在猴子顱內植入一片牽著柔軟細絲的薄膜,猴子不用動手僅用“意念”就能控制機械臂抓取草莓。 在4月25日開幕的2024中關村論壇上,由北京腦科學與類腦研究所聯合北京芯智達神經科技有限公司自主研發的“北腦二號”腦機介面重大成果正式亮相,填補了國內高性能侵入式腦機介面技術的空白。
據研發團隊介紹,這是在國際上首次實現獼猴對二維運動光標的靈巧腦控攔截。 而早在2021年,埃隆·馬斯克創立的腦機介面公司Neuralink就已經展示了讓猴子通過意念操作搖桿的視頻。
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人機混合智慧的前沿技術
腦機介面技術作為大腦與外界設備溝通交流的“資訊公路”,是新一代人機交互與人機混合智慧的前沿技術。 北京腦科學與類腦研究所所長羅敏敏解釋稱：“簡單而言,腦機介面就是捕捉大腦電信號的微妙變化,解碼大腦意圖,實現‘意念’控制‘動作’,不動手也能隔空操控機器。”
他進一步解釋稱,决定腦機介面效能的覈心在於腦電訊號捕捉的清晰度、轉化的精准度。 “前者靠電極,後者靠算灋。”羅敏敏表示,“腦機介面比拼的是安全、穩定、有效,這是一個系統性工程,關鍵技術有待進一步突破。”
“北腦二號”配備了高通量柔性微絲電極,這相當於一個“感測器”,通過腦內植入,可以讀取腦電訊號,其效能决定著捕捉腦訊號的數量與質量。
北京芯智達神經科技有限公司業務發展總監李園介紹稱,“北腦二號”柔性電極的有效通道數、長期穩定性等名額均達國際領先水準。 不同於硬質電極,柔性微絲電極植入獼猴腦內一年後,仍能精確採集到腦電訊號。
此外,“北腦二號”還配備千通道高速神經電信號採集設備以及基於前饋控制策略的生成式神經解碼算灋。 算灋相當於一個“翻譯官”,能把大腦意圖精准解析出來,在大腦皮層神經活動與運動參數之間建立精確映射。
據介紹,“北腦二號”系統已經在猴子顱內穩定植入將近一年,在全球首次實現獼猴通過意念控制對二維運動目標的腦控攔截,解决了大規模單細胞訊號長期穩定記錄和實时解碼的國際前沿難題,電極效能關鍵名額國際領先。
李園告訴第一財經記者,現時“北腦二號”已進行了約10例猴子試驗,以測試不同的電極,進行不同的運動解碼任務。
羅敏敏對第一財經記者表示,目前正在準備人體試驗,包括患者的篩選。 “運動障礙是主攻方向。”他說道。
腦機介面是各已開發國家在腦科學與類腦研究領域的科技競爭高地,需要跨多個學科集成複雜系統,產業上下遊連結長,研發過程涉及電極、晶片、數據、算灋、分析軟體、生物相容性資料等多個環節。
面向腦機介面的國際前沿發展趨勢,中國已有多個科研團隊正在攻關不同科技路徑的腦機介面設備,其中主要包括侵入式、半侵入式以及非侵入式科技。
在這一背景下,北京腦科學與類腦研究所牽頭製定“智慧腦機系統增強計畫”,2023年,北京芯智達神經科技有限公司成立,專注於腦機介面研發與臨床轉化應用,面向國際前沿研發腦機介面核心部件,開發神經解碼算灋,多維度統籌系統集成,針對臨床應用等場景研發產品,進行商業轉化。
“北腦二號”的上一代產品“北腦一號”聚焦半侵入式採集腦皮層電信號,現時也已進入臨床研究。
羅敏敏向第一財經記者強調,我國腦機介面的發展還有很長的路要走,雖然取得了一定進展,但仍要正視與真正的“世界一流”的差距。
正視國內外差距
近年來,中國在腦機介面領域發展迅速,成果不斷。 今年1月29日,腦機介面被寫入工信部、科技部等七部門聯合印發的《推動未來產業創新發展的實施意見》。 該檔案聚焦未來產業,明確提出需要加强量子電腦、腦機介面、新型顯示以及6G網路設備的研發。
