《黑客帝國》中，主人公通過(guò)腦機接口與矩陣系統連接，穿梭于現實(shí)與虛擬世界；《攻殼機動(dòng)隊》中，腦機接口成為人與機器重要的連接橋梁……這些科幻場(chǎng)景都涉及一項前沿技術(shù)——腦機接口。
腦機接口早已不僅僅是科學(xué)幻想。人工智能以及柔性材料、生物傳感器等技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)腦機接口技術(shù)走向實(shí)用化。
在英國《自然》雜志網(wǎng)站列舉的2025年值得關(guān)注的科學(xué)事件中，腦機接口位列其中。2025年新年伊始，在上海復旦大學(xué)附屬華山醫院，一名女患者腦中想著(zhù)“新年快樂(lè )”，意念被電腦成功解碼并發(fā)出指令，操縱機械手做出比心的動(dòng)作。
本期“瞰前沿”走近腦機接口最新進(jìn)展，了解其科學(xué)原理及實(shí)現路徑，探究它將如何影響人類(lèi)的現在與未來(lái)。
——編 者
腦機接口被稱(chēng)為人腦與外界溝通交流的“信息高速公路”，是新一代人機交互和人機混合智能的前沿技術(shù)，有望成為促進(jìn)經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展、改善民生健康的未來(lái)產(chǎn)業(yè)。
意念打字、意念說(shuō)話(huà)，腦機接口從科幻中走來(lái)
腦機接口是在人與外部設備間創(chuàng )建的信息連接通路，實(shí)現所謂的“意念”控制。具體來(lái)看，大腦在思維活動(dòng)時(shí)，神經(jīng)元會(huì )放電形成腦電波，腦機接口則通過(guò)識別腦電波特征直接讀取大腦意圖，實(shí)現人與機器或外部環(huán)境之間的交互。
近年來(lái)，隨著(zhù)生物醫學(xué)工程、神經(jīng)工程與康復工程、認知神經(jīng)科學(xué)與心理科學(xué)、人工智能等領(lǐng)域的發(fā)展，腦機接口工程化進(jìn)度加快，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展明顯提速。在2014年巴西世界杯揭幕戰上，截癱青年朱利亞諾·平托就在腦機接口技術(shù)的輔助下為足球比賽開(kāi)球；2016年，在神舟十一號載人飛船飛行過(guò)程中，我國航天員完成了首次太空腦機交互實(shí)驗；國際上多個(gè)團隊通過(guò)腦機接口技術(shù)，幫助患者實(shí)現了“意念打字”“意念說(shuō)話(huà)”等功能……
腦機接口的技術(shù)發(fā)展并非是爆發(fā)式的，而是日積月累、循序漸進(jìn)的。20世紀60年代，科學(xué)家開(kāi)始研究腦電波與計算機的連接，通過(guò)記錄腦電圖、對腦電波信號進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，嘗試簡(jiǎn)單地解讀腦電波，并實(shí)現其與外部設備的互動(dòng)。這一時(shí)期，腦機接口技術(shù)尚不成熟。1973年，計算機科學(xué)教授雅克·維達爾首次在學(xué)術(shù)期刊上提出“腦機接口”的術(shù)語(yǔ)。20世紀90年代，隨著(zhù)計算機技術(shù)和神經(jīng)科學(xué)的進(jìn)步，研究者實(shí)現了通過(guò)大腦控制外部設備的初步實(shí)驗。1998年，科研人員成功實(shí)現了讓猴子通過(guò)腦電波控制機械臂的運動(dòng)。這一階段設備和接口仍較為笨重，信號解碼精度有限，但為后期改進(jìn)提供了寶貴經(jīng)驗。2000年，公認的腦機接口概念被正式提出。如今，腦機接口已成為腦科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)等領(lǐng)域最受矚目的研究方向之一。
多路徑齊頭并進(jìn)，相關(guān)技術(shù)實(shí)現多元場(chǎng)景應用
腦機接口的技術(shù)路徑主要包括侵入式和非侵入式。
