“腦機接口像是大腦專屬的‘智能手機’。”近日，腦機接口企業(yè)上海腦虎科技有限公司（簡稱“腦虎科技”）創(chuàng)始人兼首席科學家、中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員陶虎向澎湃科技表示，它不僅會幫助人們加深對大腦和智能的認識，對腦部疾病進行診斷和干預，更會幫助人們實現(xiàn)“腦控”外部設(shè)備，而不只是遙控。

不妨暢想一下，十年后的人們，用什么方式操控電腦、汽車以及工廠里的設(shè)備？

腦機接口（BCI）是大腦與外部機械設(shè)備進行信息傳遞、交互的橋梁和工具。它把大腦產(chǎn)生的意圖相關(guān)信號經(jīng)過采集、編碼后，發(fā)射給外部設(shè)備進行執(zhí)行并反饋。“接口”的英文是interface，也被翻譯成“界面”。

在未來，腦機接口會像手機一樣人手一個嗎？

“我們認為腦機接口會成為每個人都會使用的類消費電子產(chǎn)品，將會像手機一樣一代代快速迭代。”腦機接口企業(yè)上海階梯醫(yī)療科技有限公司（簡稱：階梯醫(yī)療）相關(guān)負責人表示。

不難想象，“腦控”帶來的快捷和便利，將遠遠超越基本的醫(yī)療價值，最終如“舊時王謝堂前燕，飛入尋常百姓家”。

核心部件——電極

腦機接口技術(shù)的發(fā)展歷程，已走過了整整一個世紀。

它類似于功能強大的“電臺廣播+指揮”系統(tǒng)，或是先進的移動通信系統(tǒng)。它在大腦內(nèi)部或周邊構(gòu)建起靈敏的信號采集網(wǎng)絡(luò)，如同搭建起雷達系統(tǒng)、信號塔和基站，將收集到的腦電波等信號廣播出去，進而指揮外部設(shè)備運行。

為了確保信號高效“廣播”，腦機接口系統(tǒng)會將腦電波信號數(shù)字化、編碼處理，就像加密一樣，而終端設(shè)備“收聽”到這些被處理過的信號后，進行解碼、還原并執(zhí)行相應(yīng)指令，再將執(zhí)行結(jié)果反饋回來。如此往復，形成閉環(huán)，進行溝通、交互。

腦機接口系統(tǒng)的信號源于大腦。所以，人類首先要能夠探測到大腦的信號。1924年，德國科學家、精神病學家漢斯·伯格（Hans Berger）發(fā)現(xiàn)，人類大腦會產(chǎn)生電流，并且可以通過在頭皮上放置電極來測量。這一歷史性突破，標志著腦電圖（EEG）技術(shù)的誕生，人類首次成功記錄下大腦的電活動。

高通量神經(jīng)信號采集分析系統(tǒng)

不過，“腦機接口”（BCI）這一概念，直到1973年才被正式提出。美國加州大學洛杉磯分校的計算機科學家雅克·維達爾(Jacques J. Vidal)教授，用這個詞來描述了一種能將腦電信號轉(zhuǎn)化為計算機控制信號的系統(tǒng)。

在腦機接口系統(tǒng)中，電極無疑是核心部件之一。這些由導體材料制成的觸點或探針，就像一個個超級靈敏的“小耳朵”，緊貼腦組織或皮膚表面，負責收集大腦神經(jīng)元發(fā)出的信號。依據(jù)外科手術(shù)標準，按照是否需要手術(shù)以及電極所處位置的差異，常見的腦機接口系統(tǒng)可分為侵入式（又稱植入式）、半侵入式和非侵入式三類。

侵入式腦機接口的電極會被植入使用者的大腦皮層中，與大腦神經(jīng)元直接接觸；半侵入式的電極被置于顱腔中，但位于大腦皮質(zhì)外的區(qū)域；非侵入式的電極不進入顱腔，而是貼附在使用者的頭部皮膚上。

從接受程度來看，更多人傾向于選擇非侵入式腦機接口，它使用起來就像戴帽子，將帶有多個電極的帽子或頭套戴上即可。對此，陶虎解釋道：“我們知道，電極離大腦越近，采集到的信號精準度就越高，無論是空間分辨率還是時間分辨率都會更出色。但同時，植入物對大腦造成損害的風險也越大。所以，具體選擇哪種腦機接口，完全取決于實際應(yīng)用場景。”

腦虎科技公司展示的128通道柔性電極。

目前，侵入式腦機接口系統(tǒng)、半侵入式腦機接口技術(shù)主要用于臨床診療和科研領(lǐng)域，而非侵入式腦機接口系統(tǒng)主要應(yīng)用于智能健康和教育等消費場景。

