人類大腦，數(shù)百億個神經(jīng)元彼此相連，復雜且精密，與宇宙一樣，大腦也是人類至今仍無法征服的未知世界，因為重量只有1000多克，大約3磅，人類大腦被科學家們形象地稱為“三磅宇宙”。如今，正在快速發(fā)展的腦機接口技術為人類了解自己的大腦打開了一扇小小的窗口，透過這扇窗，巨大的潛力已經(jīng)展現(xiàn)在我們眼前。

探索“三磅宇宙”的未來科技

在科幻電影中，我們經(jīng)?？吹竭@樣的場景——殘疾人用機械臂自如地彈唱，人類依靠“意念”指揮著龐大的機械……而現(xiàn)實中，不斷發(fā)展的“腦機接口”技術正在將這些科幻想象變成現(xiàn)實。

北京腦科學與類腦研究中心聯(lián)合主任羅敏敏：我們人的思維，包括動作的控制和對外界識別，歸根到底都是腦子里頭的神經(jīng)細胞的電信號所決定的。

專家介紹，腦機接口是指通過在人腦神經(jīng)與電子或者機械設備間建立直接連接通路，來實現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)和外部設備間信息交互與功能整合的技術。

典型的腦機接口系統(tǒng)一般分為四部分，即腦電信號的采集，腦電信號的分析，依據(jù)腦電信號控制實施的行為，以及外界的反饋。其中的關鍵核心技術包括采集腦電信號的電極、神經(jīng)接口芯片、信號解碼等一系列前沿科技。

北京腦科學與類腦研究中心聯(lián)合主任羅敏敏：我們人的神經(jīng)細胞發(fā)放一個電信號，它是毫秒級別，所以如何快速記錄這些電信號，而且記錄不是一個兩個，是記錄上千上萬個通道才可以得到足夠信息解碼出一定的信息，怎么控制能耗，怎么做出無限的信號的傳遞，怎么做出實時解碼，既是工程學上的挑戰(zhàn)，也是一個科學的挑戰(zhàn)。

專家介紹，在我國，高校是腦機接口研究的主力。1999年，清華大學科研團隊開發(fā)的腦機接口，就實現(xiàn)了控制光標移動。2016年，在天宮二號和神舟十一號載人飛行中，天津大學科研團隊與中國航天員中心合作完成了人類首次太空腦-機交互實驗。2018年，清華大學腦機接口團隊為漸凍癥患者設計的中文輸入視覺腦機接口系統(tǒng)成功實現(xiàn)了用意念打字。2020年，浙江大學完成了國內第一例植入式腦機接口臨床研究。如今，在康復醫(yī)療、癲癇治療、心理疾病診斷治療等方面都有大量的科研成果。

頻頻上新已到走出實驗室的關鍵時期

“腦機接口”作為人類面向未來的創(chuàng)新科技，按照信號采集方式不同，主要包括有創(chuàng)和無創(chuàng)兩種技術路線。我國高校對每一種技術路線都有探索，隨著實驗室成果的不斷積累，我國腦機接口科研已經(jīng)進入了走出實驗室、邁向市場的關鍵時期。

在天津市環(huán)湖醫(yī)院，由天津大學神經(jīng)工程團隊開發(fā)的穿戴式腦控外肢體手指機器人系統(tǒng)臨床研究已經(jīng)開展了半年多，這個系統(tǒng)又被稱為“靈犀指”。參與臨床研究的喬先生是一名因急性腦卒中左手失去了抓握能力的患者，這是他首次試用“靈犀指”。

“靈犀指”是天津大學研發(fā)的一種無創(chuàng)腦機接口康復系統(tǒng)，只要戴上腦電帽就可以通過讀取腦電信息來操控機器手指。目前的研究數(shù)據(jù)已經(jīng)證實，這一系統(tǒng)能夠大大加速患者的康復進度。

在天津大學無創(chuàng)腦機接口取得進展的同時，清華大學的微創(chuàng)腦機接口也正在積極推進。在清華大學醫(yī)學樓的神經(jīng)工程實驗室，因車禍而高位截癱多年的小白正通過自己的意念操控著電動輪椅。

記者：精確度還挺高的，怎么做到的？

小白：專注想象動作。

記者：它反應靈敏嗎？

小白：非常靈敏。

去年12月，小白在北京天壇醫(yī)院接受了無線微創(chuàng)腦機接口植入手術，小白植入的腦機接口雖然需要進行顱腦手術，但電極并不進入大腦皮層和腦組織，因此被稱為半侵入式的腦機接口。

清華大學醫(yī)學院教授洪波：這個腦機接口有效性都得到了證明。最重要的是他現(xiàn)在可以用自己的思維、腦信號來控制自己的計算機，他能夠腦控輪椅，所以這個證明腦機接口的信號控制已經(jīng)成功了。

洪波教授告訴記者，另外一例臨床試驗患者老楊也是高位截癱，如今已能夠熟練地使用腦控外骨骼手套，原先完全失去功能的手還恢復了部分抓握功能，這些都證明了腦機接口的有效性。接下來他們團隊將根據(jù)有關部門批準，進一步擴大醫(yī)學臨床試驗規(guī)模，爭取早日將這一成果轉化為產(chǎn)品造福患者。

新突破首個片上腦機接口智能交互系統(tǒng)

科學家們對“腦機接口”的探索遠不止于此，甚至比電影的情節(jié)更加科幻。在天津大學醫(yī)學院的一個實驗室，李曉紅教授向記者展示了他們團隊和南方科技大學團隊的最新科研成果——全球首個片上腦機接口智能交互系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，“大腦”竟然是人工培養(yǎng)出來的。