侵入式腦機接口需通過(guò)手術(shù)等方式直接將電極植入到大腦皮層獲取神經(jīng)信號。此類(lèi)腦機接口所獲取的信號空間分辨率好、信噪比高，但需通過(guò)外科手術(shù)植入體內，安全性低、成本高，容易引發(fā)免疫反應和愈合反應，進(jìn)而導致所采信號衰退甚至消失。美國“神經(jīng)連接”公司的腦機接口技術(shù)就是典型的侵入式。2024年初，該公司創(chuàng )立者馬斯克宣布“神經(jīng)連接”植入的首個(gè)大腦芯片人類(lèi)患者已經(jīng)完全康復。
國內的侵入式腦機接口技術(shù)正在多個(gè)場(chǎng)景獲得應用。在外部設備控制方面，浙江大學(xué)團隊實(shí)現了侵入式腦機接口控制機械臂書(shū)寫(xiě)漢字。在醫療康復方面，清華大學(xué)團隊開(kāi)發(fā)了可放置在大腦感覺(jué)運動(dòng)皮層上的無(wú)線(xiàn)、小侵入性腦機接口系統，幫助脊髓損傷的癱瘓患者恢復手部運動(dòng)，實(shí)現控制光標、操控輪椅、自主喝水等運動(dòng)。在語(yǔ)言解碼方面，華山醫院及其合作團隊先后開(kāi)展高精度實(shí)時(shí)運動(dòng)解碼和語(yǔ)言解碼臨床試驗，實(shí)現了“腦控”智能設備和“意念對話(huà)”。由此可見(jiàn)，侵入式腦機接口有望在醫療、科研等領(lǐng)域帶來(lái)更多突破。
非侵入式腦機接口通過(guò)直接貼附在頭皮上的電極采集神經(jīng)信號。其優(yōu)點(diǎn)是可以在頭皮上直接監測到群體神經(jīng)元的放電活動(dòng)，操作簡(jiǎn)單、成本低、不用損傷機體，也不會(huì )引起免疫反應。但由于顱骨對信號的衰減作用和對神經(jīng)元電磁波的分散和模糊作用，非侵入式腦機接口記錄到的信號空間分辨率低、幅值微弱且信噪比較低，對后續信號處理算法的性能要求較高。
近年來(lái)，我國無(wú)創(chuàng )腦機接口取得了顯著(zhù)進(jìn)步，達到世界先進(jìn)水平。在基礎元器件領(lǐng)域，天津大學(xué)與中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團旗下中電云腦聯(lián)合研發(fā)了具有完全自主知識產(chǎn)權的全球首款腦機接口編解碼專(zhuān)用芯片“腦語(yǔ)者”。在神經(jīng)康復方面，“神工”腦機交互創(chuàng )新醫療器械全譜系產(chǎn)品問(wèn)世，首創(chuàng )了“腦—機—體”協(xié)同的神經(jīng)功能重建思路，實(shí)現了主動(dòng)訓練對皮層、肌肉活動(dòng)的同步整合與協(xié)同，取得了運動(dòng)康復領(lǐng)域的重大突破。在載人航天等特種應用方面，六代中國空間站在軌腦電測試項目圍繞腦力負荷、腦力疲勞、警覺(jué)度等，開(kāi)發(fā)了具有完全自主知識產(chǎn)權的空間站腦功能評估與調節技術(shù)，成功完成首個(gè)階段性目標任務(wù)。在消費級腦機融合產(chǎn)品研發(fā)方面，我國首個(gè)腦機接口領(lǐng)域綜合性開(kāi)源軟件平臺MetaBCI發(fā)布，搭建起橫跨醫療、教育、娛樂(lè )、國防、交通等領(lǐng)域的智能生態(tài)產(chǎn)業(yè)平臺。非侵入式腦機接口因其安全、無(wú)創(chuàng )的優(yōu)勢，受眾人群更廣、應用潛力更大，有望在醫療、科研、工業(yè)、教育、娛樂(lè )、國防等領(lǐng)域顛覆人類(lèi)現有的生活生產(chǎn)方式。
值得注意的是，片上腦機接口，即在電極芯片上培養出來(lái)的類(lèi)腦組織，為腦機接口技術(shù)的發(fā)展提供了新思路。腦機交互與人機共融海河實(shí)驗室在人體外創(chuàng )造了一個(gè)有生物智能的“類(lèi)腦器官”，實(shí)現了培養“大腦”對目標的視覺(jué)感知以及對機器人避障、跟蹤、抓握等任務(wù)的無(wú)人控制，完成了多種類(lèi)腦計算的啟發(fā)工作。作為腦機接口領(lǐng)域的一個(gè)新興分支，片上腦機接口對于探索新一代生命體—非生命體融合交互，在混合智能、類(lèi)腦智能、醫療康復等國家重大需求領(lǐng)域新應用方面具有重要意義。
