāi)展了最早的 侵入式運(yùn)動(dòng)腦機(jī)接口臨床試驗(yàn) 。兩根神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)電極被植入患者主運(yùn)動(dòng)皮層，患者通過(guò)手部運(yùn)動(dòng)想象實(shí)現(xiàn)了腦控光標(biāo)移動(dòng)和打字。電極植入6個(gè)月后，患者仍能保持較高的打字速率和準(zhǔn)確率。
神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)電極植入的位置有限 ，為了獲取大腦皮層更多的神經(jīng)活動(dòng)信號(hào)， 密歇根電極和猶他電極 在這一時(shí)期應(yīng)運(yùn)而生。 密歇根電極 通過(guò)微納加工工藝，在硅片上制作出一維和二維電極， 能夠在更大范圍內(nèi)采集神經(jīng)信號(hào) 。微納加工工藝解決了傳統(tǒng)手工組裝電極尺寸不一致、相對(duì)位置變化等問(wèn)題，使得試驗(yàn)的重復(fù)性大大提升。
猶他電極 是另一種基于微納加工工藝的侵入式腦機(jī)接口電極。相比密歇根電極，猶他電極的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和材料改進(jìn)使其電學(xué)性能和機(jī)械結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。21世紀(jì)初，猶他電極先于密歇根電極取得了FDA的臨床試驗(yàn)許可，成為腦機(jī)接口電極的臨床標(biāo)準(zhǔn)之一。
三、快速發(fā)展期（2000年至今）
進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著猶他電極獲得美國(guó)FDA的臨床試驗(yàn)許可， 侵入式腦機(jī)接口的臨床研究顯著加速 。
2002年 ，布朗大學(xué)的約翰·多諾霍教授開(kāi)發(fā)了一種腦機(jī)接口裝置，幫助一名中風(fēng)患者通過(guò)意念控制機(jī)械臂，成功拿起水杯。
侵入式腦機(jī)接口在 語(yǔ) 言恢復(fù) 方面也取得了顯著的進(jìn)展。 2021年 ，斯坦福大學(xué)的里希納?謝諾伊教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)在一名手臂癱瘓患者的大腦運(yùn)動(dòng)皮層植入猶他電極，采集患者手寫字母的意圖信號(hào)并轉(zhuǎn)化為文字。通過(guò)復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，患者實(shí)現(xiàn)了每分鐘90個(gè)字母的書(shū)寫速度，并且準(zhǔn)確率超過(guò)90%。
然而，伴隨著猶他電極在臨床上的初步功能性驗(yàn)證，研究人員發(fā)現(xiàn)，猶他電極長(zhǎng)期的電極植入會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的免疫排斥，使電極逐漸失去記錄電信號(hào)的能力，同時(shí)潛在影響大腦的健康。一個(gè)出人意料的試驗(yàn)證據(jù)是，當(dāng)猶他電極植入貓的大腦皮層后，隨著時(shí)間的推移，電極被覆蓋上了厚實(shí)緊密的結(jié)疤組織，甚至硬質(zhì)的電極尖端出現(xiàn)了被腦組織“掰彎”的情況。
同時(shí)，侵入式電極面臨的另一個(gè)問(wèn)題是， 大腦會(huì)隨心臟搏動(dòng)產(chǎn)生節(jié)律性的搏動(dòng) ，造成傳統(tǒng)硬質(zhì)電極無(wú)法穩(wěn)定在特定神經(jīng)元周圍，不斷產(chǎn)生的位移 影響記錄的穩(wěn)定性 。
侵入式電極的免疫排斥反應(yīng)和位置的不確定性，促使研究人員開(kāi)發(fā)新的電極材料與設(shè)計(jì)。迄今為止，研究人員一共積累了三種路徑， 包括柔性電極、半侵入式電極及介入式電極 。
如前所述，半侵入式電極和介入式電極 顯著降低了免疫排斥，但在精確度及記錄的電信號(hào)信息量方面弱于侵入式電極。
柔性電極 需要侵入大腦，采用微小的網(wǎng)狀或線狀結(jié)構(gòu)，具備較高的韌性但材質(zhì)甚至比神經(jīng)元更加柔軟。理論上，柔性電極可以匹配神經(jīng)元尺寸并附繞在其表面，因而能夠獲得高質(zhì)量的神經(jīng)元電活動(dòng)信號(hào)，同時(shí)能夠降低對(duì)于大腦的物理?yè)p傷。另一方面，腦機(jī)接口柔性電極的開(kāi)發(fā)已超過(guò)10年，材料、電極加工工藝、電極的手術(shù)植入方案等不同方向仍在被科研和產(chǎn)業(yè)廣泛探索。柔性電極的免疫排異和長(zhǎng)期人體植入安全性仍然有待長(zhǎng)期的驗(yàn)證。
