陶虎· 中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員

腦機接口（BCI）已從曾經的科學幻想和前沿探索，逐步演變為一項具有深遠潛力的技術革新。從早期的基礎研究，到如今在醫療、科研等領域的初步應用，腦機接口正以其獨特的魅力，吸引著全球科研人員和產業界的目光。它的影響力不僅局限于實驗室，更在悄然改變著我們對人類大腦與機器交互的認知。腦機接口技術的迅猛發展，用“突飛猛進”來形容毫不為過。

受試者通過意念打游戲

可以說，腦機接口是近年來最具顛覆性的一種技術方向。在此，我將先從技術與意義層面剖析腦機接口，再探討其如何逐步滲透到各個應用領域。如今，腦機接口在醫療康復、智能增強等方面的應用已初露鋒芒，前景無限廣闊，但與此同時，它所面臨的挑戰與倫理問題亦不容忽視。最后，我將深入探討腦機接口在發展過程中可能遇到的技術瓶頸、倫理困境以及對腦機接口未來發展的美好展望。

腦機接口

學科交叉與科學大計劃

今天我想和大家聊聊腦機接口這一前沿話題。我的研究方向較為跨學科，集中在傳感器領域，涉及人工智能、傳感器制造、醫療器械、生物材料等多個方面。如今，國際上的研究，包括國內研究，正慢慢收斂成兩個科研范式。一是向極端方向發展，比如深空、深海探索，制造更大口徑的望遠鏡、更高分辨率的顯微鏡；二是學科交叉，這其中蘊含著諸多新機會。

腦機接口便是學科交叉的典型例子，也是我自己的科研領域之一。我的科研領域是生命科學和信息科學的交叉。今天，我著重講講腦機接口。為何大家對腦機接口如此感興趣？我想，最根本的原因是我們對大腦充滿好奇。大腦，作為人類最優越、最重要的器官，在人類進化歷程中選擇了向更高級、更復雜、更先進的方式進化。我們成人大腦里有近1000億個神經元，它們相互連接，組成了一個龐大而復雜的計算網絡，讓我們能夠學習、交流、創作，擁有藝術、文化和音樂。

回顧過去一個世紀，全球科學大計劃層出不窮，從上世紀40年代的曼哈頓計劃，到60年代的登月計劃，再到80年代的人類基因組計劃，以及本世紀約10年前啟動的人類腦計劃。這些大計劃能夠成功，關鍵在于核心工具的開發與驗證。腦機接口作為人類腦計劃中的核心工具，它搭建起了大腦與外界設備、世界直接連接的通道，對我們認識腦、理解腦、修復腦乃至增強腦都具有重要意義。

在當今這個時代，腦計劃或腦機接口無疑是一項極具挑戰性的“超級工程”。它不僅復雜程度高，而且我們對該領域的未知程度也很深。未來我們需要依靠在各學科不同方向的共同努力，共同推進這個“超級工程”。

意義所在

腦機接口面臨的首要任務，就是重大腦疾病的診治。咱們都知道，人這一生，難免會遇到些精神或神經方面的疾病，像癲癇、漸凍癥、高位截癱，還有成癮、抑郁、癡呆等等。這些病為啥會出現？歸根結底，是大腦出了問題。大腦的工作原理基于電信號，正常情況下，大腦以固定且復雜的方式放電，可一旦放電異常，就會引發各種疾病。

腦機接口就像一個神奇的工具，它能直接把傳感器或電極插入大腦，查看哪里異常放電，進行診斷，還能施加信號進行調制，讓大腦恢復正常放電。在臨床上，我們針對一些病癥做了嘗試，發現效果很不錯。我認為，如果腦機接口能在其他方法都束手無策的情況下，對絕癥患者起到幫助，那第一階段的目標就算達到了。這類患者群體非常龐大，像漸凍癥患者全球有70多萬，高位截癱患者大概有七百到一千萬，還有抑郁、成癮等患者，數量更是難以估量。

不過，我堅信腦機接口的意義遠不止于此。我一直在思考，正常人怎么能從腦機接口技術中獲益？從進化角度看，人類在過去十幾萬年里，把進化天賦大多用在了大腦上，五官和四肢基本沒怎么進化。相比之下，我們的身體機能根本配不上如此發達的大腦，沒有充分發揮出大腦的潛能。

咱們換個角度看，這個世界上有不少動物，視力、體力、耐力、力量等都比我們強。即便是一個健康的正常人，眼睛也有局限，看不到微光、紫外、紅外。但我們做傳感器的，能做出各種紅外、紫外傳感器，還能利用遙感信息。要是通過硅基技術的發展，把這些人類看不到的信號獲取到，繞過我們并不發達的視覺系統，插入到視覺皮層，我們就能擁有超視覺。同理，我們還能擁有超聽覺等。

