脑机接口技术：从生活走向太空

北京时间8月29日早上，在15万人围观的直播中，马斯克发布了旗下公司Neuralink的脑机交互设备，并向大家展示了三只植入脑机芯片的小猪。

这次演示意在表明，Neuralink的脑机接口技术正在进步，有望在未来某一天安全地应用于人类。这种脑机接口技术可能会帮助一些身体状况不那么理想的人。

我国的脑机接口研究者对此表示期待。那么，我们的脑机接口技术发展状况是怎样的呢？

脑机接口研究因患者起步

脑机接口，有时也称作“大脑端口”或者“脑机融合感知”，它是在人或动物脑（或者脑细胞的培养物）与外部设备间建立的直接连接通路。简单来说，就是实现脑与机器之间的直接“对话”。该技术能用于教育、医疗，当下正被业内人士热评为“技术上的新风口”。中国科学院院士、中科院脑科学与智能技术卓越创新中心学术主任蒲慕明在接受采访时曾介绍：“脑机接口大致有两类，一种是非侵入式的，即将电极放在头皮上，通过脑波诊断来判断大脑的状态，做疾病的诊断，还可以用脑波来控制外面的机器、外骨骼系统。另外一种是侵入式的，即直接把电极插入到大脑皮层，它可以记录更多、更准确的大脑的反应，进而更好地操纵外面的器械。”

马斯克此次在新媒体上宣布的属于侵入式脑机接口技术的应用。

在天津医院康复科的治疗室里，63岁的脑出血患者徐宝钏正在借助天津大学神经工程团队研发的康复机器人系统，依靠运动想象进行手腕功能康复训练。帮助他的康复机器人叫“神工”，核心技术就是脑机接口。

“神工”的“爸爸”是个70后的山东人，有着令人印象深刻的名字——明东。1994年，明东考进天津大学精仪学院生物医学工程专业学习。“我们专业本科学制5年，医工兼修。在读博期间，看到许多截瘫患者后期康复治疗非常困难，当时我就想，如果通过机器采集和读取脑电信号，然后解码输出控制信号，让身体执行，是不是可以为截瘫患者建立新的人工运动神经通路，重新获得运动能力。”

明东解释：“大脑是宇宙中最复杂的系统之一，不但有极为复杂的神经网络结构，还有千变万化的动态信息。每说一段话，大脑里可能有上亿个涉及的神经细胞在发放电信号。”

头皮脑电波的信号非常微弱，只有百万甚至千万分之一伏，科研工作者要通过传感装置监测不同活动脑电波的变化，再通过这些信息研判出人在做什么样的思考或者有什么意图。捕捉、破译头皮脑电信号类似于在非常嘈杂的购物中心远远地听见、听懂一个人自言自语的呢喃。听到脑语、解读脑语、输出脑语涉及到传感、材料、算法、介质……听上去都不轻松，研究过程的艰难可想而知。

2014年首台适用于全肢体中风康复的人工神经机器人系统——“神工一号”研制成功。融合了运动想象脑机接口技术和物理训练康复疗法，该系统在中风患者体外，仿生构筑了一条人工神经通路，经过模拟解码患者的运动康复意念信息，进而驱动多级神经肌肉电刺激技术，产生对应动作。随后“神工二号”“神工三号”相继研发成功。目前，“神工”已通过国家食品药品监督管理总局（CFDA）检测，在天津、山东多地三甲医院进行临床试验，受益患者数千例。

明东解读：“侵入式与非侵入式两者各有利弊，如果把人的头颅比作一个房间，非侵入式需要克服头发、头皮、颅骨等对信号的重重‘阻挡’；在大脑中植入芯片的侵入式就像在房间里聆听和输出脑语，这种方式虽然听得清晰，但有安全风险。我国科研工作者目前在脑机接口方面的优势研究方向更多集中在非侵入式，我相信随着技术的不断进步，‘屋外’的聆听会和屋内一样清晰，而且更安全。”

