“以腦-機交互（BCI）為核心的神經(jīng)工程技術，讓人類真正可以做到“心想事成”。

據(jù)首都醫(yī)科大學官網(wǎng)報道，首都醫(yī)科大學附屬北京天壇醫(yī)院神經(jīng)外科賈旺教授團隊聯(lián)合斯坦福大學化學工程系鮑哲南院士、天津大學化學系胡文平教授的團隊，創(chuàng)新性地采用導電聚合物的分子設計新策略研發(fā)出本征可拉伸電極材料，在加工到2微米尺度下仍能保持可拉伸性和高導電性的特征，實現(xiàn)了可拉伸有機電子器件領域的重大突破。

01.

這一研究成果3月25日在線發(fā)表于Science期刊（影響因子47.728），實現(xiàn)了中國神經(jīng)外科領域以第一或通訊（含共同）作者在Science頂刊上發(fā)表論文零的突破。

要知道，腦機接口的研究進展中，腦信息傳感方式一直是一個難題。可以說，業(yè)界針對腦機接口的研究中，數(shù)據(jù)源的獲取載體----侵入式/非侵入式腦機接口材料研發(fā)為關鍵一步，涉及到的數(shù)據(jù)采集精度、頻率、完整性等直接影響下一步的分析應用。其中采用侵入式傳感信息采集技術，獲得的數(shù)據(jù)精度最高，可長期且穩(wěn)定的記錄高空間分辨率的皮質內(nèi)神經(jīng)信號，最有利于研究的開展。然而實際研究中，用于侵入式采集信息的無線電極材料要求十分高，要求兼具高機械強度與高導電率，導致傳感材料的選取既重要又艱難。

該成果在侵入式采集信息領域，提出的柔性可拉伸高密度微陣列電極可緊密貼合在腦干等不規(guī)則區(qū)域。根據(jù)實驗驗證，該材料可實時且高精度地可視化腦內(nèi)術腔神經(jīng)傳導束或腦干等重要部位的神經(jīng)核團。

圖1：本征可伸展拓撲超分子網(wǎng)絡示意圖

圖2：拓撲超分子網(wǎng)絡允許大面積、高密度可拉伸電極陣列的直接光圖案化

這種材料，可以使侵入式傳感設備與人體組織的契合更加精密。想想，該材料可以支持在腦干、手腕、手指、手背中做相關植入，且柔性、可拉伸、高導電和高密度的特性，使腦干或神經(jīng)外科術腔等多種不規(guī)則場景更加適用，纖薄的電極也不容易損傷，未來，高精度的信號采集可以使神經(jīng)系統(tǒng)的算法控制更加精準，這將是腦機接口技術的重要進步！

是的，你沒看錯：伴隨著傳感材料的突破，加之以人工智能算法，未來幾年內(nèi)，腦機接口將會帶來一場醫(yī)學革命，將人工智能與機器智能的融合推向更頂峰，在康復、特種等領域前景廣闊，對現(xiàn)代醫(yī)學發(fā)展意義重大。

02.

腦機接口，一個十分前沿的醫(yī)工融合研究領域，是通過分析人( 或動物) 的腦電信號而建立起來的交互系統(tǒng)。它突破傳統(tǒng)的神經(jīng)反射弧結構限制，通過使大腦神經(jīng)信號直接與計算機進行有線或無線通信，達到與外部電子應用設備直接進行控制和交流。可以說，通過融合神經(jīng)科學與工程技術，腦機接口實現(xiàn)人與機器互聯(lián)互通，將真正助力人類達到終極夢想“心想事成”。

腦機接口系統(tǒng)的構成和其他通信控制系統(tǒng)并無本質區(qū)別，都由信號采集部分，信息處理部分和輸出應用設備三大部分組成。

腦控系統(tǒng)示意圖

第一步，信號采集：高靈敏度、高信噪比、高密度的信號傳感是實現(xiàn)高通量腦-機信息交換的前提，也是準確解碼腦電信號的基礎。采集方法屬于侵入式和非侵入式兩種。可以講，傳感信號采集設備的位置決定了檢測到的信號的不同尺度。侵入式可長期且穩(wěn)定的采集記錄高空間分辨率的皮質內(nèi)神經(jīng)信號。非侵入式具有安全無創(chuàng)，低成本優(yōu)勢，可監(jiān)測大規(guī)模神經(jīng)活動。

