脑机接口，让中国“直线超车”？

昨日，一则脑机接口Brain-Machine Interface，简称BMI；或Brain-Computer Interface，简称BCI）的新闻引发全世界狂欢，人类首次被植入脑机接口芯片。这意味着，脑机接口行业终于迎来重大转折，这门生意，成了，人类发展也可能要迈入新纪元了。

Neuralink创始人埃隆·马斯克（Elon Musk）在社交媒体X上宣布，人类首次接受脑机接口（Neuralink）芯片植入，植入者恢复良好。初步结果显示，神经元尖峰检测很有希望。

随后马斯克补充，“当人们植入脑机接口芯片，只需思考，即可控制手机或计算机，通过它们可以实现控制几乎任何设备。最初的使用者将是那些失去行动能力的人。想象一下，如果能让史蒂芬·霍金沟通速度比打字员或拍卖师更快，我们的目标就达到了。”

马斯克还介绍说， Neuralink的首个产品名叫“心灵感应”（Telepathy）。

当大脑与设备相连

“想象一下，如果你能把思想融入机器，就仿佛在你的思想和机器之间建立了一种直截了当的高速连接。”这是马斯克在2016年一次旅途中冒出的想法， 那时，他觉得用手打字太慢了。

而现在，马斯克的想法正在成为真实，脑机接口就是能够实现“意念手写”的那个技术，将大脑和外部设备之间创建的直接连接通路。其核心是充分发挥人脑的优势，绕过人体自身器官，大脑直接与外界装备进行高效互动。

我们为什么要研发脑机接口？

首先，它被证明为神经修复的最强大工具，能够为瘫痪、中风和帕金森等疾病导致的神经功能受损的患者提供全面的解决方案。

其次，脑机接口作为核心关键技术，帮助我们全面地理解大脑的工作机制，是国际脑科学研究领域的重要手段。

在未来，我们有望将脑机接口发展成为超越智能手机的智能终端，让人们通过意识来操控周围的设备，并赋予他们超乎寻常的耐力、速度、精度和效率。

更令人兴奋的是，去年11月，Science一篇论文表明动物也有人类那样的想象力，因此，把动物的大脑与设备相连也会让人拥有更大想象力。

把连接外部的通路塞到脑子中，这无疑会损伤大脑，因此根据侵入和损伤程度，业界将脑机接口可分为侵入式、非侵入式以及半侵入式三类。

其中柔性电极阵列具有较高的稳定性和信号质量，但植入过程中易造成组织损伤；而柔性电极阵列虽能减少组织伤害，但植入困难且长期使用稳定性较差。因此，如何将两者的优势结合起来，开发出一种刚柔可调的电极阵列技术，成为当前的研究热点。

这次有什么不同？

如果从1924年德国医生汉斯·伯格开发脑电图（EEG）算起，脑机接口经过百年的近现代技术发展，已形成一系列基本的技术研究和应用范式。

脑机接口主要历史事件，制表｜电子工程世界

不过，从始至终，脑机接口都缺乏侵入式的临床应用。

目前市场上侵入式的脑机接口主要有三个技术路线：硅基硬质电极系统、血管电极系统和柔性电极系统。

这些技术路线在过去十年里取得了显著进展，但仍面临一些核心问题，如高通量、低创伤和长期在体的挑战。

而在业界，也有人提出，脑机接口的摩尔定律是每隔18个月可以读写的脑机接口神经元数量应该翻一倍，脑机接口通道数的增速可以符合半导体的发展规律。

此次人类首次接受脑机接口（Neuralink）芯片植入，是高性能脑机技术面向临床应用的一次重大突破。

此前获准的传统植入式脑机接口，使用名为“犹他阵列”（Utah array）的硬质电极，可能会引起大脑内部出现对异物的排异反应，如果需要更多通道神经信息，需要在大脑内部放置更多电极，这往往是不可取的。

而Neuralink采用的是柔性电极，有效降低大脑的排异反应，且具备1024个通道的电极，能采集到相当高质量的神经信息。

目前，国际上植入式脑机接口公司中，进入人体临床试验阶段的有三家，分别是Neuralink、Onward和Synchron。其中，Neuralink 属于“皮层刺入”路线；Onward属于“皮层表面”路线，走这种路线的国内也有微灵医疗；Synchron属于“血管介入式”。

电子工程师要关注什么？

脑机接口关键技术包括采集技术、刺激技术、范式编码技术、解码算法技术、外设技术和系统化技术。其中，电极与芯片与电子工程极为相关。具体技术细节包括：

植入式电极

植入式微电极通过将以离子为载体的神经电信号转换为以电子为载体的电流或电压信号，从而获取大脑神经电活动信息。

植入到大脑中的微电极可以高空间分辨率和时间分辨率方式，精确记录电极附近单个神经元的动作电位，从而实时监测大脑活动。

传统植入式微电极由金属和硅等硬质材料制备而成，形成了以密西根电极和犹他电极为主的硬质电极。随着微纳加工技术和电极材料不断发展，微电极趋向于柔性、小型化高通量和集成化发展，形成了以微丝电极、硅基电极和柔性电极为主的多元化发展局面。

高性能柔性微电极对长期稳定慢性记录具有重要意义，高通量微电极将为拓展全脑神经科学研究奠定重要基础。

采集芯片

目前，脑信号采集技术朝着微型化、轻量化、高通量、分布式采集的方向不断前进。针对脑机接口的应用、算法、硬件以及范式的研究内容也逐渐主富，其中，脑信号采集芯片是将脑信号直接转化为数字信号的核心硬件，也是脑信号读取与解码，脑部疾病诊断与调控所依赖的工具。

