超越马斯克！中国学界进入脑机接口3.0

mulunbo

造神前先救人 脑机一体“超能者”离我们有多远？ 

作者／  IT时报记者  贾天荣
编辑／  郝俊慧  孙妍
近日，特斯拉CEO埃隆·马斯克在一档播客节目中宣布，Neuralink公司已经成功将脑机接口植入到第二名受试者的体内，并计划今年再进行8例类似的移植手术。这一消息再次引发全球对于脑机接口技术的广泛关注和讨论。


自1924年德国精神科医生汉斯·贝格尔在一名颅骨缺陷的病人头皮上由电流计镜面的微小振动首次记录到脑电波开始追溯，人类通过现代科技对大脑奥秘的探索已经百年。


1973年，计算机科学教授雅克·维达尔首次在学术期刊上提出“脑机接口”概念，半个世纪以来，这个概念正一步步从科幻走向现实。

马斯克：
未来将有数亿人使用脑机接口
近年来，脑机接口技术屡次引发广泛关注，其中一个重要的推动力正是2016年埃隆·马斯克创立的Neuralink公司。Neuralink致力于开发能够在大脑和计算机之间实现直接通信的新型微设备。


2021年，马斯克展示了一只植入脑机芯片的猴子，这只猴子可以通过脑电波玩简单的“打砖块”游戏，这个画面引发社会巨大轰动，使脑机接口技术进入公众视野并获得大量关注。

2024年1月，在投入了数亿美元后，马斯克宣布成功完成首例脑机接口设备的人体移植。马斯克表示第一个产品将被命名为“心灵感应”（Telepathy），并直言团队的目标是让“霍金比快速打字员或拍卖员更快地进行交流”。


今年2月，马斯克曾表示“神经连接”公司的首名脑机接口设备移植患者恢复良好，没有发现任何不良反应，并已能通过意念让屏幕上的光标移动。


近日，在回答未来几十年内全球是否能有数亿人拥有Neuralink脑机接口设备的问题时，马斯克坚定地表示：“这是肯定的。”


然而，目前脑机接口的人类受试者数量仍然不足。马斯克指出，这在一定程度上取决于监管部门的批准速度。“现在是十个，以后会变成数亿个。”他说道。


“我们是从基础的、简单的事情开始做，先解决神经元损伤。”马斯克在播客中说，一旦经过长期、大量的人体试验，能够证明植入物的安全性，“神经连接”可能会扩大目标群体范围，包括没有神经缺陷的人。


“既然我们来到这里，为什么不呢？让我们赋予人类超能力。”马斯克说。

造“神”前先救人
马斯克所描绘的场景，虽然还未实现，但可能已被畅想了无数次。


1988年上映的《阿基拉》中，人类在脑机接口技术的刺激下成为“超能者”；1995年的《攻壳机动队》里，公安九课的队员使用脑机接口入侵意识世界，成为“秘密武器”；《黑客帝国》中对于红蓝药丸的抉择困境，即便25年过去也仍未停止争论；《超体》主人公“机械飞升”也已过去了十年。


多年来，对脑机接口技术的想象在科幻作品中被无限延展，那么现实世界里，脑机接口技术的发展到了哪一步？


据《IT时报》记者了解，目前脑机接口技术主要分为侵入性和非侵入性两大类，区别在于是否将电极通过手术植入到大脑皮层下。采用哪种技术路径，取决于脑机接口的用途。


目前在医院临床治疗中，特别是用于治疗癫痫的脑机接口技术多为侵入式。该技术已经趋于成熟，治疗效果显著。而在商业化应用中，非侵入式脑机接口更加成熟，并带动人工耳蜗、人形机器人等新兴市场快速发展。


民生证券认为，脑机接口兼具软件层和硬件层，硬件层的脑电采集设备包括电极、BIC芯片等，外控外联设备包括机械臂、仿生手、无人机等，软件层包括生物信号分析、核心算法等。


中国科学院上海微系统与信息技术研究所副所长、脑虎科技创始人兼首席科学家陶虎告诉《IT时报》记者，目前非侵入式脑机接口在康复医疗、教育、娱乐游戏等方面已经实现了商业化应用。


他坦言，相较非侵入式脑机接口，侵入式脑机接口确实在技术上实现难度较高，这主要体现在手术复杂性、信号处理精度、植入物生物相容性等多个方面。鉴于技术难度和伦理安全等方面的考虑，侵入式脑机接口的应用相对较慢，目前仍处于临床试验和研发阶段，尚未大规模商业化应用。


据悉，脑机接口在恢复运动和刺激神经方面有重要用途。通过提取和解码大脑神经活动，可以实现人脑与神经假体之间的连接，代替大脑发出神经控制命令来控制人工假体完成预期动作，达到替代肢体运动功能的目的。同时，它也可以模拟并传输相应信号至目标位置，给予神经刺激以达到神经修复的目的。

图源：脑虎科技
陶虎表示，在脑虎科技的战略规划中，中短期内依然以重大脑疾病的诊治为主，旨在使病人恢复正常功能；中长期目标则以正常人为应用对象，探索将正常人变成“超人”的可能性。“脑机接口有可能将我们强大的大脑与外界更强的传感器和执行器连接起来，从而增强我们的五官和四肢功能。”他说道。

中国学界研究已进入3.0
“意念操控鼠标”“猴子打电玩”……Neuralink展现出的成果让人无限遐想，但在学术界看来，其技术可能还停留在1.0阶段。


8月3日，复旦大学类脑智能科学与技术研究院联合脑科学转化研究院、脑科学研究院、大数据学院，组建了一支脑机接口领域的“国家队”——复旦大学神经调控与脑机接口研究中心。



