我國(guó)“十四五”規(guī)劃將腦科學(xué)列為重要的國(guó)家戰(zhàn)略性前沿科技與研究方向。在腦科學(xué)研究中，腦機(jī)接口是一個(gè)近年來(lái)快速發(fā)展的領(lǐng)域。這項(xiàng)技術(shù)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是通過(guò)獲取、解碼腦信號(hào)，將用戶的意圖指令傳輸?shù)酵獠吭O(shè)備上，用于替代或補(bǔ)充人類的外周功能，比如說(shuō)通過(guò)意念控制假肢、移動(dòng)光標(biāo)、甚至玩游戲等等。這項(xiàng)技術(shù)的成熟和應(yīng)用，未來(lái)不僅可以幫助一些身體受限的患者大大提升生活質(zhì)量，對(duì)于健康人來(lái)說(shuō)也可能會(huì)發(fā)展出很多有趣的應(yīng)用場(chǎng)景。

腦機(jī)接口！探秘腦科學(xué)未來(lái)的無(wú)限可能

戴上氣動(dòng)手套，穩(wěn)穩(wěn)握住水杯，截癱15年的患者老楊實(shí)現(xiàn)了自主“腦控”喝水。去年12月，北京宣武醫(yī)院聯(lián)合清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)，成功實(shí)施了全球首例無(wú)線微創(chuàng)腦機(jī)接口臨床試驗(yàn)。兩個(gè)月后，這套系統(tǒng)的第二例手術(shù)患者小白，學(xué)會(huì)了用意念控制光標(biāo)移動(dòng)、操控電動(dòng)輪椅。腦機(jī)接口被稱為大腦與外界溝通交流的“信息高速公路”。人類大腦包含數(shù)百億個(gè)神經(jīng)元，由許多像“天線”一樣的突起彼此連接，并通過(guò)電信號(hào)相互通訊，幫助我們產(chǎn)生記憶情緒、思維意識(shí)、運(yùn)動(dòng)指令。而腦機(jī)接口便是通過(guò)記錄和解碼這些微小的電流信號(hào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)大腦與設(shè)備之間的信息交換。腦機(jī)接口為我們打開了人機(jī)共生的可能性。去年10月，殘疾人運(yùn)動(dòng)員通過(guò)非侵入式腦電設(shè)備控制的智能仿生手，點(diǎn)燃了亞殘運(yùn)會(huì)的主火炬。我們甚至可以培育人工大腦去完成特定工作。一扇破解大腦奧秘的窗口正在開啟，無(wú)數(shù)的科幻場(chǎng)景也將加速走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。

全球首例血管內(nèi)"腦機(jī)接口"取出試驗(yàn)成功

腦機(jī)接口的研究發(fā)展正在開啟人機(jī)共生的新時(shí)代。近日南開大學(xué)在這一領(lǐng)域取得了全新進(jìn)展，全球首例動(dòng)物類介入式腦機(jī)接口傳感器血管內(nèi)取出試驗(yàn)獲得成功，這標(biāo)志著介入式腦機(jī)接口技術(shù)的安全性有了重要提升。

這只正在運(yùn)動(dòng)的小羊，剛剛完成一例手術(shù)試驗(yàn)，科研人員將它腦內(nèi)血管里的介入式腦機(jī)接口成功取出，試驗(yàn)驗(yàn)證了這一取出方式的安全可靠。這是介入式腦機(jī)接口通向臨床驗(yàn)證前的關(guān)鍵一步。

這個(gè)細(xì)小的網(wǎng)絲線圈就是導(dǎo)入血管的介入式腦機(jī)接口的支架體，它使用的是鎳合金等生物相容性材料。比頭發(fā)絲還細(xì)小的腦機(jī)電極可以固定在這個(gè)支架上，沿著血管導(dǎo)入在相應(yīng)腦區(qū)的血管壁上，就可以采集到腦電信號(hào)了。

目前他們已經(jīng)識(shí)別出來(lái)了羊在“臥”“站”“走”三種狀態(tài)下的腦電信號(hào)；同時(shí)，還完成了全球首例猴腦控機(jī)械臂的試驗(yàn)。試驗(yàn)中，猴子在四肢固定的情況下，僅靠運(yùn)動(dòng)皮層腦電信號(hào)，就實(shí)時(shí)控制機(jī)械臂完成抓取食物的任務(wù)。

南開大學(xué)醫(yī)學(xué)院副院長(zhǎng) 段峰：我們之前做過(guò)非侵入式腦機(jī)，可以用腦電信號(hào)控制真車在路上行走，但由于人的頭皮出汗，電極松動(dòng)等原因，會(huì)導(dǎo)致它的有效時(shí)間在三個(gè)小時(shí)之內(nèi)。我們也做過(guò)侵入式腦機(jī)，但是老鼠的壽命就非常短，一般在半年左右。

