原创 |脑机接口继续迎来重大突破。 “理想邮票”还会远吗？

一、脑机接口发展达到高潮

上个月，脑机接口领域迎来又一重大突破：瘫痪患者成功恢复运动能力，触觉准确率高达90%。

4 月 23 日，《细胞》杂志发表了俄亥俄州立巴特尔研究所和俄亥俄州立大学韦克斯纳医学中心的重磅研究论文，介绍了一种脑机接口（Brain-Computer Interface，BCI）系统，用于恢复手部触觉和严重脊髓损伤患者的运动能力。

在这项研究中，研究人员评估了一个假设，即通过脑机接口技术，可以破译受损手部残留的感觉神经活动，并将其动态转化为用户可以感知的内容。闭环感官反馈，潜在地增强感官功能。

同时，由于触觉对于运动控制至关重要，除了单独恢复触觉外，脑机接口技术有望让脊髓损伤患者仅通过一只手即可同时恢复触觉和运动功能由此，研究人员在患者的皮肤上放置了一个电极系统，并在他的大脑运动皮层植入了一个小型记录芯片。该芯片不仅有机会恢复瘫痪患者的正常运动，还可以恢复触觉。研究人员表示，与偶然相比，他们的实验准确率达到了 90%。

研究人员表示，脑机接口系统有三项重要改进：

首先，该系统使患者能够仅通过触摸可靠地检测到某物，未来，该系统还可能用于寻找和拾取不可见的物体；

此外，该系统还是首个可以同时恢复运动和触觉的脑机接口，在运动过程中增强了触觉，让患者有更大的控制感；

最后，这个改进的脑机接口系统可以感知在处理或拾取物体时使用了多少力，例如，在拾取塑料杯等易碎物体时使用较轻的抓握，但在拾取重物时使用更强的抓握对象。

值得一提的是，上述研究并非脑机接口领域近期取得进展的孤立案例。从 2012 年巴西世界杯开始，一名身穿机器人盔甲的截肢者凭借脑机接口和机械外骨骼攻入一球。 2016 年，斯坦福大学神经假体植入实验室的研究人员打进了两个进球。在猴子的大脑中植入了一个脑机接口，让猴子创造了脑控打字的新记录——在1分钟内输入莎士比亚的经典台词“To be or not to be. That is question”，然后目前全球超过 50 万人已经在使用一种植入物，该植入物将传入的声音处理成电信号并将电信号传输到内耳，大脑在那里处理传入的信号，从而使听力受损的患者能够植入能够听到的人工耳蜗听起来，在脑机接口领域已经有了很多里程碑。

不久前，加州大学旧金山分校 Edward Chang 实验室的一个研究团队创建了一个新的人工智能系统，可以根据人脑信号生成文本，准确率高达 97%。人工智能系统使用一种全新的方法来解码脑电图：植入大脑的电极记录皮层活动产生的电脉冲。

另外，3月底，在《自然》杂志的增刊《神经科学》中，来自加州大学旧金山分校的研究人员发表了一项新研究，他们利用机器学习的方法将无线电信号直接翻译成有意义的语音和文本，翻译准确率大大提高，最低错误率只有3%。这种脑机语言翻译的出现，意味着一种新的人机交互形式出现了，即将脑信号直接转化为语言信号，可以帮助因中风偏瘫、肌萎缩侧索硬化或其他神经系统疾病导致的语言丧失功能和沟通能力强的人重新获得口头沟通技巧。

今年1月，浙江大学医学院附属第二医院也利用“脑机接口技术”，让一名因车祸导致四肢瘫痪、第四颈脊髓损伤的患者。用“意念”控制机械臂进行握手、喝水、吃油条等操作。

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简而言之，人类对脑机接口的研究自 1970 年代以来一直在进行，让受试者学习如何通过生物反馈训练自主控制脑电图节律。到1995年，全世界从事脑机接口研究的团体不超过6个。 1999年有20多个团体。其发展正走向高潮，随着技术的新突破，相关企业不断增多，相关应用和知名度开始上升。调查数据显示，2020年脑机接口市场规模将达到14.6亿美元，受其影响的应用领域非常广泛，无论是医疗、教育还是消费，将带来十几个。数十亿美元的巨大市场空间。

大脑是人类的神经中枢。作为人体最重要的器官之一，它承担着维持人类生存的基本任务。同时，几乎所有高级神经活动都在大脑中完成。如果把人体看成一台电脑，那么大脑就是计算的核心。普通电脑可以通过外接硬盘、外接显卡、外接内存等方式来提升性能，所以有科学家认为这样的“提升”也可以应用到人脑上。这种观点的出现最终形成了脑机接口发展的动力。至于脑机接口的普及，部分原因可能是人工智能的飞速发展和威胁论的喧嚣。