这支队伍将服务于国家重大交叉融合战略需求，打造神经调控与脑机接口原理探索、颠覆性技术突破与医疗健康应用的创新引擎。


“目前，由马斯克创立的脑机接口公司Neuralink所研发的植入式脑机接口，其实还处于1.0的‘读脑’阶段。我们目前的研究已经进展到3.0的‘交互’阶段。”复旦大学神经调控与脑机接口研究中心主任、类脑智能科学与技术研究院副院长王守岩说道，他将脑机接口技术发展分为4个阶段：读取大脑信号的“读脑”；用电、光等刺激调控大脑的“写脑”；在特定时刻对大脑进行刺激，实现更加智能化、精准化调控的“交互”；实现认知颠覆性变革的“脑机融合”。


王守岩介绍，新成立的研究中心已集结脑科学、认知神经科学、材料与芯片、智能硬件以及脑影像等相关领域跨学科研究力量，在脑机交互系统、临床应用、电极、芯片算法等方面都已取得重大研究进展。


该中心目标是服务诸多人类重大疾病的诊疗。当前承担的临床项目包括：植入式脑脊接口，助力截瘫患者重新行走；纳米线人工视网膜实现盲人复明；帕金森病闭环神经调控等。中心还承担了国家科技创新2030“脑科学与类脑研究”的多个重大专项与青年专项科研任务，包括“侵入式脑机融合平台及临床应用”“面向运动和意识障碍康复的双向——闭环脑机接口”“面向语言功能障碍的汉语语言脑机接口研究”等。

图源：复旦大学

同一起跑线上的技术角逐
在这场技术角逐中，中国企业也没有落下。


陶虎向记者表示，目前脑机接口是一个相对比较新的赛道，国内外并没有很大的差距。国内各地脑机接口研究各有特色，北京、上海、浙江、广东四地稍有领先。


麦肯锡测算，全球脑机接口医疗应用的潜在市场规模在2030年至2040年有望达到400亿美元至1450亿美元。天风证券的研报提到，2022年脑机接口市场规模为17.4亿美元，预计2030年将达到56.92亿美元，年复合增长率为15.61%，市场潜力巨大。


百亿市场已经吸引了不少企业加入。中国信息通信研究院联合脑机接口产业联盟发布的《脑机接口技术发展与应用研究报告（2023年）》显示，截至2023年第一季度，全球脑机接口代表性企业超500家。


据上观新闻报道，上海现有20余家脑机接口企业，其中约60%由高校与科研机构孵化，大部分为2015年后成立的初创公司。


陶虎也告诉《IT时报》记者，目前国内脑机接口行业处于起步阶段，大多数是科研院所、高校孵化的成果转化企业或实验室，公司规模普遍较小，均为初创企业，发展环境因地制宜，并且各家公司各有千秋。


“上海有三大战略先导产业，人工智能、生物医药和集成电路，我们脑机接口恰好就在这三大产业的交叉点上。”他表示，脑机接口是一类新兴的微电子技术，上海多学科交叉的特点会为产业发展带来很大优势。


据记者了解，2023年，脑虎科技联合医院、科研机构开展了数十例柔性脑机接口人体临床试验，实现了实时运动解码、汉语合成、实时多通道单神经元Spike信号记录。今年，脑虎继续发力科研临床，基于完全自主研发的柔性脑机接口实现了病人实时运动解码，使病人通过意念实时打二维贪吃蛇电子游戏，延迟小于50ms，准确率大于90%；实现了临床汉语语音语调解码与合成，无语言模型辅助下语音合成成功率高于90%。


陶虎认为，尽管脑虎科技在工程化、产品化和规模量产方面稍落后于马斯克的Neuralink，但在一些具体指标上，如通道数、电极材料和信号处理方式等方面存在优势。他表示，随着脑虎科技“微创植入式高通量柔性脑机接口技术”的成熟，有望实现技术上的超越。

三大挑战：
安全、技术、伦理
随着各国相关政策的支持及科研人员的不懈努力，侵入式脑机接口技术已经取得重大进展，但脑虎科技认为，其在临床等领域的广泛使用仍存在着较大的挑战。



首先便是安全问题，侵入式脑机接口技术需要读取和编解码大脑深部的脑电信号。深入脑区的植入与信号采集虽具有更高的三维空间精准性，但植入过程难以避免开颅手术和脑部血管、组织损伤，取出植入器件还需二次手术。这种“血淋淋”的植入方法降低了社会对新技术的接受程度，出血、感染、脑损伤等风险也限制了技术的广泛应用。


另一方面，大脑通过800多亿个神经元控制各种复杂功能。现有脑机接口技术最多只能同时记录大约1000个神经元的活动和信号，神经记录带宽提升缓慢，无法满足深入机理研究和跨脑区协同功能监测的需求。


此外，海量神经信号处理难度大、编解码算法鲁棒性不足、安全与伦理问题等都是脑机接口技术继续发展要面临的挑战。

图源：pixabay
但陶虎也表示，随着技术攻坚和相关辅助技术的迭代，脑机接口技术将在市场需求和用户需求上实现更好地契合。在短期内，脑机接口技术能够直接修复运动功能和感知功能，帮助高位截瘫、渐冻人和失明患者恢复独立生活和交流能力，使他们能够回归社会。从长期来看，脑机接口有望成为超越智能手机的智能终端，使人们能够通过意识操控周围设备，获得超越人类的耐力、速度、精度和效率。
排版／ 季嘉颖
图片／Neuralink  脑虎科技  复旦大学  东方IC  pixabay
来源／《IT时报》公众号vittimes
E N D