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突破與平衡：對(duì)腦機(jī)接口商業(yè)化的思考
時(shí)至今日，腦機(jī)接口公司開(kāi)始進(jìn)入商業(yè)化階段。比如， 在柔性電極領(lǐng)域 ，馬斯克參與創(chuàng)辦的Neuralink公司推出了采用微絲電極的腦機(jī)接口，其已經(jīng)獲得FDA的臨床試驗(yàn)許可。
可以說(shuō)，腦機(jī)接口作為一項(xiàng)跨越神經(jīng)科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和工程學(xué)的前沿技術(shù)，展現(xiàn)出極大的潛力，然而其商業(yè)化道路需要在 獲益、風(fēng)險(xiǎn)、使用便利性及市場(chǎng)可及性 等多方面取得突破和平衡。
侵入式和非侵入式腦機(jī)接口所面對(duì)的商業(yè)化難點(diǎn)有所不同。
安全性是侵入式腦機(jī)接口 最主要的挑戰(zhàn)，包括開(kāi)顱手術(shù)帶來(lái)的創(chuàng)傷、電極材料引起的免疫排異反應(yīng)，以及大腦長(zhǎng)期植入物的潛在風(fēng)險(xiǎn)。這些安全性問(wèn)題不僅影響患者和臨床醫(yī)師的接受度，也使得腦機(jī)接口在申請(qǐng)審批時(shí)面臨挑戰(zhàn)。
非侵入式設(shè)備 安全性高，但目前多數(shù)設(shè)備舒適性不足，限制人們的日常使用。因此，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的輕量、便攜和長(zhǎng)期佩戴的舒適性是非侵入式腦機(jī)接口的重要發(fā)展方向。
腦機(jī)接口的 差異化技術(shù)路線和應(yīng)用場(chǎng)景的精準(zhǔn)匹配 是商業(yè)化的關(guān)鍵。
侵入式腦機(jī)接口 主要針對(duì)一些 難治性疾病或絕癥患者 ，例如藥物難治性癲癇、漸凍癥、全身癱瘓等。由于疾病的嚴(yán)重性， 患者對(duì)手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的接受度較高 ，因而構(gòu)成侵入式腦機(jī)接口的潛在市場(chǎng)，主要的應(yīng)用方向是恢復(fù)或替代患者的運(yùn)動(dòng)功能，包括腦控光標(biāo)移動(dòng)、腦控外骨骼運(yùn)動(dòng)、腦控語(yǔ)言通信等。然而， 這類患者群體基數(shù)較小，導(dǎo)致商業(yè)化空間有限 。
而面向 精神疾病干預(yù)、情緒調(diào)控、學(xué)習(xí)和記憶力改善 等場(chǎng)景往往有較大的使用人群，但他們對(duì)于手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的接受程度相對(duì)較低。因此，從長(zhǎng)期看， 非侵入式腦機(jī)接口更適配這些應(yīng)用場(chǎng)景 。
在 視覺(jué)重建 方面，患者人數(shù)較多，相比失明造成的生活質(zhì)量下降，患者大概率能夠接受腦機(jī)接口植入手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，視覺(jué)重建可能會(huì)成為 半侵入式和侵入式腦機(jī)接口 有潛力的商業(yè)化應(yīng)用方向。
從腦機(jī)接口的發(fā)展路徑看，腦機(jī)接口的 商業(yè)化需要多種技術(shù)手段 。
非侵入式、半侵入式、介入式腦機(jī)接口的 臨床開(kāi)發(fā)進(jìn)度 領(lǐng)先于侵入式腦機(jī)接口，但其 功能迭代 將越來(lái)越依賴侵入式腦機(jī)接口記錄的 “原位”腦電數(shù)據(jù) 。具體來(lái)看，針對(duì)難治性癲癇、帕金森病等腦疾病的侵入式治療器械，以及正在逐步進(jìn)入臨床的針對(duì)漸凍癥、全身癱瘓等重疾的侵入式腦機(jī)接口，將在中長(zhǎng)期為完成復(fù)雜任務(wù)的非侵入式、半侵入式腦機(jī)接口的開(kāi)發(fā)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)， 從而形成技術(shù)遞進(jìn)式的商業(yè)化路徑 。
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未來(lái)可以想象的腦機(jī)接口會(huì)有哪些？
未來(lái)的腦機(jī)接口應(yīng)用前景廣闊，從視覺(jué)到情緒，再到記憶，腦機(jī)接口技術(shù)未來(lái)不僅限于運(yùn)動(dòng)和語(yǔ)言功能的恢復(fù)，更將全面提升人類的生活質(zhì)量和認(rèn)知能力。
