人類大腦，數(shù)百億個(gè)神經(jīng)元彼此相連，復(fù)雜且精密，與宇宙一樣，大腦也是人類至今仍無(wú)法征服的未知世界，因?yàn)橹亓恐挥?000多克，大約3磅，人類大腦被科學(xué)家們形象地稱為“三磅宇宙”。如今，正在快速發(fā)展的腦機(jī)接口技術(shù)為人類了解自己的大腦打開了一扇小小的窗口，透過(guò)這扇窗，巨大的潛力已經(jīng)展現(xiàn)在我們眼前。

探索“三磅宇宙”的未來(lái)科技

在科幻電影中，我們經(jīng)?？吹竭@樣的場(chǎng)景——?dú)埣踩擞脵C(jī)械臂自如地彈唱，人類依靠“意念”指揮著龐大的機(jī)械……而現(xiàn)實(shí)中，不斷發(fā)展的“腦機(jī)接口”技術(shù)正在將這些科幻想象變成現(xiàn)實(shí)。

北京腦科學(xué)與類腦研究中心聯(lián)合主任羅敏敏：我們?nèi)说乃季S，包括動(dòng)作的控制和對(duì)外界識(shí)別，歸根到底都是腦子里頭的神經(jīng)細(xì)胞的電信號(hào)所決定的。

專家介紹，腦機(jī)接口是指通過(guò)在人腦神經(jīng)與電子或者機(jī)械設(shè)備間建立直接連接通路，來(lái)實(shí)現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)和外部設(shè)備間信息交互與功能整合的技術(shù)。

典型的腦機(jī)接口系統(tǒng)一般分為四部分，即腦電信號(hào)的采集，腦電信號(hào)的分析，依據(jù)腦電信號(hào)控制實(shí)施的行為，以及外界的反饋。其中的關(guān)鍵核心技術(shù)包括采集腦電信號(hào)的電極、神經(jīng)接口芯片、信號(hào)解碼等一系列前沿科技。

北京腦科學(xué)與類腦研究中心聯(lián)合主任羅敏敏：我們?nèi)说纳窠?jīng)細(xì)胞發(fā)放一個(gè)電信號(hào)，它是毫秒級(jí)別，所以如何快速記錄這些電信號(hào)，而且記錄不是一個(gè)兩個(gè)，是記錄上千上萬(wàn)個(gè)通道才可以得到足夠信息解碼出一定的信息，怎么控制能耗，怎么做出無(wú)限的信號(hào)的傳遞，怎么做出實(shí)時(shí)解碼，既是工程學(xué)上的挑戰(zhàn)，也是一個(gè)科學(xué)的挑戰(zhàn)。

專家介紹，在我國(guó)，高校是腦機(jī)接口研究的主力。1999年，清華大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)的腦機(jī)接口，就實(shí)現(xiàn)了控制光標(biāo)移動(dòng)。2016年，在天宮二號(hào)和神舟十一號(hào)載人飛行中，天津大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)與中國(guó)航天員中心合作完成了人類首次太空腦-機(jī)交互實(shí)驗(yàn)。2018年，清華大學(xué)腦機(jī)接口團(tuán)隊(duì)為漸凍癥患者設(shè)計(jì)的中文輸入視覺腦機(jī)接口系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了用意念打字。2020年，浙江大學(xué)完成了國(guó)內(nèi)第一例植入式腦機(jī)接口臨床研究。如今，在康復(fù)醫(yī)療、癲癇治療、心理疾病診斷治療等方面都有大量的科研成果。

頻頻上新已到走出實(shí)驗(yàn)室的關(guān)鍵時(shí)期

“腦機(jī)接口”作為人類面向未來(lái)的創(chuàng)新科技，按照信號(hào)采集方式不同，主要包括有創(chuàng)和無(wú)創(chuàng)兩種技術(shù)路線。我國(guó)高校對(duì)每一種技術(shù)路線都有探索，隨著實(shí)驗(yàn)室成果的不斷積累，我國(guó)腦機(jī)接口科研已經(jīng)進(jìn)入了走出實(shí)驗(yàn)室、邁向市場(chǎng)的關(guān)鍵時(shí)期。

在天津市環(huán)湖醫(yī)院，由天津大學(xué)神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)開發(fā)的穿戴式腦控外肢體手指機(jī)器人系統(tǒng)臨床研究已經(jīng)開展了半年多，這個(gè)系統(tǒng)又被稱為“靈犀指”。參與臨床研究的喬先生是一名因急性腦卒中左手失去了抓握能力的患者，這是他首次試用“靈犀指”。

“靈犀指”是天津大學(xué)研發(fā)的一種無(wú)創(chuàng)腦機(jī)接口康復(fù)系統(tǒng)，只要戴上腦電帽就可以通過(guò)讀取腦電信息來(lái)操控機(jī)器手指。目前的研究數(shù)據(jù)已經(jīng)證實(shí)，這一系統(tǒng)能夠大大加速患者的康復(fù)進(jìn)度。

