脑机接口撞6G，未来发展加速度

2022年11月13日，由中共北京市朝阳区委组织部、北京市朝阳区科学技术协会主办，果壳承办的“朝阳科学荟”活动成功举办。中国科学院深圳先进技术研究院，深港脑科学创新研究院正高级工程师李骁健带来演讲：《科技“超能力”——脑机接口》。

大家好，我研究的领域是高性能脑机接口和类脑工程，今天非常高兴，能有机会能参加“朝阳科学荟”栏目，给大家介绍脑机接口。

那么，到底什么是脑机接口呢？实际上，脑机接口就是指大脑与外界直接进行信息通讯的一种方式。脑机接口技术可以通过计算机作为信息的中介，帮助大脑实现和外界信息的直接通讯。

虽然听起来非常科幻，但植入式脑机接口已经有几十年的研究历史了，从上个世纪的六七十年代开始，为了帮助残疾退伍军人实现生活自理，美国政府开始资助研究运动脑机接口技术，主要针对的是治疗瘫痪这个角度。

2012年，第一个人脑控机器人出现了，通过头上的“插头”，患者可以把脑信号传给计算机，进而可以通过集中意念来控制机械臂，抓住水瓶，放到嘴边喝水。

2012年，第一个人脑控机器人出现了 | Hochberg L R, Bacher D, Jarosiewicz B, et al. Reach and grasp by people with tetraplegia using a neurally controlled robotic arm[J]. Nature, 2012, 485(7398): 372-375.

2016年，第一个有触觉的人脑控机器人出现了。一位名叫内森的患者因车祸出现了下肢瘫痪，上肢也不大能动，他决定接受植入式脑机接口手术。因为这次使用的脑机接口技术增加了触觉信息，手术后这位患者能够更加灵活的控制机械手。在2016年，内森还接受了时任美国总统的奥巴马的接见。这也是脑机接口发展中一个重要的里程碑事件。

随后，2017和2018年，斯坦福大学研究团队展示了脑控敲击虚拟键盘，以及上网发邮件的一些成果。

脑机接口还有另外一种方式，就是通过功能电刺激，驱动自己“麻醉”的胳膊和手完成一些脑控动作。所谓的功能电刺激，就是通过设备上的电极头，刺激肌肉群，然后做出相应的动作。

那么脑机接口是如何帮助患者实现“意念控制”的呢？

我们的大脑是由相对独立的几个分区组成的，比如颞叶，顶叶，额叶，枕叶，小脑和脑干等。这些区域必须作为一个整体就能发挥出正常的脑的功能。大脑要想实现复杂功能，主要依靠的是数量众多的神经元。我们的大脑由近千亿个神经元组成，每个神经元都在进行信息的接收、处理和转化工作。这些神经元们通过级联形成了一个通讯网络，当这个庞大规模的神经元形成一个交联网络时，就可以实现复杂信息的处理了。

大脑的基本结构 | 李骁健供图

如果想获得这些神经元传递的信息，就需要有传感器监听这些神经元的活动。可是神经元那么多，传感器应该放在哪儿呢？

在采神经元的信号时，我们比较希望把这个传感器放在离神经元更近的位置，因为离得越近，清晰度就越高。

目前，脑机接口有三种常见的传感器置放位置：一种叫做EEG，是指把传感器放在头皮上。这个位置类似于在空中鸟瞰球场。EEG的方式不会对身体产生创伤，但离脑神经较远，信号清晰度较差。第二种方式叫做ECoG，是指把传感器贴在脑皮层表面。ECoG的优点是不会扎破脑组织，跟EEG比起来信号清晰度高很多。第三种就是“刺进去”的情况了，这种方式所获取的信号清晰了不少，但对脑组织会有一定的刺入损伤，不能大规模使用。