一、腦脊接口
腦脊接口，又稱“神經(jīng)電子橋”。腦脊接口的目標(biāo)是通過(guò)大腦提取運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)，將電刺激施加于脊髓受損位置的下方，恢復(fù)病人的肢體功能。
腦脊接口實(shí)現(xiàn)的一個(gè)關(guān)鍵假設(shè)是，人對(duì)下肢運(yùn)動(dòng)模式的控制是由腰椎內(nèi)的神經(jīng)回路完成的，人的大腦和小腦只是發(fā)出運(yùn)動(dòng)的起始、終止及調(diào)控信號(hào)。比如，走路的起始、終止、距離、速度等由大小腦決定，而走路的連續(xù)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的控制算法“存放”在腰椎里。因此，腦脊接口的核心在于理解大小腦的意圖，并激活腰椎相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)模式，也就是建立“ 大腦運(yùn)動(dòng)意圖→脊髓背面的電刺激序列模式→脊髓內(nèi)部運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元目標(biāo)電活動(dòng)模式序列 ”的關(guān)聯(lián)。
2021年，科學(xué)家通過(guò)腦脊接口幫助一只癱瘓的猴子重新行走。通過(guò)持續(xù)的研究和改進(jìn)，腦脊接口技術(shù)有望成為脊髓損傷患者恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能的重要手段。
視頻來(lái)源：A brain–spine interface alleviating gait deficits after spinal cord injury in primates，Nature, 2016, 539, 284
二、半侵入式語(yǔ)言腦機(jī)接口
語(yǔ)言腦機(jī)接口是專為無(wú)法說(shuō)話的癱瘓患者設(shè)計(jì)的交流工具。腦干中風(fēng)、創(chuàng)傷性腦損傷、漸凍癥等疾病可能會(huì)損害患者的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)，讓他們喪失口語(yǔ)表達(dá)的能力。盡管這些患者意識(shí)清晰，思維正常，卻無(wú)法進(jìn)行語(yǔ)言或肢體溝通。半侵入式語(yǔ)言腦機(jī)接口通過(guò)在患者大腦皮層上安裝電極陣列，捕捉患者的意圖信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為文字或語(yǔ)音，幫助他們重新表達(dá)需求。
三、提升感官認(rèn)知能力腦機(jī)接口
視覺(jué)腦機(jī)接口 ：目前已有3種視網(wǎng)膜假體獲得FDA批準(zhǔn)，能夠幫助視力受損者部分恢復(fù)視覺(jué)，不過(guò)因?yàn)樵谘鄄窟M(jìn)行手術(shù)和刺激難度大，產(chǎn)品均已停售。直接在視覺(jué)皮層植入腦機(jī)接口，幫助后天失明的患者重新獲得視覺(jué)體驗(yàn)，可能是唯一可行的方案，核心難點(diǎn)在于對(duì)明暗、方位、顏色、運(yùn)動(dòng)、深度等視覺(jué)基本信息的組合，以及如何寫入人的大腦。
情緒調(diào)控的腦機(jī)接口 ：通過(guò)檢測(cè)和調(diào)控腦內(nèi)的神經(jīng)遞質(zhì)水平，來(lái)干預(yù)患者的精神和情緒狀態(tài)，這在嚴(yán)重精神疾病治療上具有重大意義。
自體感覺(jué)腦機(jī)接口 ： 為人造肢體提供真實(shí)的觸覺(jué)反饋，讓使用者更好地掌控假肢。
記憶力腦機(jī)接口 ： 通過(guò)增強(qiáng)或調(diào)節(jié)多個(gè)腦區(qū)的同步活動(dòng)來(lái)增強(qiáng)長(zhǎng)期記憶力。
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腦機(jī)接口怎么投？
總體而言，腦機(jī)接口的 市場(chǎng)想象空間廣闊 。無(wú)論是非侵入式還是侵入式、半侵入式、介入式腦機(jī)接口，在不同的行業(yè)發(fā)展階段，都具有適合的應(yīng)用場(chǎng)景。 通過(guò)臨床驗(yàn)證 是腦機(jī)接口走向商業(yè)化的首個(gè)里程碑，而臨床落地的場(chǎng)景需要權(quán)衡患者的風(fēng)險(xiǎn)和獲益，進(jìn)而關(guān)注患者的使用便利性。
一、非侵入式腦機(jī)接口在商業(yè)端有了諸多嘗試
非侵入式的腦機(jī)接口 這個(gè)方向，因?yàn)槠浒踩燥L(fēng)險(xiǎn)較小，在科研、臨床和商業(yè)端已有了諸多嘗試。