==>1 非侵入式傳感信號采集

目前主流的BCI系統(tǒng)都選擇腦電信號（EEG）作為原始輸入，這是由于EEG相較于其他伴隨腦神經(jīng)元活動產(chǎn)生，并且經(jīng)過采集識別可轉化為控制信號的信號而言，具有信息量大時間分辨率高，設備便于攜帶等優(yōu)點。研究中通常使用無損方式進行腦電信號的采集，采集時被試者要帶一個電極帽，也就是非侵入式的傳感信息采集法。

當然這種導聯(lián)電極帽攜帶不方便，移動性差，因此可穿戴的無線電極橫空出世。目前可穿戴EGG傳感器獲得了FDA的批準，用于癲癇發(fā)作的診斷治療和管理，一些輔助器具的制作也可以幫助截癱患者進行對外骨骼、輪椅等進行控制。可以說，已經(jīng)相對成熟，造福人類！

科學家的目標是：在未來非侵入式傳感器可以更加地便攜、精準，能更快捷更完整地采集信號，方便在各類應用場景的使用，讓診斷更為精確。

==>2 侵入式傳感信號采集

顧名思義，侵入式即需要將頭顱打開，嵌入相關傳感設備，對材料和手術的要求更加高。侵入式傳感電極中的Utah電極，由美國猶他大學開發(fā)，可以通過立體硅加工工藝制作，實現(xiàn)百通道大腦電信號同步記錄。另外Neuralink公司開發(fā)，通過高分子工藝制作柔性電機，可實現(xiàn)1024通道大腦電信號同步記錄。本文開篇提及的創(chuàng)新科研成果，就是該場景下的一種新型的材料！

在侵入式傳感信號領域，馬斯克的Neuralink公司早在2020年8月推出高通量植入式電極芯片LINKV0.9，并成功將其植入豬腦，可通過檢測到的豬大腦的信號準確預測其關節(jié)活動。2021年4月，該公司成功讓猴子通過意念玩游戲。

不光在動物身上取得突破，在人類身上的侵入式腦機接口研究也有重大進展和應用。布朗大學的研究者利用開發(fā)出的BrainGate神經(jīng)接口使四肢癱瘓的患者第一次在沒有護理人員的情況下喝到咖啡，法國的一名癱瘓男子通過康復游戲訓練控制虛擬角色，實現(xiàn)了穿上外骨骼裝備行走。這樣的實驗已經(jīng)屢見不鮮。

侵入式和非侵入式兩種技術路徑在一定時期內(nèi)仍將并存和相互結合。目前來看，兩種技術路徑均適用不同場景，各有所長，也存在不同的難題，短期內(nèi)無法彼此取代對方，在某種情形下甚至二者需要結合發(fā)揮更大效果。

第二步，信息處理：把獲取的信號進行特征提取以及解碼分析，以達到下一步應用目的。

可以理解，通過第一步采集到的腦信號中通常包含有多種噪聲，例如與要求的用戶心理活動無關的神經(jīng)信號、工頻干擾、眼電和肌電偽跡等，這在一定程度上降低了信號的質量，為此需要對腦信號進行預處理以剔除噪聲，提高信噪比！

不同的腦信號有不同的預處理方法，這些信號處理的方法可極大參考常規(guī)信號除燥、提特征的方法。目前主要有時域濾波和空域濾波，在一定程度上可以去除信號的噪聲，從而提高信噪比或改善空間分辨率。對于空間分辨率，也可以采用溯源分析方法來改善。在特征提取的環(huán)節(jié)，圍繞數(shù)字化的信號，業(yè)界通過FFT、小波變換提取相關特征量（如幅值、自回歸模型的系數(shù)等），再通過SVM等分類器對特征向量進行分類。

想象右手運動腦電信號小波四層分解

第三步，輸出應用：該過程把上一步采集分析的信號轉化為控制指令，連接到應用終端，達到控制終端、打字表意等一定的應用效果。

根據(jù)具體的通信或控制應用要求，控制接口把上述解碼的用戶意圖所表征的邏輯控制信號轉換為語義控制信號，并由語義控制信號轉化為物理控制信號。與腦機接口通信或可控制的外部設備可以是多種多樣的，視具體的應用而不同，可以是計算機系統(tǒng)（操作其字符輸入/光標移動等），也可以是機器系統(tǒng)（如康復機器人、神經(jīng)假肢和輪椅等）。

中科院常州先進制造技術研究所 (左) 和深圳先進技術研究院 (右) 研發(fā)的外骨骼系統(tǒng)

