腦機接口技術：正從科幻逐步走向現實

2020-11-03 芯智訊

相信大家都看過《黑客帝國》這部經典的科幻片，在片中，主角們的大腦通過一個線纜與電腦連接後，就可直接憑藉意識暢遊虛擬世界，對於自己不會的東西，只需幾秒鐘，將相關知識輸入大腦即可學會。此外還有卡梅隆導演的《阿凡達》當中，男主角通過意識替換控制阿凡達，然後又可通過阿凡達與飛龍進行意識對接，用意識直接控制飛龍。還有《阿麗塔：戰鬥天使》中的腦神經與電子裝置對接，可直接通過意識自由的控制整個機械軀體。這些確實是非常的科幻，現在隨著腦機接口技術的發展，科幻有可能變為現實嗎？

對此，中科院深圳先進技術研究院腦功能圖譜與行為研究中心首席研究員李驍健博士在芯智訊主辦的「2020第四屆生物識別技術與應用高峰論壇」上表示，要實現這些科幻片中情節並非完全不可能，但是距離實現還非常的遙遠。而目前的腦機接口已經可以在一定程度上實現：彌補收發信息器官的帶寬差、替代受損傷的收發信息器官、不依賴收發信息器官直接和外界通訊。

△中科院深圳先進技術研究院腦功能圖譜與行為研究中心首席研究員李驍健博士


由於大腦的信息的收發是通過神經元來完成的，所以腦機接口需要通過「傳感器」來監聽神經元的活動，而傳感器（神經電極）距離神經元越近，信號的清晰度就會越高。


因此，腦機接口技術也分成了非侵入式（腦外）、侵入式（通過手術等方式直接將電極植入到大腦皮層）和半侵入式（將腦機接口植入到顱腔內，但是在大腦皮層之外）。

相比之下，侵入式的腦機接口門檻較高，但是信號的清晰度也更高。Space X及特斯拉創始人埃隆·馬斯克旗下的腦機接口公司Neuralink選擇的就是侵入式腦機接口技術。其最新的技術是利用一臺神經手術機器人向人腦中植入數十根直徑只有4-6微米的「線」以及專有技術晶片，然後可以直接通過無線的形式讀取大腦信號。與以前的技術相比，新技術對大腦的損傷更小，傳輸的數據也更多。


正如前面所提到的，由於侵入式腦機接口的門檻較高，目前主要是歐美企業在做，國內企業幾乎沒有涉及。即便是非侵入式的腦機接口技術，國內從事的企業也並不多。

據李驍健博士介紹，目前中科院深圳先進技術研究院腦功能圖譜與行為研究中心在侵入式腦機接口技術研究方面已經有了一些成功。比如在擬態神經電極陣列製造方面，已經實現具有有機柔性基底，可以完美貼附在腦組織表面，基本可以和腦組織融為一體。電極厚度約 1微米，寬度 5微米，單組 128通道；在高通量神經信息獲取和解析系統樣機方面，已擁有基於場編程門陣列和USB3.0技術的 1000通道，具有並行獲取神經信息的能力的系統樣機。每個通道可以達到 30K每秒採樣率。具有濾波、實時神經元信號探測和數據壓縮功能；在腦內微植入手術機器人方面，中科院已具有 5組獨立可編程自動操作的5維度位操作機械臂，定位精度小於 1微米。可同時對小動物的 5個腦區植入電極陣列。

「腦機接口技術並不是一項新技術，早在上世紀60-70年代，為了幫助很多殘疾退伍軍人，幫助他們生活自理，美國就開始研究運動腦機接口技術。目前在運動腦機接口技術方已經取得了非常大的成功。比如在2012年，第一個腦控機器人成功實現；2016年，第一個人腦控制癱瘓上肢也成功了。」李驍健博士說到。

對於腦機接口的研究，目前除了可以在一定程度上恢復運動功能，同時也可以用在視覺、聽覺、語言功能的恢復上，比如：人工耳蝸、人工視網膜、腦起搏器等。2019年第一個人腦神經解碼語音合成器研發成功，通過解碼與人類下頜、喉頭、嘴唇和舌頭動作相關的腦信號，可以合成出受試者想要表達的語音。

那麼目前的腦機接口技術是否還可以用來治療腦精神疾病呢？李驍健博士表示，「這可能涉及多腦區協同的問題，現在問題在於我們怎麼找到這些靶點，找到了才能做到。」

對於腦機接口技術未來的發展，李驍健博士認為，提供人腦控外骨骼機器人、腦神經與神經形態電子的融合人都將成為可能。另外，植入式的寬帶腦機接口裝置如果被未來的6G高帶寬無線網絡充分支持，或可實現多人多地域的腦信息自由交流。

編輯：芯智訊-浪客劍

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