做“真有用、有大用”的腦機接口
腦機接口融合了醫學(xué)、計算機、電子、機械、材料等多個(gè)學(xué)科的先進(jìn)理論與前沿技術(shù)。在這樣相對較長(cháng)的技術(shù)鏈中，任何一個(gè)環(huán)節的技術(shù)短板都會(huì )阻礙其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
我國腦機接口市場(chǎng)正在孕育發(fā)展中，受到了社會(huì )各界的廣泛關(guān)注。近年來(lái)，研究者致力于建立腦機自然交互模型，逐步實(shí)現意圖的自由表達。同時(shí)，腦機接口的應用場(chǎng)景逐漸拓展到醫療、航天、智慧家居等多個(gè)領(lǐng)域，涌現了面向腦卒中康復的純意念控制人工神經(jīng)機器人，以及太空腦機接口系統、腦控拼寫(xiě)器等一系列成果。未來(lái)，研究人員將致力于建立腦機雙向讀寫(xiě)系統，高效準確地解讀更加復雜的大腦意圖，實(shí)現人機深度融合。
我們也要清晰地認識到，目前我國腦機接口企業(yè)缺乏健全的技術(shù)鏈、完整的人才鏈，導致產(chǎn)業(yè)化能力較弱，從實(shí)驗到日常實(shí)踐還有很長(cháng)的路要走。
在我看來(lái)，各類(lèi)侵入式技術(shù)存在倫理和安全風(fēng)險，非侵入式腦機接口安全性高、受眾群大、產(chǎn)業(yè)化前景廣闊，我國具備較好的技術(shù)積累，目前正處于新一代技術(shù)研發(fā)、加速產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的重要機遇期?，F階段，應鼓勵核心技術(shù)攻關(guān)和共性關(guān)鍵問(wèn)題研究，開(kāi)展具有原創(chuàng )性和顛覆性的“無(wú)人區”前沿探索。
在研究方向選定上，應以市場(chǎng)為導向驅動(dòng)腦機接口科技成果應用轉化和新質(zhì)生產(chǎn)力生成，做“真有用、有大用”的腦機接口。圍繞重大工程應用轉化需求，按照非侵入式與侵入式兩條技術(shù)路徑系統規劃設計，齊頭并進(jìn)推動(dòng)技術(shù)研究，推進(jìn)完善產(chǎn)業(yè)化、體系化發(fā)展途徑，推動(dòng)我國在腦機接口領(lǐng)域實(shí)現加速發(fā)展。
作為新興的技術(shù)領(lǐng)域，國內腦機接口市場(chǎng)中相關(guān)專(zhuān)業(yè)人才缺口非常大，導致小規模企業(yè)較難建立完整的人才鏈和技術(shù)鏈。這就需要引導高水平大學(xué)通過(guò)設置交叉學(xué)科等方式，培育高質(zhì)量復合型人才。同時(shí)，鼓勵校企共建高水平科研創(chuàng )新平臺，聯(lián)合承接腦機接口領(lǐng)域重點(diǎn)攻關(guān)任務(wù)，解決產(chǎn)業(yè)化落地難題，建立健全、健康的腦機接口產(chǎn)業(yè)鏈。天津大學(xué)開(kāi)設了全國首個(gè)腦機接口專(zhuān)業(yè)方向并正式招生。希望以此為契機，帶動(dòng)腦機接口及相關(guān)行業(yè)盡快打通技術(shù)鏈、補全人才鏈，構筑腦機接口產(chǎn)業(yè)鏈高質(zhì)量發(fā)展的可靠底座，提高腦機接口產(chǎn)業(yè)化能力。
腦機接口不僅將為醫療提供新的解決方案、改善人類(lèi)生活質(zhì)量，也會(huì )對社會(huì )結構、經(jīng)濟模式等方面產(chǎn)生深遠的影響。隨著(zhù)技術(shù)發(fā)展，腦機接口的應用可能會(huì )徹底改變我們與外部世界的互動(dòng)方式，進(jìn)一步模糊人類(lèi)和機器之間的界限。然而，這也將伴隨著(zhù)一系列復雜的倫理、隱私和社會(huì )問(wèn)題。如何確保腦機接口的公平性、安全性與普遍性，如何平衡技術(shù)創(chuàng )新與潛在風(fēng)險，將是人類(lèi)社會(huì )面臨的共同課題。
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