從數量上看，人類只有兩只眼睛，而且距離固定。但借助現在的技術，我們可以做出類似果蠅復眼的結構，增加眼睛數量，還能動態控制眼睛之間的距離，進行三維測距等。運動方面也是一樣，人類只有兩只手、兩只腳，但借助機器人技術，我們可以擁有更多肢體，甚至實現遙感和遙控。

還有一個重要維度，縱觀人類科技發展史，信息傳播、處理和存儲的效率與科技發展速度、效率直接相關。從古代的甲骨文到書信、電報、電話，再到現在的微信、視頻，信息傳播效率飛速提升。我們用手機輸入文字，一分鐘大概三四十個字，而說話速度一分鐘大概200個字，大腦處理信息的速度更快。有研究表明，人速讀的速度一分鐘能達到兩三千個字，比說話快一個數量級，比手機輸入快兩個數量級。腦機接口的速度只會更快，如果能突破手指輸入、口舌控制的機械限制，數據的輸入和傳輸速度將大幅提高，這對其他科技的發展也至關重要。

我創辦了一家侵入式腦機接口公司，我們公司有個目標，就是把病人變成正常人，把正常人變成超人。目前我們正處于第一階段，致力于讓病人恢復正常。

發展與展望

腦機接口，按使用場景分，主要有兩類：侵入式和非侵入式。侵入式呢，就是要開刀，把電極放到大腦里或大腦表面；非侵入式就簡單多了，不用開刀，直接戴頭上就行。

這兩類各有優缺點。侵入式因為離大腦近，信號質量高，調控精度也強，但對大腦損傷也大，不管是手術時的急性損傷，還是長期留存的在體損傷。所以，怎么在這兩者之間找到平衡，就得看具體應用場景了。我主要做侵入式的，就是要打開顱骨，把東西插進去，發揮技術的極限。

腦機接口這個領域，從70年代美國人就開始做了，最近一二十年進展挺大。現在的趨勢，一是從運動控制到語言解碼。運動控制相對簡單，比如用大腦控制機械手、輪椅等，這個我們早就實現了。但語言就復雜多了，因為語言涉及的神經編解碼機制更復雜，涉及的腦區也更多，而且不同人的語言還有差異。不過，這也是現在臨床發展的趨勢，因為語言功能障礙的病人太多了。

腦機接口發展的一個趨勢，是從低通量到高通量。我們大腦有近1000億個神經元，現在臨床上最多只能同時采集1000個通道的信號，差距巨大。所以，怎么提高信號采集的通量和效率，是未來的一個重要方向。

還有一個趨勢，是從單腦區到多腦區。大腦做任何事，都是多個腦區協同工作的。所以，覆蓋多個腦區進行信號采集和調控，解析的精度和效率會更高。但調控的話，不一定非要覆蓋整個腦區，就像城市交通，采集信號需要每個點都有攝像頭，但調控交通只需要在主要干道上設置交通燈就行。

說到國內腦機接口的發展，最開始我們完全是模仿美國的，后來用美國的器件、自己的范式，到現在用自己的器件和范式，這條路走得挺辛苦。但值得驕傲的是，在腦機接口這個領域，國內跟美國基本沒有代差，甚至在某些方面還更好。

全球范圍內，很多國家都在布局腦機接口。美國、歐洲、日本、韓國等都啟動了相關計劃。歐洲想模擬大腦，但連老鼠腦袋都模擬不出來；日本韓國主要針對腦疾病；美國則從核心器件、工具、裝備入手，比較成功。中國2021年啟動了腦計劃，叫“一體兩翼”，就是認識腦、保護腦和模擬腦。今年會啟動中國腦計劃2.0版本，腦機接口的比例會大幅提高。

最近十年，腦機接口發展突飛猛進，相關學科的發展起了很大作用。比如微納傳感器、微電子、醫療器械、芯片技術、材料科學、算法和神經科學等。特別是AI和大模型的介入，對處理腦機接口的海量數據有很大幫助。

最后，我想說，中國腦機接口領域缺的是系統工程師。我們有很多基礎科研人員和企業類工程師，但缺乏能把復雜產品通過系統工程方式做起來的戰略工程學家。馬斯克（E. Musk）就是一個很好的例子，他雖然不是博士，但他是很好的系統工程師，能把特斯拉(Tesla)、SpaceX、腦機接口等復雜產品做起來。所以，我也呼吁有條件的學校專門開設腦機接口的系統工程專業，培養更多的系統工程師。這個市場潛力巨大，幾千億美金都有可能，就看我們技術能不能跟得上了。

腦機接口面臨的挑戰

技術挑戰

腦機接口的難度，首先體現在它的多學科交叉性。它涉及微電子、神經科學、材料科學、機器人技術，甚至臨床醫學和心理學。在我的團隊里，這些領域的專業人才都有，我們還特意從三甲醫院請來醫生參與研發。