如今，人工智能在某些方面可以轻松胜过人类。早在 2016 年，当 AlphaGo 击败围棋冠军李世石时，人工智能就迎来了新的辉煌。人类创造的模拟人脑神经处理机制的人工神经网络，已经具备了在某些方面超越人类的“高智商”。 对此，很多人认为，在这个由人工智能和“其他一切”组成的未来中，人类只有一条出路：“成为人工智能”。正如埃隆·马斯克所说：“我认为未来人类的智能会被人工智能甩在后面，脑机接口可以让我们跟上人工智能的步伐。所以连接人脑和机器很重要。”

或许正是因为这个原因，再加上近年来人工智能技术等技术的不断进步，脑机接口也迎来了爆发式的发展。而这种经常出现在科幻电影中的未来科技正在逐渐变为现实。或许，终极的脑机接口技术将如小说《三体》中所描述的那样。面壁者海因斯发现了意识形态封印，即人类思维做出判断的机制，并成功开发出一种装置，可以对神经元网络施加影响，使大脑不假思索地做出判断，相信某条信息是真实的。这种准确的读写，大概可以作为脑机接口技术的理论终点。

虽然脑机接口技术还没有达到阅读和操纵思想的水平，但随着各国对这项技术的重视程度越来越高，相信未来脑机接口技术将会爆发。预计。

二、脑机接口正在成为世界各国科技竞争的战略高地

鉴于未来脑机接口技术社会发展所能带来的强大推力，目前，脑机接口技术已成为世界各国科技竞争的战略高地。总体而言，脑机接口技术在欧美发展较早，日本和中国进入市场较晚。

美国：1989年，率先提出国家脑科学计划，并将本世纪最后10年命名为“大脑10年”。 2013年4月，白宫提出“大脑计划”，被认为可以与人类基因组计划相媲美。治疗。美国政府宣布“US BRAIN Initiative”启动资金超过1亿美元。调整后，计划未来12年总投资45亿美元。

值得注意的是，2018年11月，美国商务部工业和安全局根据美国通过的《出口管制改革法案》（Export Control Reform Act）的要求，发布了最新14次主要国会的报告。国会。关键技术及相关产品出口管制框架。美国出口管制的14项技术包括“脑机接口技术”：（i）神经控制接口； (ii) 意识-机器接口； (iii) 直接神经接口； (iv) 脑机接口。可见美国对“脑机接口技术”的重视。

欧盟：1991年，欧洲启动了“欧洲大脑10年”计划。 2013年1月，欧盟委员会宣布人脑工程入选“未来新兴旗舰技术项目”，并设立专项研发计划“人脑项目（HBP）”，可获得10亿欧元未来 10 年（2013-2023 年）的费用。该项目汇集了来自不同领域的 400 多名研究人员。

日本：1996年，日本制定了20年“脑科学时代”计划，每年投资1000亿日元，总投资2万亿日元。 2014年9月，日本科学省还公布了自己的“大脑计划”的首席科学家和组织模式。日本的“脑计划”专注于医学领域，主要以狨猴大脑为模型，加速对阿尔茨海默病、精神分裂症等人脑疾病的研究。日本政府2015年“大脑计划”的预算约为64亿日元（约合6375万美元）。

中国：“脑科学与类脑研究”已被列入“十三五”规划纲要中国家重大科技创新与工程项目。今年早些时候，中国科学院与20个研究所的80个精英实验室成立了脑科学与智能技术卓越中心。对于“中国脑计划”，各领域科学家提出了“一体两翼”的布局建议：即以脑认知神经原理研究为“主体”，开发新的重大脑病诊疗方法和脑机智能新技术是“两翼”。 ”。目标是未来15年在脑科学、脑疾病早期诊断与干预、类脑智能设备三个前沿领域取得世界领先的成果。据粗略估计，我国的主要投资从2010年的约3.每年48亿元增长到2013年的近5亿元。

三、国内外企业现有脑机接口技术现状

脑机接口按电极位置划分，可分为侵入式脑机接口和非侵入式脑机接口。其中，侵入式脑机接口需要通过手术将信号采集探头置入颅骨内脑机接口技术几时可以实现，采集脑电信号。长期放置探头风险大，一般主要用于癫痫患者和动物受试者；非侵入式脑机接口直接采​​集头皮脑电，其携带的信息比植入式采集的脑电信号要多。携带的信息量较少，分辨率较低。但是因为它是非侵入式的，所以更方便、更安全。

目前主流的消费级脑机接口研究主要采用无创脑电技术。下面，本文对目前活跃的国内外相关公司进行梳理：

国内重点企业

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主要外国公司

从国内外主要厂商的研究成果对比可以发现，在技术实现上，国内企业主要采用无创方式，而国外企业主要采用有创方式。

对于非侵入性方法，虽然比侵入性技术更容易获得更高分辨率的信号，但风险和成本仍然很高。但随着人才和资金的涌入，无创脑电技术必将朝着小型化、便携化、可穿戴、易用的方向发展。