在天津大學(xué)無(wú)創(chuàng)腦機(jī)接口取得進(jìn)展的同時(shí)，清華大學(xué)的微創(chuàng)腦機(jī)接口也正在積極推進(jìn)。在清華大學(xué)醫(yī)學(xué)樓的神經(jīng)工程實(shí)驗(yàn)室，因車禍而高位截癱多年的小白正通過(guò)自己的意念操控著電動(dòng)輪椅。

記者：精確度還挺高的，怎么做到的？

小白：專注想象動(dòng)作。

記者：它反應(yīng)靈敏嗎？

小白：非常靈敏。

去年12月，小白在北京天壇醫(yī)院接受了無(wú)線微創(chuàng)腦機(jī)接口植入手術(shù)，小白植入的腦機(jī)接口雖然需要進(jìn)行顱腦手術(shù)，但電極并不進(jìn)入大腦皮層和腦組織，因此被稱為半侵入式的腦機(jī)接口。

清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授洪波：這個(gè)腦機(jī)接口有效性都得到了證明。最重要的是他現(xiàn)在可以用自己的思維、腦信號(hào)來(lái)控制自己的計(jì)算機(jī)，他能夠腦控輪椅，所以這個(gè)證明腦機(jī)接口的信號(hào)控制已經(jīng)成功了。

洪波教授告訴記者，另外一例臨床試驗(yàn)患者老楊也是高位截癱，如今已能夠熟練地使用腦控外骨骼手套，原先完全失去功能的手還恢復(fù)了部分抓握功能，這些都證明了腦機(jī)接口的有效性。接下來(lái)他們團(tuán)隊(duì)將根據(jù)有關(guān)部門批準(zhǔn)，進(jìn)一步擴(kuò)大醫(yī)學(xué)臨床試驗(yàn)規(guī)模，爭(zhēng)取早日將這一成果轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品造福患者。

新突破首個(gè)片上腦機(jī)接口智能交互系統(tǒng)

科學(xué)家們對(duì)“腦機(jī)接口”的探索遠(yuǎn)不止于此，甚至比電影的情節(jié)更加科幻。在天津大學(xué)醫(yī)學(xué)院的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，李曉紅教授向記者展示了他們團(tuán)隊(duì)和南方科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)的最新科研成果——全球首個(gè)片上腦機(jī)接口智能交互系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，“大腦”竟然是人工培養(yǎng)出來(lái)的。

片上腦機(jī)接口智能交互系統(tǒng)簡(jiǎn)稱“片上腦機(jī)”，專家介紹，“片上腦機(jī)”顧名思義上就是在電極芯片上培養(yǎng)出來(lái)的“類腦組織”，是腦機(jī)接口領(lǐng)域的一個(gè)重要新興分支。

天津大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授李曉紅：通常腦機(jī)接口用的是人或者是動(dòng)物真實(shí)的大腦，但是片上腦機(jī)接口，它用的是體外培養(yǎng)的“大腦”，就如同我們這個(gè)模型里面在細(xì)胞培養(yǎng)皿上面培養(yǎng)的這樣一個(gè)類器官，是采用生物技術(shù)和干細(xì)胞技術(shù)培養(yǎng)的，這就是我們和經(jīng)典的腦機(jī)接口不一樣的地方。

在科研團(tuán)隊(duì)展示的實(shí)驗(yàn)中，記者看到，浸泡在營(yíng)養(yǎng)液中的人工腦組織僅半粒小米大小，研究員通過(guò)超聲波給它下達(dá)指令后，它控制的小車開始慢慢移動(dòng)，并能自主避開遇到的障礙。

天津大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授李曉紅：它是可以通過(guò)去控制左輪和右輪的一些速度，它的一些方向，它的一些角速度來(lái)達(dá)到一些避障的效果，就是我們第一個(gè)完成的一個(gè)任務(wù)；第二個(gè)是我們還可以實(shí)現(xiàn)跟蹤；第三個(gè)是可以實(shí)現(xiàn)抓取。

李曉紅教授告訴記者，他們的片上腦機(jī)接口智能交互系統(tǒng)是全球首個(gè)開源的片上腦機(jī)系統(tǒng)，未來(lái)植入機(jī)器人中，機(jī)器人有望無(wú)需依賴人工智能算法等，就可以輔助人類完成特定任務(wù)。這一目標(biāo)與人工智能相似，但路徑截然不同。

天津大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授李曉紅：跟我們的人類大腦一樣，它是有學(xué)習(xí)記憶基礎(chǔ)的，所以我們可以對(duì)它進(jìn)行訓(xùn)練，就像小孩子一樣，剛生出來(lái)的話，它其實(shí)什么也不會(huì)，那可是我教它就會(huì)了，我教到它什么程度它就能會(huì)到什么程度。