给太空探索带来无限可能

在科学研究领域，世界各国都加大了对脑机接口技术的研究。脑机接口一直被列为美国最优先支持发展的颠覆性创新技术之一，近十年里，美国在脑机接口领域发表的论文总数排名第一，我国位于第二位。

2019第三届世界智能大会上，世界首款脑机编解码集成芯片——“脑语者”面试，它能够采用先进的机器学习算法，对极微弱脑电特征进行精细分辨与快速解码，输出一个指令仅需1.7秒，首次实现了一个108个字符的高速脑机交互系统。2020年2月6日出版的《自然》杂志中称“脑语者”保持了目前头皮脑电BCI在线控制最大指令集的世界纪录。

“有了脑语者芯片的加持，‘神工’可以化作一个体积更小的可穿戴便携设备，可以辅助病人完成更多复杂而精细的肢体动作，如果把颅电磁刺激技术、机械外骨骼技术和虚拟现实技术结合一起，将能帮助到更多的病人。此外，脑机接口技术还能为抑郁症、自闭症、阿尔兹海默症等一系列精神和神经系统疾病的诊断与治疗带来福音。”明东团队骨干、天津大学神经工程中心许敏鹏副教授介绍。

明东团队还通过对大脑运行机制与人机交互的融合，将类脑智能技术从治疗出发开始运用到生活的许多方面。国内首款人感仿生神经系统，目前已成功应用于海尔集团的中央空调系统，空调有了如同人类的“感觉神经系统”，探测有多少人，怎样送风由智能决定。而未来，这一技术将在家庭物联网、居家养老看护等领域迎来更广阔的应用前景。

“脑语者”研究的合作者，中国电子信息产业集团数据科学家、中电云脑科技有限公司总经理程龙龙博士表示，精解码、高指令、快通信、强交互，是“脑语者”的四大优势，使“意念控制”距离我们不再遥远。未来该芯片系列还将不断“进化”，为新一代脑机智能发展提供技术支撑。

明东团队的实验系统也走向了太空。2016年，天宫二号和神舟十一号载人飞行过程中，两位航天员完成人类历史上首次太空脑机交互。明东是这套实验系统的主要设计者，他带领团队与中国航天员中心合作，通过大量地基实验深入揭示了失重、噪声、情绪等对脑电的影响，实现了高识别度、高稳定性、适于空间环境的脑机接口自适应分类技术；建立了针对航天特征的实验策略和训练方法，大幅提高系统识别正确率，为有效开展外太空和地球之间的差异对比建立稳定基线。此次测试进一步牵引了多项未来中国空间站任务的成功立项开展，从而为我国载人航天工程的新一代医学与人因保障系统提供了关键科学依据与技术支撑。

中国生物医学工程学会副理事长、中国工程院院士顾晓松说：“我们的梦想是未来通过人脑控制能完成更多的深空探索。上天设备要求重量小、性能高、更集约。所以脑机编解码集成芯片很自然地成为下一个研究方向。”“脑语者”的研制成功，给人类在太空中的探索又带来了无限可能。今年，国际首颗人机交互科学试验卫星“天帷—天幄”号有望发射，一场人—星交互协作的空间实验即将拉开帷幕。

明东介绍，脑机接口技术有三个发展阶段：脑机接口、脑机交互和脑机融合。目前正由第一阶段向第二阶段发展过渡，未来脑机接口技术，将从目前脑机单向接口，进化为脑机双向“交互”，最终有望实现脑机完全智能“融合”。

开学在即，将有150名本科生走进天津大学今年新设立的“新医科实验班”。这种以人工智能、物联网、大数据、机器人等交叉学科前沿技术为医学赋能，致力于培养具备家国情怀、全球视野、崇高医德及人文关怀意识的医学拔尖创新人才和医工复合型领军人才的培养模式，有望为脑机接口、智慧医疗等颠覆式创新领域培养出更多的研究者。