另一個難點在于它的復雜性。從大腦提取信號的電極、處理信號的芯片、分析信號的算法，到無線傳輸的天線，整個系統需要封裝在一個極小的空間里，植入大腦。這不僅要考慮生物安全性、功耗，還要解決發熱問題。

我們力求在最大限度利用腦機接口幫助大腦的同時，將對大腦的損傷降到最低。這一切都由應用場景決定。比如，幫助手部不能動的殘疾人，我們需要在其運動區植入電極，采集信號，通過算法解析運動意圖，再傳輸到外界的機械手或機械臂執行。但這只是開始，要形成完整的運動功能重建，還需要在機械手上安裝傳感器，將感覺信號編碼后傳回大腦，形成一個閉環。

我們做的不僅是腦接口，更是腦機接口的接口。芯片、電極、算法、植入機器人，每一樣都要匹配。而且，作為醫療產品，我們花了大量時間驗證其安全性，特別是長期安全性。這也是為什么我們在實驗室里五年前就做好的東西，直到前兩年才拿到臨床倫理批件，開始在人的大腦上進行試驗。

腦機接口領域，尤其是植入式設備，對安全性、長期在體的要求極高。我們選了一個最難的領域，但好在堅持下來了。現在，我們可以合法合規地采集人類大腦數據，進行算法迭代。當前面臨的核心問題有三個：如何安全高效地獲得高質量信號？如何理解神經編碼？以及如何利用AI和大模型等先進技術，更好地解析大腦信號。

倫理挑戰

在腦機接口領域，除了技術挑戰，我們還面臨著諸多法律規范與倫理道德的問題。比如時不時就有人找到我，懷疑自己被人植入了腦機接口器件。這反映出民眾對腦機接口的能力和發展存在諸多不清楚的地方。

從倫理角度來看，我們必須對腦機接口進行規范。我想坦誠地告訴大家，雖然腦機接口前景廣闊，但目前它還沒有那么完美，所以大家不必過于擔心。

我們科研團隊在推進產業化的同時，已經形成了完整的研發矩陣，涵蓋了電極、芯片、植入體、手術機器人等多個環節。我很歡迎大家來我們公司以及整個研發基地參觀。在那里，你可以看到許多帶著腦機接口的動物在奔跑、采集信號。不過，出于倫理考慮，我們不會展示人腦機接口的相關內容，因為那可能會讓大家對腦機接口產生不必要的擔憂。

此外，我們的算法云平臺上，有許多動物，如兔子、狗、猴子等，都帶著腦機接口進行科研實驗。同時，我們也有相應的病人招募計劃，用于臨床診斷和研究。目前，我們已經與近百家高校、科研院所展開了合作。

面對腦機接口帶來的倫理道德挑戰，我們需要更加謹慎和審慎。在推進科研和產業化的同時，我們必須時刻牢記倫理原則，確保腦機接口技術的發展符合人類的利益和價值觀。

未來愿景

談及腦機接口的未來愿景，醫療領域無疑是我們當前的主要發力點，但工業與機器人的互動同樣不容忽視。馬斯克推出擎天柱機器人，正是希望將其與腦機接口技術相結合。當然，消費和軍事領域的應用暫且不論，我們目前專注于AI與腦機接口的融合，致力于打造一整套腦機操作系統。想象一下，未來這個系統就像手機APP一樣，可以接入小紅書、B站等各種應用，實現多功能的交互與拓展。

目前，我們已經在科研市場推廣方面取得了顯著成果。國內頂級的神經科學課題組以及三甲醫院都在使用我們的產品進行科學研究與臨床研究。這標志著腦機接口技術在專業領域得到了廣泛認可。

關于腦機接口的未來，我們設定了兩個重要里程碑。第一個里程碑是攻克重大腦疾病。當其他治療方法束手無策時，腦機接口能夠成為有效的治療手段。第二個里程碑是賦予正常人前所未有的能力，而且這一過程不應付出巨大代價，就像我三年前接受的近視眼手術一樣。我選擇人工晶體植入，因為它創口小，且未來度數變化時還可以更換。這種手術方式的革新，正是我們希望腦機接口技術所能帶來的變革。

我們期望腦機接口技術能像近視眼手術或醫療整形一樣，以微小的創口和極低的危害性，帶來巨大的效果提升。無論是學習、交流、執行還是控制，腦機接口都能讓我們做得更好。盡管人類大腦是宇宙中最復雜的事物，我們所從事的工作也充滿挑戰，但我們堅信，通過不懈努力，腦機接口技術必將開創一個全新的未來。

來源：墨子沙龍

原標題：動動腦子就能打王者榮耀？腦機接口將開創全新未來 | 活動回顧

編輯：余蔭鎧

轉載內容僅代表作者觀點

不代表中科院物理所立場

如需轉載請聯系原公眾號

1.2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.