相較于需要大量算力的人工智能模型，“類腦組織”還具有輕能耗等優(yōu)勢(shì)，科學(xué)家們認(rèn)為，未來(lái)片上腦機(jī)接口將對(duì)混合智能、類腦計(jì)算等前沿科技的發(fā)展起到革命性的推動(dòng)作用。

天津大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授李曉紅：我們現(xiàn)在人工智能在某一些方面確實(shí)很厲害，但是人工智能它其實(shí)是需要一個(gè)很高的功耗，它需要大量的數(shù)據(jù)級(jí)去訓(xùn)練它，需要一個(gè)很長(zhǎng)的時(shí)間，它可能要學(xué)習(xí)幾千遍它才能學(xué)會(huì)。但是我們體外培養(yǎng)的腦，尤其是人源的這樣一個(gè)培養(yǎng)的腦，它可能幾分鐘就學(xué)會(huì)了，這個(gè)可能是我們的人工智能是沒(méi)有辦法比的，它的前景是無(wú)限的。

推動(dòng)科技成果轉(zhuǎn)化加速形成新質(zhì)生產(chǎn)力

腦機(jī)接口的技術(shù)成熟度不斷提升，已成為主要大國(guó)培育經(jīng)濟(jì)發(fā)展新動(dòng)能，打造競(jìng)爭(zhēng)新優(yōu)勢(shì)的未來(lái)產(chǎn)業(yè)。在我國(guó)，“中國(guó)腦計(jì)劃”已經(jīng)啟動(dòng)，“腦科學(xué)與類腦研究”已被寫入國(guó)家規(guī)劃綱要，腦機(jī)接口更是被明確為未來(lái)產(chǎn)業(yè)十大標(biāo)志性產(chǎn)品。目前，腦機(jī)接口的產(chǎn)業(yè)鏈還處于初期發(fā)展階段，如何推動(dòng)腦機(jī)接口科技成果轉(zhuǎn)化，加速形成新質(zhì)生產(chǎn)力，一些探索已經(jīng)開始。

今年5月，國(guó)內(nèi)首個(gè)面向腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)發(fā)展的專項(xiàng)基金——腦機(jī)海河實(shí)驗(yàn)室基金正式發(fā)布，旨在建立創(chuàng)新投資模式，撬動(dòng)社會(huì)資本支持腦機(jī)全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。

天津大學(xué)醫(yī)學(xué)院副主任倪廣健介紹，腦機(jī)接口作為新興技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化落地面臨諸多問(wèn)題，比如相關(guān)政策法規(guī)的尚不健全、醫(yī)療器械證如何申請(qǐng)等。另外，高校也存在科研機(jī)制、經(jīng)費(fèi)使用等方面的限制。

針對(duì)這些問(wèn)題，由天津市政府主導(dǎo)，天津大學(xué)等10多家單位牽頭建設(shè)的腦機(jī)交互與人機(jī)共融海河實(shí)驗(yàn)室去年3月正式掛牌。

孟琳是天津大學(xué)神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)的骨干科學(xué)家，腦機(jī)交互與人機(jī)共融海河實(shí)驗(yàn)室成立之初，她就帶著自己主持研發(fā)的腦控外骨骼混合助行機(jī)器人項(xiàng)目加入進(jìn)來(lái)。在這里，她得到了資金、醫(yī)療器械申請(qǐng)注冊(cè)、臨床研究等多個(gè)方面的支持。

天津大學(xué)醫(yī)學(xué)院主任助理孟琳：針對(duì)我們醫(yī)療的產(chǎn)品的醫(yī)療器械注冊(cè)證的申請(qǐng)，還有我們的裝備的檢測(cè)都有優(yōu)先處理的一個(gè)政策，加速我們相關(guān)產(chǎn)品的落地應(yīng)用，期望今年年底我們能先拿到一個(gè)二類的注冊(cè)證。

據(jù)介紹，在天津市委市政府支持下，海河實(shí)驗(yàn)室打通了科研創(chuàng)新、科技成果轉(zhuǎn)化、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的接口，同時(shí)在科技成果處置權(quán)、使用權(quán)、收益權(quán)等方面賦予科研人員自主權(quán)。在天津大學(xué)神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的20多個(gè)“神工”系列腦機(jī)接口醫(yī)療器械產(chǎn)品中，已有多個(gè)拿到了國(guó)家醫(yī)療器械注冊(cè)證。

天津大學(xué)醫(yī)學(xué)院副主任腦機(jī)海河實(shí)驗(yàn)室副主任倪廣?。?/strong>二十屆三中全會(huì)再一次強(qiáng)調(diào)了教育科技人才三鏈融合發(fā)展，高校的優(yōu)勢(shì)就是一定要將三鏈牢牢地結(jié)合起來(lái)，一定要從國(guó)家的需求、國(guó)家的重大任務(wù)入手，把我們要落地的這些場(chǎng)景一定要抓得實(shí)，做真正有用有大用的腦機(jī)接口，服務(wù)我們的國(guó)家重要需求。

（總臺(tái)央視記者潘虹旭代欽夫）