而在血管中導(dǎo)入全新理念設(shè)計(jì)的腦機(jī)接口，獲取腦電信號(hào)的新方法則在安全性上另辟蹊徑。同時(shí)，腦電信號(hào)可以進(jìn)行傳輸，使用起來(lái)也更為方便。

南開大學(xué)醫(yī)學(xué)院副院長(zhǎng) 段峰：難度有兩部分，第一部分，我們要通過(guò)血管把微電極導(dǎo)入到相應(yīng)的腦區(qū)，對(duì)電極的加工制造要求就非常高，要在微米級(jí)的；另一方面，我們要考慮到整個(gè)生物相容性，不能產(chǎn)生血栓，要讓支架電極和血管融為一體。

未來(lái)，介入式腦機(jī)接口將為肢體運(yùn)動(dòng)障礙患者提供一種非開顱的腦外科手術(shù)選擇，實(shí)現(xiàn)智能人機(jī)交互運(yùn)動(dòng)康復(fù)。

點(diǎn)“絲”成金 腦機(jī)植入無(wú)需“大開腦洞”

前面說(shuō)的介入式腦機(jī)接口是把傳感器放入血管內(nèi)，還有一種侵入式的腦機(jī)接口是把傳感器直接植入大腦內(nèi)部，當(dāng)然這種技術(shù)目前也存在著腦損傷等一系列風(fēng)險(xiǎn)，接下來(lái)的科研團(tuán)隊(duì)，他們創(chuàng)新開發(fā)了另一種“微創(chuàng)”腦機(jī)電極植入技術(shù)，為侵入式腦機(jī)接口的發(fā)展帶來(lái)了新的可能。

這是全新的微創(chuàng)腦機(jī)接口，科研人員只需在小鼠顱骨上打開一個(gè)直徑不到0.5毫米的小孔，就可以將電極“絲滑”地插入到小鼠的大腦內(nèi)部。這條極細(xì)的電極上密布了32個(gè)僅十幾微米大小的電極點(diǎn)位，每個(gè)點(diǎn)位對(duì)應(yīng)小鼠大腦的一個(gè)神經(jīng)元，可以收集并分析它的腦電信號(hào)和行為之間的關(guān)系。這種微創(chuàng)植入的秘密就藏在這根特殊的電極之上。

中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所副所長(zhǎng) 陶虎：這個(gè)柔性電極表面包裹一個(gè)可控降解的生物蛋白材料，使它本身包裹完以后的柔性電極，它的強(qiáng)度介于比較硬的血管和非常軟的腦組織之間。

總臺(tái)央視記者 張春玲：傳統(tǒng)的腦機(jī)接口技術(shù)所使用的電極，就像是我手上的硬質(zhì)的鎢針，這塊豆腐就仿佛是我們的人腦組織。當(dāng)我們把鎢針插入這塊豆腐的時(shí)候，難免會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的損傷，而陶虎團(tuán)隊(duì)創(chuàng)意地提出了一個(gè)柔性電極的方法。這個(gè)電極就仿佛是我手上的線，如果正常的插入人腦，它是很難的。于是他們創(chuàng)新性地使用了蠶絲蛋白，包裹住了這根線，讓它柔中帶剛。

電極表面的蛋白涂層，是可控降解的，在顱腦內(nèi)恢復(fù)柔性后，可以正常工作。這種新型柔性電極不僅顯著降低了大腦損傷，而且排異反應(yīng)小，可在體內(nèi)長(zhǎng)期穩(wěn)定記錄腦電信號(hào)。此外，團(tuán)隊(duì)還在采集芯片、解碼算法等方面進(jìn)行了軟硬件的系列創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)物行為、人類語(yǔ)言等復(fù)雜腦電信號(hào)的精準(zhǔn)解碼。

中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所副所長(zhǎng) 陶虎：我們相信腦機(jī)接口它絕不僅僅是說(shuō)把病人變成正常人，隨著多學(xué)科的交叉，隨著我們對(duì)大腦更多的認(rèn)識(shí)，有可能我們可以把我們的視覺提高，我們的聽覺（提高），延長(zhǎng)我們的生命，還有提高我們的耐力，腦機(jī)接口也是未來(lái)我們認(rèn)為很有潛力的一個(gè)方向。

腦圖譜：破解大腦奧秘的"地圖"如何繪制?