早在2017年，BrainGate公司就利用腦機接口技術實現(xiàn)了字符輸入、控制自己的軀干和手吃飯。最新的實驗結果是去年，斯坦福大學、霍華德·休斯醫(yī)學研究所（HHMI）、布朗大學等機構的科研人員聯(lián)合研究，首次從腦電信號中解碼手寫字母的動作，使癱瘓人士一年中的寫字動作可以實時轉換成屏幕上的文字。斯坦福大學的研究者將人工智能與“腦機接口”的設備相結合，成功開發(fā)出一套全新的皮質內(nèi)腦機接口系統(tǒng)。該項研究結果顯示意念寫字速度破紀錄，寫字速度能達到每分鐘90個字符，原始準確率為94.1%！

目前，中國殘疾人總數(shù)約為8502萬人（2010年末數(shù)據(jù)），其中肢體殘疾2472萬人，約占比 29%，是6種殘疾類別人數(shù)最多的群體，因此關于肢體殘疾的治療康復就顯得尤其重要。導致肢體運動障礙的疾病很多，腦出血、腦外傷、腦卒中等疾病都可導致患側腦區(qū)對應的肢體控制出現(xiàn)障礙?？梢?，一旦相關應用得到了產(chǎn)業(yè)化，這個市場空間是巨大的！

今后，隨著人類的老齡化加重，失去活性的細胞、組織和肌肉群將不斷退化，利用腦機接口可以控制輔具，達到強化眼睛看的能力、替代手的抓握能力、控制行走等多種功能！

也就是說，在未來的幾十年時間里，即便人類碰上天災人禍，也可以極大地提高生活質量！

此外，在特種領域，曾有法國研究人員利用腦電信號評估航空學院12名專業(yè)空中交通管制人員在模擬空中交通管理情境時的大腦負荷狀態(tài)，結果表明，神經(jīng)生理學的結果和操作者的主觀負荷評估之間存在非常顯著的相關性！現(xiàn)在單兵作戰(zhàn)領域也開展了極多的廣泛研究！

你還別真以為這是天方夜譚，目前這一切，都已經(jīng)在實驗室里，緊鑼密鼓地研發(fā)著，也在醫(yī)療等相關領域商用著，離普遍應用的時間不會太遙遠.

03.

由于腦科學具有重要的科研價值和戰(zhàn)略意義，近年來多國相繼提出基于腦科學、神經(jīng)科學和信息科學相結合的人類腦計劃。美國、歐盟、日本、韓國等國家紛紛加大戰(zhàn)略布局！我國也高度重視腦機智能關鍵技術研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化！

中國腦計劃框架圖

阿里巴巴達摩院發(fā)布《2021十大科技趨勢》，認為腦機接口極具研究價值，可幫助人類超越生物學極限。腦機接口初創(chuàng)公司NeuraLink在2019年和 2020年分別對外公開了腦機接口重要研究成果，引發(fā)了全球廣泛關注，熱搜指數(shù)短時間內(nèi)激增。我國對腦機接口的關注度也日益提升，在百度搜索引擎中，以腦機接口做關鍵詞的日均搜索熱度從2011年的個位數(shù)增長到 2021年的日均400次。

腦機接口是一個跨學科交叉研究領域，其中，與生命科學相關的學科領域包括基礎神經(jīng)科學、認知科學和心理學等；與醫(yī)學科學相關的學科領域包括神經(jīng)系統(tǒng)、影像醫(yī)學（包括腦成像）、生物醫(yī)學工程、神經(jīng)工程和康復醫(yī)學等；與信息科學相關的學科領域包括計算機科學與技術、自動化與機器人技術、人工智能（AI）技術和半導體集成電路技術等；與材料科學相關的學科領域等。據(jù)中國信通院初步統(tǒng)計，當前相關的專利布局已包括電極材料、硬件采集信號設施、算法、外控輔具設備等多種領域！

腦機接口技術相關專利布局

隨著計算機科學、神經(jīng)生物學、數(shù)學、康復醫(yī)學等相關學科的不斷探索與交叉融合，加上廣大的市場需求，腦機接口技術正從基礎科研走向市場。在醫(yī)療、教育和消費品等市場，都將帶來遠超十億美元的空間！

馬斯克認為：未來一定會誕生一種超級人類，即“ 人機合一”。寫到這里，不知道為什么，我想起了科幻片《源代碼》《黑客帝國》的一些場景，在不遠的將來，我們或將迎來這些科幻現(xiàn)實應用！

審核編輯 ：李倩