上海市醫(yī)療器械檢驗系統(tǒng)相關(guān)負責人向澎湃科技表示，對腦機接口系統(tǒng)來說，“顱內(nèi)大腦皮層組織內(nèi)采集腦電信號，像是聽一個人或一群人在說話。硬膜外采集信號像是隔著玻璃聽房間里面有一群人在說話；而在顱外采集信號，像是隔著一堵墻聽一群人說話。”

一套典型的腦機接口什么樣？

階梯醫(yī)療相關(guān)負責人表示，植入式腦機接口是個復雜且精密的系統(tǒng)，它需要高通量超柔性且長期穩(wěn)定的神經(jīng)電極、小尺寸的植入式腦部信號精準采集系統(tǒng)、高魯棒性和高準確率的腦電信號在線解碼算法、高拓展性且低延時的智能人機交互軟件；此外，高效且植入創(chuàng)傷小的手術(shù)術(shù)式也是不可或缺的。

除了電極位置的差異，電極質(zhì)地也成為不同公司腦機接口系統(tǒng)的區(qū)分點。

階梯醫(yī)療相關(guān)負責人介紹，傳統(tǒng)猶他陣列電極是硬質(zhì)電極，容易誘發(fā)排異反應(yīng)，難以實現(xiàn)大規(guī)模長期穩(wěn)定記錄。而該公司研發(fā)的超柔性電極尺寸僅為細胞級別——相當于一根頭發(fā)絲的1/100，是美國Neuralink公司電極尺寸的1/5；超柔電極的柔軟程度，即彎曲應(yīng)力，僅為細胞間作用力的量級，優(yōu)于Neuralink公司相關(guān)電極參數(shù)達數(shù)百倍，使得腦組織幾乎“察覺不到”電極的存在。階梯醫(yī)療率先打造出無免疫瘢痕的神經(jīng)電極界面，保障了長期穩(wěn)定的神經(jīng)活動記錄。

腦虎科技256導半植入式柔性腦機接口產(chǎn)品。

在腦虎科技公司的展臺上，澎湃科技看到一張張金色的柔軟的、窄長條的薄片，上面還帶有一個個小的突起，這就是黃金制作的、用在相關(guān)腦機接口系統(tǒng)中的、被置于人體大腦硬膜下的電極。

陶虎介紹，對于神經(jīng)外科醫(yī)生而言，打開和縫合硬膜是神經(jīng)外科的常規(guī)操作，在腦部腫瘤病灶切除等手術(shù)中經(jīng)常會用到。

2024年8月，腦虎科技公司聯(lián)合上海華山醫(yī)院神經(jīng)外科毛穎/陳亮教授團隊完成意念合成運動臨床試驗。受試者是21歲運動區(qū)占位的癲癇患者，通過手術(shù)植入256導高通量柔性腦機接口監(jiān)測病灶并保護與運動相關(guān)的重要腦功能區(qū)。經(jīng)過兩周的訓練，受試者可以“腦控”方式熟練使用微信等常用APP，實現(xiàn)智能家居設(shè)備和智能輪椅的“腦控”。

重要步驟——解碼

“收聽”到大腦信號后，腦機接口系統(tǒng)如何解碼這些信號，讀懂大腦意圖呢？

階梯醫(yī)療的相關(guān)負責人以“腦控”電腦屏幕上的光標為例進行說明：首先，將柔性電極植入大腦運動皮層，然后引導患者進行運動想象訓練，讓患者在腦海中模擬高精度操作、控制外部設(shè)備的過程，與此同時，精準采集大腦相關(guān)腦區(qū)神經(jīng)元的電信號。

在對數(shù)據(jù)進行預處理后，接下來，進入腦控預測算法環(huán)節(jié)，信號處理單元會從大腦神經(jīng)元活動里提取關(guān)鍵特征。通過模式識別，把這些特征與患者想象的任務(wù)對應(yīng)起來，輸出相應(yīng)結(jié)果。這樣，就構(gòu)建起來一個預測網(wǎng)絡(luò)模型。它可以把多維輸入向量轉(zhuǎn)換為控制光標的向量，即電腦屏幕上光標移動的速度向量和點擊狀態(tài)。

最終，在腦機接口的工作過程中，系統(tǒng)會根據(jù)實時采集的腦電信號，預測光標移動和點擊的參數(shù)，并轉(zhuǎn)化為指令發(fā)送給電腦，實現(xiàn)對電腦這一外部設(shè)備的控制與交互。