腦機(jī)接口的基礎(chǔ)，是我們對(duì)大腦的深入了解和認(rèn)知，近期，我國(guó)科研人員，在對(duì)腦的認(rèn)知上取得了一些新進(jìn)展，比如，繪制出越來(lái)越精準(zhǔn)豐富的“腦”地圖，如何做到的呢？接下來(lái)我們就到北京腦科學(xué)與類腦研究中心去一探究竟。

這是我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)繪制的全球首張小鼠外周感覺神經(jīng)元在全身的投射圖譜。在這個(gè)相互纏繞的網(wǎng)絡(luò)中，不同顏色線條代表小鼠不同神經(jīng)元發(fā)出的神經(jīng)線路，它們從大腦延伸至爪尖，構(gòu)成了完整的連接路徑。在如此精密的水平上，看到單個(gè)神經(jīng)元的完整形態(tài)，是全球首次。

北京腦科學(xué)與類腦研究中心高級(jí)研究員 趙瑚：在這兒展示的就是一個(gè)神經(jīng)元它的形態(tài)，它的分辨率可以達(dá)到100納米以下。這是我們最新的技術(shù)看到的一些無(wú)與倫比的細(xì)節(jié)。

小鼠神經(jīng)圖譜的研究對(duì)人類大腦研究具有重要價(jià)值。而要繪制出清晰的小鼠神經(jīng)圖譜，卻是一個(gè)科研難題�？茖W(xué)家首先要讓小鼠復(fù)雜的肌肉、脂肪等組織“隱形”，只留下被標(biāo)記出的神經(jīng)脈絡(luò)。這個(gè)神奇的液體，就是科研團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的一種新型組織透明液，用它包裹的小鼠樣本，經(jīng)紫外光照射后，會(huì)變成一塊堅(jiān)硬透明的樹脂，強(qiáng)度比原本組織提升了150倍以上。隨后，科研人員會(huì)將這個(gè)樣本切塊，再借助顯微鏡逐一成像，最終通過(guò)圖層疊加，構(gòu)建出小鼠神經(jīng)在體內(nèi)的真實(shí)模樣。

北京腦科學(xué)與類腦研究中心高級(jí)研究員 趙瑚：以前的實(shí)驗(yàn)室他們也想的是把樣本做透明了，我們的創(chuàng)新能夠讓樣本又透明又硬，進(jìn)行任意的加工磨削，而不用擔(dān)心變形。

一個(gè)實(shí)驗(yàn)材料的改變，帶來(lái)了神經(jīng)圖譜成像領(lǐng)域的重大進(jìn)展。目前，團(tuán)隊(duì)正在研發(fā)新一代、高速高穩(wěn)定性的全身神經(jīng)連接圖譜成像自動(dòng)化平臺(tái)，一系列前沿探索，為加速產(chǎn)業(yè)應(yīng)用提供更多支撐。在產(chǎn)業(yè)端，這款全球首創(chuàng)，可以由意識(shí)控制的智能仿生手，通過(guò)采集手臂上微弱的神經(jīng)電信號(hào)，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)每根手指運(yùn)動(dòng)的精確控制。不需要開顱手術(shù)，就能讓截肢的殘障人士彈奏音樂，寫出書法，甚至飛檐走壁，挑戰(zhàn)極限。

強(qiáng)腦科技合伙人兼高級(jí)副總裁 何熙昱錦：我們的智能仿生手，我們也是在2020年底的時(shí)候就達(dá)到了量產(chǎn)。前期其實(shí)我們做了很多技術(shù)上的攻堅(jiān)，后面我們還要做分析，建相應(yīng)的模型。產(chǎn)業(yè)化道路雖然是非常艱難的，但我們覺得是非常必要的。

無(wú)限可能！腦機(jī)接口會(huì)給生活帶來(lái)哪些改變？

隨著技術(shù)的成熟，和政策不斷推動(dòng)，我國(guó)的腦科學(xué)研究成果正在從實(shí)驗(yàn)室加速邁向產(chǎn)業(yè)化。

北京今年4月發(fā)布了相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)方案，提出到2026年，培育多家龍頭企業(yè)；2030年，培育百家中小企業(yè)，形成產(chǎn)業(yè)發(fā)展集聚區(qū)。

而上海在2018年就成立了“腦科學(xué)與類腦研究中心”，明確將腦科學(xué)與類腦智能列為戰(zhàn)略領(lǐng)域重點(diǎn)布局。

深圳目前也已聚集了近百家腦科學(xué)與類腦智能產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域重點(diǎn)企業(yè)，預(yù)計(jì)2025年相關(guān)產(chǎn)業(yè)規(guī)模可達(dá)40億元。

專家介紹，未來(lái)腦機(jī)接口技術(shù)應(yīng)用廣泛，除了之前提到的在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域可幫助身體受限的病患提高生活質(zhì)量，在工業(yè)領(lǐng)域，可以幫助工人更有效、更安全地控制機(jī)器設(shè)備；在藝術(shù)和娛樂領(lǐng)域，可以在交互式藝術(shù)品、視頻游戲和虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中有著無(wú)數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景，讓人更加身臨其境……等等，我們也期待未來(lái)腦機(jī)接口的發(fā)展可以給日常生活帶來(lái)更多可能。

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