在政策的加持下,國內已經湧現出一批面向產業化的腦機介面創新企業。 例如腦虎科技、博睿康、强腦科技等。
腦虎科技表示,去年上半年就曾在臨床上完成3項植入手術,並實現了單神經元Spike訊號記錄、漢語言解碼與合成,以及患者術中語言區實时定位等功能,能指導外科醫生精准切除腦區病灶,同時保留患者的重要腦功能。
今年1月31日,清華大學官網發佈新聞稱,清華大學與宣武醫院團隊成功進行首例無線微創腦機介面臨床試驗。 據介紹,一名四肢癱瘓14年的高位截癱患者在植入10天后出院,經過三個月的居家康復訓練後,患者可以通過腦電活動驅動氣動手套,實現自主喝水等腦控功能,抓握準確率超過90%。
第一財經記者瞭解到,博睿康是清華團隊背後的腦機介面產業化公司。 2022年12月,該公司獲得數億美元C輪融資。
在博睿康2022年的融資新聞中,清華醫學院洪波教授曾這樣評論該公司：“當前博睿康腦電設備的效能已經和日本光電、美國Natus站在了同一高度。腦電設備之於腦機介面行業,就像iPhone之於手機行業；圍繞扎實的硬體和作業系統,開發者可以改進電極資料、反覆運算軟件算灋。”
不過,現時以Neuralink為代表的國際腦機介面廠商在科技方面仍然領先,並已率先進入人體臨床試驗。 今年1月28日,Neuralink宣佈完成了首例人類患者大腦晶片植入,患者恢復良好,並且初步結果顯示了頗有前景的神經元脈衝峰電位（neuron spike）的探測。
今年2月時馬斯克表示,這名患者已經實現了通過意念來控制電腦滑鼠。 腦虎科技CEO彭雷當時向第一財經記者預測,Neuralink估計會展示腦機介面對手機及電腦控制、對機械臂控制以及語言輸出這三個主要場景。
針對腦機介面未來的發展方向,彭雷表示,未來腦機介面晶片的演進趨勢一定是通道數越來越高、單通道功耗越來越低,前端信號處理的壓縮能力越來越强； 另外植入式產品的晶片需要滿足醫療器械的法律法規,包括溫昇、功耗等要求。
中國科學院院士、中國科學院腦智卓越中心學術主任蒲慕明在近期接受媒體採訪時表示,現時腦機介面的應用主要是在醫學領域,全球科學家開展的腦機介面臨床試驗,多數是針對高位截癱患者的功能恢復。 他認為,未來腦機介面研發的目標是通過反覆運算開發打造一個通用的微創腦機介面平臺,用於癲癇、認知障礙等更多腦疾病的康復。
除了政策支持外,腦機介面的發展也需要大量資本加持。 根據Neuralink公司去年11月向美國證監會的提交的檔案,該公司現時已經至少籌集了3.23億美元的資金,這也使這家備受關注的腦機介面公司的估值超過50億美元。
在國內,現時國資背景的產業投資基金在推動腦機介面技術發展中佔據主導。 以芯智達為例,該公司由中關村發展集團旗下北京北腦創業投資基金控股。
民營資本方面,天橋腦科學研究院（TCCI）支持並資助了中科院微系統所和華山醫院神經外科團隊的腦機介面解碼中文語言和柔性腦機介面技術研發。 據TCCI披露的數據,截至2023年,TCCI累計投入超過約15億元人民幣資金,用於支持國內國際腦科學研究,涵蓋了從基礎研究到技術應用轉化的完整鏈條。
TCCI聯合創始人陳天橋認為,中國研究人員在某些程度上可以超越Neuralink。 他在接受第一財經記者採訪時曾表示,人工智慧科技在近年來腦科學的前沿領域腦機介面方面發揮著巨大的作用,希望更多人工智慧人才能够加入腦科學領域。