美國企業(yè)家埃隆·馬斯克參與創(chuàng)辦的腦機接口公司Neuralink公司采用侵入式腦機接口系統(tǒng)。2024年1月28日，該公司實施了人類首例腦機接口植入手術(shù)。截至目前，已有三名癱瘓男性患者參與臨床試驗，他們分別是諾蘭 (Noland)、亞歷克斯 (Alex) 和布拉德 (Brad) 。術(shù)后，他們借助“腦控”技術(shù)，重新獲得“數(shù)字自主權(quán)”，能夠自如地移動電腦光標、玩游戲，甚至使用電腦程序進行設(shè)計工作。他們大腦中的植入物——N1，通過分布在64條柔性導線上的1024個電極記錄神經(jīng)活動，被稱為1024通道。每根導線都比頭發(fā)絲還細。Neuralink公司還專門制造了手術(shù)機器人——R1，它能夠精準高效地將導線插入患者大腦皮層，確保電極位于特定神經(jīng)元附近。

未來

前述醫(yī)療器械檢驗系統(tǒng)相關(guān)負責人向澎湃科技表示，腦機接口醫(yī)療器械的術(shù)語標準，正在征求意見中。治療癲癇的閉環(huán)腦機接口的標準，也在同步申報國家標準。

談及腦機接口的未來發(fā)展，階梯醫(yī)療的相關(guān)負責人向澎湃科技展望：從醫(yī)療器械的維度，腦機接口會發(fā)展成一種平臺型的技術(shù)，基于電極技術(shù)、植入體、手術(shù)術(shù)式等底層根技術(shù)的組合，可以開發(fā)出一系列針對不同病癥的產(chǎn)品，從輔助腦控運動，到深部腦刺激，再逐步拓展到脊柱/外周神經(jīng)刺激調(diào)控、視聽覺重建等更廣泛的領(lǐng)域，形成一套完整的腦機接口電子處方解決方案。

該負責人還補充道：“我們相信，腦機接口將與大模型、具身智能機器人等人工智能技術(shù)深度融合。從更長遠的視角看，侵入式腦機接口有望成為連接人腦智能與人工智能的橋梁，實現(xiàn)人工智能為人腦賦能、人腦直接控制人工智能，推動人類與人工智能共生共存。”

目前，AI（人工智能）技術(shù)正在為提高腦機接口的準確性助力。

倫敦大學學院的研究人員于2025年2月在國際學術(shù)期刊《神經(jīng)電子學》上發(fā)表論文指出，腦機接口面臨著一個重要挑戰(zhàn)：許多用戶難以獲得可靠的準確度，70%的準確度是有效使用腦機接口的關(guān)鍵門檻。由于每個人的大腦活動模式的獨特性，標準模型往往無法捕捉其復雜性，導致約40%的用戶難以達到這一準確度，這對于肌萎縮側(cè)索硬化癥 (ALS) 等運動神經(jīng)元疾病患者來說，問題更為嚴峻。為此，研究人員開發(fā)了一種新型人工智能模型——圖形注意力網(wǎng)絡(luò) (GAT) 專門神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過適應(yīng)每個用戶獨特的大腦思考模式，該模型在性能上超越了傳統(tǒng)的深度學習方法，讓ALS患者能夠更輕松地通過腦機接口控制外部設(shè)備。

此外，另一種腦機接口——腦脊接口，正在引發(fā)人們的關(guān)注。

2025年3月3日20點，復旦大學附屬華山醫(yī)院成功實施了全球首批第4例通過腦脊接口讓癱瘓者重新行走的臨床概念驗證手術(shù)。這一成果源于復旦大學類腦智能科學與技術(shù)研究院加福民團隊全球首創(chuàng)的“三合一”腦脊接口技術(shù)。此前，該團隊已聯(lián)合復旦大學附屬中山醫(yī)院完成全球首批3例臨床概念驗證手術(shù)，幫助嚴重脊髓損傷患者在兩周內(nèi)實現(xiàn)自主控腿、邁步行走。

陶虎展望道：“如果我們把目光放得更長遠，腦機接口或許能突破人類手腳的生理局限，借助更強大的執(zhí)行器實現(xiàn)更多可能。腦脊接口旨在幫助病人恢復健康，回歸正常生活；而腦機接口結(jié)合其他技術(shù)，有可能讓普通人擁有超越常人的能力。”

陶虎還提到，目前整個腦機接口市場尚未出現(xiàn)一款真正意義上的爆款產(chǎn)品，未能充分展現(xiàn)腦機接口的必要性、獨特性和超越性。“不過，我們已經(jīng)看到了新的機遇。在過去，對于漸凍癥、失語癥、重度截癱等重大疾病，藥物治療和手術(shù)治療效果有限。但腦機接口為這些‘絕癥’提供了新的解決方案。我預計，未來3 - 5年內(nèi)，腦機接口將在重大腦部疾病的診治領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。”

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