在讀腦這一側(cè)，受限于信號(hào)的分辨率，基于腦電信號(hào)的產(chǎn)品研發(fā)的邊際有效性將會(huì)遞減，因而在科研和臨床端，融合腦結(jié)構(gòu)、腦血氧、腦磁等不同信號(hào)的 多模態(tài)腦成像 正成為研究的熱點(diǎn)。
而在商業(yè)端，產(chǎn)品使用便利性的提升和偏消費(fèi)側(cè)應(yīng)用的推廣將尤其受到企業(yè)關(guān)注。
在寫腦這一側(cè)，經(jīng)顱電刺激、經(jīng)顱磁刺激、時(shí)間干涉電刺激、經(jīng)顱超聲刺激等，提供了在介觀至宏觀尺度，通過(guò)調(diào)控腦活動(dòng)來(lái)理解腦功能的新思路?；?腦影像學(xué)的個(gè)性化、閉環(huán)神經(jīng)調(diào)控 可能是下一個(gè)發(fā)展方向。 無(wú)創(chuàng)神經(jīng)調(diào)控 也將為侵入式腦機(jī)接口應(yīng)用的開(kāi)發(fā)提供更多“臨床前支撐”。
二、半侵入式、介入式腦機(jī)接口逐步來(lái)到產(chǎn)品化和商業(yè)化的拐點(diǎn)
在面向失能、失語(yǔ)癱瘓患者的醫(yī)療場(chǎng)景中，采用 半侵入式、介入式 的技術(shù)手段，開(kāi)發(fā)腦控電腦交互、語(yǔ)言通信的腦機(jī)接口等，以及運(yùn)動(dòng)康復(fù)的腦脊接口，已經(jīng)有了可預(yù)期落地的全鏈條方案。這一類醫(yī)用腦機(jī)接口預(yù)期能夠平衡采集微觀至介觀尺度腦信號(hào)的訴求和臨床的可接受程度，已經(jīng)逐步來(lái)到 產(chǎn)品化和商業(yè)化的拐點(diǎn) 。
三、侵入式腦機(jī)接口仍處于行業(yè)早期階段
侵入式腦機(jī)接口 的開(kāi)發(fā)是一個(gè)需要持續(xù)研發(fā)和長(zhǎng)期驗(yàn)證的過(guò)程，目前仍然處于行業(yè)早期階段。 微電極或微電極陣列 是當(dāng)前侵入式腦機(jī)接口開(kāi)發(fā)的核心。微電極將提供唯一臨床可用的、覆蓋微觀（單一神經(jīng)元）到介觀（預(yù)期百萬(wàn)神經(jīng)元量級(jí)）尺度的觀測(cè)手段。電極的開(kāi)發(fā)，以及相應(yīng)腦電解碼算法和電刺激模式的創(chuàng)新，必然會(huì)推動(dòng)臨床的進(jìn)展。
侵入式腦機(jī)接口開(kāi)發(fā)的重心 將逐漸從電極轉(zhuǎn)向應(yīng)用 。一方面，侵入式電極中，柔性材料的免疫排斥反應(yīng)和人體長(zhǎng)期使用（比如FDA要求不可拆卸的侵入式醫(yī)療器械在體內(nèi)至少安全存留10年）仍待長(zhǎng)周期驗(yàn)證，在這一階段主要的價(jià)值增長(zhǎng)將向應(yīng)用側(cè)轉(zhuǎn)移。另一方面，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)外應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，比如感覺(jué)修復(fù)、情緒調(diào)控、高級(jí)認(rèn)知等方向，存在較高的腦科學(xué)和算法的專業(yè)壁壘，面向臨床可能是更大的價(jià)值所在。
所以，我們認(rèn)為不論是臨床接受程度還是商業(yè)化價(jià)值的角度，非侵入式、半侵入式和介入式腦機(jī)接口的進(jìn)展 短期 將領(lǐng)先于侵入式腦機(jī)接口，而隨著“原位”更精確的腦電數(shù)據(jù)的價(jià)值逐步凸顯和臨床風(fēng)險(xiǎn)的逐步釋放，侵入式腦機(jī)接口將成為行業(yè) 中期 必不可少的技術(shù)路線； 長(zhǎng)期看 ，侵入式腦機(jī)接口也將推動(dòng)完成更復(fù)雜任務(wù)的半侵入式甚至非侵入式腦機(jī)接口的開(kāi)發(fā)。前半程的價(jià)值增長(zhǎng)在于 人體腦數(shù)據(jù)的積累 ，后半程的核心價(jià)值在于 應(yīng)用的規(guī)模 。
腦機(jī)接口 已經(jīng)不是科幻，也不是概念，它成為 一個(gè)可感可投的領(lǐng)域 。面向腦機(jī)接口的投資決策，一個(gè)思路是綜合考慮差異化技術(shù)路線的成熟度、落地場(chǎng)景的風(fēng)險(xiǎn)與獲益、應(yīng)用的商業(yè)價(jià)值潛力等；另一個(gè)思路是以終為始地思考，在路徑上面尋找關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，關(guān)注垂直領(lǐng)域的價(jià)值增長(zhǎng)。
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