在定制化脑信号采集芯片设计过程中存在诸多技术挑战。精密放大器是脑信号采集芯片中的核心模块，在脑机接口应用场景中需要满足多重技术参数要求。

对于脑信号来说，其幅值微弱 (几十uV到几个mV)、频率低 (0.5Hz到数kHz)，因此易受外界噪声干扰，从而导致信号质量不佳。为了保持最佳的信号质量，脑信号采集模块的部分关键参数,例如信号噪声共模抑制比(CMRR)、电源抑制比(PSRR)、增益匹配、运动伪影等需要优化。

多个脑信号采集参数之间存在相互制约的关系，多参数的统筹优化是当前脑信号采集芯片设计的核心问题之一。

信号噪声是脑信号采集过程中最大的干扰源之一；共模抑制比是衡量系统应对环境干扰的关键参数；采集芯片的微型化设计是植入式脑机接口系统核心技术挑战之一。

针对不同的脑机接口应用以及采集芯片面对的一些技术难题，国内外有许多团队提出了解决方案。

• 例如针对采集过程中的电极间直流偏置引起斩波放大器输出饱和的问题，一种直流伺服反馈回路技术通过积分器将输出端的直流分量提取并反馈至输入端，有效抑制了电极间的直流偏置；

• 对于采集芯片的超低功耗需求，有团队设计了基于反相器结构的超低压斩波放大器，非常适合植入式场景。针对芯片微型化的问题，放大器与DAC结合的数字-模拟混合反馈技术可大幅缩小采集芯片的片上面积；

• 针对脑信号采集过程中的共模干扰问题，基于电荷泵 (chargepump)的共模反馈技术通过对输入端的共模扰动信号进行动态反馈，能有效抵抗高达 15V 的共模扰动；

• 对于采集芯片的无线供电问题，线圈的无线电感传输技术被应用在植入式脑机接口芯片中，通过外部传输线圈以及中继线圈和片上耦合线圈，实现了对体内采集芯片的无线供电以及采集到的脑电信号无线传输。体表网络无线传输技术 (Body areanetwork，BAN) 解决了无线供电时线圈难对准的问题，利用被试者的身体表面对采集到的信号以及能量进行无线传输，适用于可穿戴的脑机接口场景；

• 在提升系统集成度方面，目前已有将信号采集、存储、以及基于AI的信号归类识别等模块集成在一起的脑机接口片上系统，实现了较高的系统集成度。针对于高通量植入式脑机接口芯片，有些公司设计了带有动作电位识别的高集成度采集芯片，该芯片与数千个柔性电极相结合，实现了对高通量脑信号的采集。

中国“直线超车”的另一条路

环顾世界，美国国防高级研究计划局（DARPA）、脸书、谷歌、亚马逊等商业巨头都在积极布局脑机接口领域，成果不断涌现，并已形成较高的技术壁垒。

我国也不例外。中国“脑计划”，也即“脑科学与类脑研究”作为“科技创新2030重大项目”即将全面启动。

中国科学院上海微系统与信息技术研究所副所长、研究员陶虎曾在一篇文章中写道：“在高端科技中，我认为，脑机接口是中国最有可能迎头赶上甚至‘直线超车’的领域之一。目前来看，在脑机接口核心器件的设计方面，中国完全不落后于国外，而且其加工只涉及成熟的半导体工艺，这些核心加工技术均不面临被“卡脖子”的问题和风险。因此，对于中国来说，推进脑机接口未来的发展，主要还是加快推进资源调配等问题，各环节协同合作，研制出全链条自主可控的脑机接口系统，为中国“脑计划”的全面开展和顺利推进提供解决方案。”

学界方面，目前，中国高校在脑机交互技术研发方面非常踊跃，浙江大学、天津大学、南方科技大学、上海交通大学、西安交通大学等高校皆有建树。

纵观整个中国资本市场，一直也活跃在脑机接口领域。根据动脉网统计，2023年脑机接口领域共发生投融资事件10起。其中，深圳市应和脑科学有限公司(以下简称“应和脑科学”) 以超亿元的融资金额在上半年领跑。

当前，中国在脑机接口领域，尤其是植入式脑机接口的关键器件和高端装备上，严重依赖于进口。国内缺乏具有原创性的核心技术，多数时候是在进行跟踪研究，布局分散且缺乏系统性。近两年，美国对脑机接口实施了出口管制，导致系统级产品和核心器件的供应受到了一定的影响。这不仅对中国脑科学研究产生了影响，还对神经疾病患者的治疗带来了不同程度的影响。

此外，中国的脑机接口研发，面临几大挑战：

• 一是安全性和有效性难以兼得，这一问题的待解限制了脑机接口技术的大范围运用；

• 二是脑机接口的有效带宽，即到底植入多少个电极足以基本涵盖大脑重要活动或满足特定功能需求，仍是一个未知数；

• 三是海量神经信号的处理仍是难题；

• 四是社会普遍关注的脑机安全与伦理风险。

对于脑机接口的商业化，也是一大问题。上海脑虎科技有限公司的创始人兼CEO彭雷，曾在第二届南渡江论坛上表示。脑机接口商业化的挑战，包括用户购买和使用的成本以及给用户带来的价值。他认为，将脑机接口与XR技术结合是一个有前景的方向，因为这样可以实现在佩戴上的无成本，并且可以提供更多的交互方式，包括运动交互和情感交互。

脑机接口，作为人与外部世界之间的沟通桥梁，并非绝对安全，它同样面临着被恶意攻击的风险，这无疑增加了决策的复杂性和不确定性，并可能导致更大的风险。因为脑机接口技术的最终应用对象是人类，所以在开展临床试验之前，必须严格遵守国家的法律法规，确保符合临床伦理要求。而对于未来的风险，我们仍需保持警惕和谨慎评估。