片上腦機接口智能交互系統(tǒng)簡稱“片上腦機”，專家介紹，“片上腦機”顧名思義上就是在電極芯片上培養(yǎng)出來的“類腦組織”，是腦機接口領域的一個重要新興分支。

天津大學醫(yī)學院教授李曉紅：通常腦機接口用的是人或者是動物真實的大腦，但是片上腦機接口，它用的是體外培養(yǎng)的“大腦”，就如同我們這個模型里面在細胞培養(yǎng)皿上面培養(yǎng)的這樣一個類器官，是采用生物技術和干細胞技術培養(yǎng)的，這就是我們和經(jīng)典的腦機接口不一樣的地方。

在科研團隊展示的實驗中，記者看到，浸泡在營養(yǎng)液中的人工腦組織僅半粒小米大小，研究員通過超聲波給它下達指令后，它控制的小車開始慢慢移動，并能自主避開遇到的障礙。

天津大學醫(yī)學院教授李曉紅：它是可以通過去控制左輪和右輪的一些速度，它的一些方向，它的一些角速度來達到一些避障的效果，就是我們第一個完成的一個任務；第二個是我們還可以實現(xiàn)跟蹤；第三個是可以實現(xiàn)抓取。

李曉紅教授告訴記者，他們的片上腦機接口智能交互系統(tǒng)是全球首個開源的片上腦機系統(tǒng)，未來植入機器人中，機器人有望無需依賴人工智能算法等，就可以輔助人類完成特定任務。這一目標與人工智能相似，但路徑截然不同。

天津大學醫(yī)學院教授李曉紅：跟我們的人類大腦一樣，它是有學習記憶基礎的，所以我們可以對它進行訓練，就像小孩子一樣，剛生出來的話，它其實什么也不會，那可是我教它就會了，我教到它什么程度它就能會到什么程度。

相較于需要大量算力的人工智能模型，“類腦組織”還具有輕能耗等優(yōu)勢，科學家們認為，未來片上腦機接口將對混合智能、類腦計算等前沿科技的發(fā)展起到革命性的推動作用。

天津大學醫(yī)學院教授李曉紅：我們現(xiàn)在人工智能在某一些方面確實很厲害，但是人工智能它其實是需要一個很高的功耗，它需要大量的數(shù)據(jù)級去訓練它，需要一個很長的時間，它可能要學習幾千遍它才能學會。但是我們體外培養(yǎng)的腦，尤其是人源的這樣一個培養(yǎng)的腦，它可能幾分鐘就學會了，這個可能是我們的人工智能是沒有辦法比的，它的前景是無限的。

推動科技成果轉化加速形成新質生產(chǎn)力

腦機接口的技術成熟度不斷提升，已成為主要大國培育經(jīng)濟發(fā)展新動能，打造競爭新優(yōu)勢的未來產(chǎn)業(yè)。在我國，“中國腦計劃”已經(jīng)啟動，“腦科學與類腦研究”已被寫入國家規(guī)劃綱要，腦機接口更是被明確為未來產(chǎn)業(yè)十大標志性產(chǎn)品。目前，腦機接口的產(chǎn)業(yè)鏈還處于初期發(fā)展階段，如何推動腦機接口科技成果轉化，加速形成新質生產(chǎn)力，一些探索已經(jīng)開始。

今年5月，國內首個面向腦機接口產(chǎn)業(yè)發(fā)展的專項基金——腦機海河實驗室基金正式發(fā)布，旨在建立創(chuàng)新投資模式，撬動社會資本支持腦機全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。

天津大學醫(yī)學院副主任倪廣健介紹，腦機接口作為新興技術，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化落地面臨諸多問題，比如相關政策法規(guī)的尚不健全、醫(yī)療器械證如何申請等。另外，高校也存在科研機制、經(jīng)費使用等方面的限制。

針對這些問題，由天津市政府主導，天津大學等10多家單位牽頭建設的腦機交互與人機共融海河實驗室去年3月正式掛牌。

孟琳是天津大學神經(jīng)工程團隊的骨干科學家，腦機交互與人機共融海河實驗室成立之初，她就帶著自己主持研發(fā)的腦控外骨骼混合助行機器人項目加入進來。在這里，她得到了資金、醫(yī)療器械申請注冊、臨床研究等多個方面的支持。

天津大學醫(yī)學院主任助理孟琳：針對我們醫(yī)療的產(chǎn)品的醫(yī)療器械注冊證的申請，還有我們的裝備的檢測都有優(yōu)先處理的一個政策，加速我們相關產(chǎn)品的落地應用，期望今年年底我們能先拿到一個二類的注冊證。

據(jù)介紹，在天津市委市政府支持下，海河實驗室打通了科研創(chuàng)新、科技成果轉化、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的接口，同時在科技成果處置權、使用權、收益權等方面賦予科研人員自主權。在天津大學神經(jīng)工程團隊自主研發(fā)的20多個“神工”系列腦機接口醫(yī)療器械產(chǎn)品中，已有多個拿到了國家醫(yī)療器械注冊證。

天津大學醫(yī)學院副主任腦機海河實驗室副主任倪廣?。?/strong>二十屆三中全會再一次強調了教育科技人才三鏈融合發(fā)展，高校的優(yōu)勢就是一定要將三鏈牢牢地結合起來，一定要從國家的需求、國家的重大任務入手，把我們要落地的這些場景一定要抓得實，做真正有用有大用的腦機接口，服務我們的國家重要需求。

（總臺央視記者潘虹旭代欽夫）