脑机接口有多种放置位置，各有优缺点 | 李骁健供图

就目前来说，神经信号的采集是一个“鱼和熊掌不可兼得”的问题。选择哪种方式更好，就需要判断谁是“熊掌”谁是“鱼”。

美国加州大学旧金山分校公布的一项研究表明，我们可以对神经活动和声音进行分析和建模，将句子、单词里面每一个因素都与喉部肌肉动作相对应。那么，当采集到想说话的神经信号时，就可以用语音合成器重建这个声音。这个例子里使用的就是ECoG电极，它贴在脑皮层表面，比较薄，基本上不会伤到脑组织，可以覆盖比较大的脑皮层区域，刚好适合语音解码。

最近比较火的Neuralink脑机接口公司，采用的则是刺入式的电极。Neuralink微型系统分两种，一种是有线的系统，另一种是无线的系统。有线和无线系统的植入过程一样，但传输信息的方式不一样。无线版的优点在于脑子上不需要“拽根线”，可以自由活动，但这也导致了采集的数据需要做很大的压缩。无线版采用蓝牙通讯，蓝牙的无线传输带宽比较低，但对执行简单的脑控任务来说是够用的。

在中国，我们也有自己研发的宽带植入式脑机接口系统了。在我做的这个项目中，传感器用的是不刺入脑组织中的那种，用的是贴在脑皮层表面的柔性电极网。在脑机接口专用芯片上，和Neuralink芯片不同，我们没有在一个芯片里放太多的信号采集通道，而是增加了16个性能很强劲的电刺激通道。这样我们的芯片就不光能采集神经信号，还能同时把这个信号写到脑神经中去，读和写的功能一起完成。

我们实验室最近也研发了几款，具有更高时空精度的微型ECoG电极阵列，采用了最先进的纳米复合增强技术，可以采集有更多细节信息的神经信号，对脑信息的解码也有很大的帮助。另外，我们创立了光纳米神经遥控技术，这样未来我们就有可能制成那种免手术植入的全无线的脑机接口系统。

我们自己研发的千通道脑机接口系统 | 李骁健供图

中国在植入式脑机接口的研究领域虽然才刚刚起步，但已经取得了一些成果。比如，浙江大学的研究团队使用商用脑机接口系统，在高龄志愿者身上实现了脑控机器人。这位志愿者通过自己的脑控机械手抓取到了油条，也拿到了可乐。

除了前面介绍的运动脑机接口，最近脑机接口在难治性抑郁治疗上也有突破。但有一个问题是，精神类疾病一般会在多个脑区出现异常，所以可能需要进行多靶点的协同调控，提高治愈率，也更适合更大多数的疾病人群。因此，在这方面我们还需要更深入地研究调控的靶点，确定出最准确的靶点和疗法。

从治病救人的角度来讲，去年美国国家药监局发布了《植入式脑机接口医疗器械的神经指南》，中国的药监局也在抓紧准备相似的指南了。信息标准化部门也在制定脑机接口的通讯标准。这些都将帮助越来越多的脑机接口产品面世，给一些患者带来生活质量的改善。

此外，未来的6G通讯技术，可能比现在的5G带宽要宽千倍以上。这么大的带宽就可以充分地支持多人多地域脑信息的自由交流。也就是说，大家在未来或许可以很自然地在整个地球范围内进行意念交流，冲破空间阻碍。如果真能实现，那么健康的人也可能很想拥有自己的脑机接口。如果大多数人都拥有脑机接口，那么我们可能将迎来终极形式的元宇宙。

北京正在建设全球数字经济标杆城市，而朝阳区在全力打造数字经济核心区。数字经济与包含脑机接口、元宇宙等各类数字技术之间互为基础，互相促进，正在“手拉手”进入高速发展的赛道。也就是说，距离实现脑机接口在元宇宙中的应用，或许也不是那么远。

最后，我想说脑机接口是一门科学，并不玄幻。虽然还有不少需要提升的空间，虽然仍然充满挑战，但脑机接口的未来已来。

好，谢谢大家，谢谢“朝阳科学荟”。