对于侵入性脑机接口技术，目前面临两大问题：人体排斥和颅骨传递信息受损。如果未来这两个问题能够得到解决，再加上对脑神经元的深入研究，有望实现对人类思维意识的实时准确识别。一方面，有助于计算机更好地了解人脑活动的特点，从而引导计算机更好地模仿人脑；另一方面，它可以让计算机更好地与人合作。

但是，由于技术和市场还处于非常初级的阶段，市场规模还不清晰，真正有竞争力的团队需要有复合背景。团队至少要有十年脑机接口技术的研究积累，生物医学和工程方面的经验也很重要。另外，在市场还处于早期阶段的情况下，企业要做好长期战斗的准备。

四、脑机接口技术面临的挑战

脑机接口是一门复杂的交叉学科，面临着理论和工程两个方面的挑战。

目前，理论研究试图解决两个问题：一是“从大脑到机器”，如何从大脑中获取正确的信息？二、“从机器到大脑”，如何将正确的信息传递给大脑？ “目前任何一种脑机接口技术都需要用户非常积极的配合才能读出一定程度的思维活动信息，而思维活动信息的写入更是困难重重。这是因为目前神经科学的具体方法是神经编码还是个未知数，“从机器到大脑”对神经编码知识的需求远远大于“从大脑到机器”。

工程难点在于：脑机接口行业涉及机械动力学、神经科学、认知科学、信息工程等众多学科，需要各行业大量人才，无法拥有缺点。此外，工程上更大的难点还包括成本控制，即能否通过合理的工艺和技术来降低成本，实现商品化。

具体来说，脑机接口面临的挑战如下：

1、通讯速度慢

脑机接口系统采集到脑机接口后，需要对其进行处理，才能转化为机器语言，被计算机接受。它用于脑机接口。这个过程通常需要多重刺激和反馈。由于种种原因，脑机接口的通信速度还是比较低的。目前基于P300的脑机接口最高信息转换速度为20-25bit/min。计算机接口稍高，其通信速率仅为60-100bit/min。这样的信息转换效率达不到正常交流的水平。

2、信号识别准确率低

目前，人们对大脑中数百亿个神经元的功能和机制认识不足，脑机接口技术对大脑信号的正确识别也受到限制。难度越高，脑机接口对脑信号的识别准确率越低。

数据表明，目前基于自发脑电的脑机接口系统已经开展了运动想象脑电信号的识别。据研究脑机接口技术几时可以实现，2类思维任务的识别率约为90%，3类任务的识别率约为80%，4类动作的识别率仅为70%左右。另外，当控制指令多时，识别率低。脑机接口系统的问题在实际应用中受到了严重限制。上面70-90%的运动想象脑电信号识别率虽然看起来不错，但对于复杂思维来说，还差得远。它可能会丢失。

3、适应性差

在脑电信号采集过程中，有很多干扰成分，比如肌肉信号干扰。脑电信号采集设备干扰能力强等问题亟待解决；如何改进信号处理方法，使其系统化、通用化，从而快速、准确、有效地设计出实用的脑机接口系统，也需要研究。

4、便携性差

目前脑机接口大多基于PC平台，便携性较差。由于处理器的处理速度较慢，脑机接口的信息传输速率较低。

一般来说，目前的脑机接口技术只能实现一些简单的脑电信号读取和转换，从而实现对计算机/机器人的简单控制。为了实现更复杂、更精细的交互和功能，实现所想即所得，甚至实现思维与计算机的完美连接，实现通过“下载”熟练掌握新知识、新技能，这也是一段很长的路要走。

另外需要注意的一点是，当人脑意识能够被准确读取时，就意味着大脑中丰富的隐私数据可能会被泄露或被盗。随着接口技术的发展，未来无疑需要提供足够的安全措施来保障用户隐私数据的安全。正如电影《黑客帝国》所描绘的，未来侵入式双向交互脑机接口可以给我们带来无限可能，但如果没有强有力的保护措施，也存在被黑客入侵的风险。这种攻击可能是致命的。

与人工智能、基因编辑、合成生物学等其他新兴技术一样，脑机接口技术也有潜力为人类和社会带来巨大的利益，同时也可能带来巨大的风险。对人类后代健康和人类生存可能性的威胁会带来一些新的伦理问题，这决定了“技术先行”或“后做”的做法可能不再适用，而应该是“伦理的” 不过，虽然目前的脑机接口还需要面对技术、伦理、商业化三大壁垒，但可以肯定的是，只要ALS患者或完全瘫痪的人都能通过大脑与他人交流——电脑界面，行走运动的美好初衷，脑机接口技术带来的未来可能，值得期待。

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