全球腦機(jī)接口發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀

編者按：“未來將不會再有手機(jī)。”近期，馬斯克對腦機(jī)芯片的大膽預(yù)言引發(fā)了廣大網(wǎng)友的好奇與熱議。腦機(jī)接口技術(shù)通過在人腦中植入微型芯片，實(shí)現(xiàn)了人類大腦與外部設(shè)備的直接連接。用戶只需通過思考，即可向外部設(shè)備發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)控制操作。隨著神經(jīng)科學(xué)、工程學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的不斷進(jìn)步，全球腦機(jī)接口行業(yè)蓬勃發(fā)展，也令人們對腦機(jī)接口技術(shù)的應(yīng)用前景充滿了期待。

腦 機(jī)接口（Brain-Computer Interface，BCI）是指不依賴傳統(tǒng)的外周神經(jīng)和肌肉等大腦信息輸出通路，直接利用腦信號來建立人與計(jì)算機(jī)（或其他電子設(shè)備）的交流通道的實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)。根據(jù)通信技術(shù)路徑，其技術(shù)主要?dú)w為“非侵入式（腦外）” “侵入式”和“半侵入式”三類。

作為新質(zhì)生產(chǎn)力之一，腦機(jī)接口是生命科學(xué)和信息技術(shù)深度交叉融合的前沿領(lǐng)域，不僅可以運(yùn)用于醫(yī)療領(lǐng)域，還可拓展至教育、娛樂和軍事等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，已成為各國重點(diǎn)扶持和推動(dòng)的創(chuàng)新領(lǐng)域。

美國：政府推動(dòng)腦機(jī)接口技術(shù)的研發(fā)和落地，侵入式技術(shù)尚未成熟

2013年，美國政府啟動(dòng)“推進(jìn)創(chuàng)新神經(jīng)技術(shù)腦研究（BRAIN）計(jì)劃”，旨在推動(dòng)神經(jīng)技術(shù)發(fā)展，為探索大腦如何記錄、處理、使用、存儲和檢索大量信息提供新技術(shù)。該計(jì)劃分兩個(gè)5年階段，由美國國立衛(wèi)生研究院、國家科學(xué)基金會和國防高級研究計(jì)劃局等機(jī)構(gòu)實(shí)施，第一階段重點(diǎn)支持技術(shù)開發(fā)，第二階段重點(diǎn)關(guān)注集成技術(shù)，吸引跨學(xué)科合作。2019年，《BRAIN 2.0》報(bào)告提出8個(gè)優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域，包括神經(jīng)活動(dòng)記錄新技術(shù)、神經(jīng)調(diào)控技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析等與腦機(jī)接口發(fā)展密切相關(guān)的領(lǐng)域。

美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）積極推動(dòng)腦機(jī)接口設(shè)備研發(fā)與上市，通過研究性器械豁免政策簡化臨床研究流程，并通過“突破性設(shè)備計(jì)劃”加速技術(shù)評估與審查流程，減少新型設(shè)備投放市場所需的時(shí)間。2021年5月，F(xiàn)DA發(fā)布指南，為植入式腦機(jī)接口的臨床前測試和臨床試驗(yàn)提供詳細(xì)建議。Neurolutions公司的IpsiHand上肢康復(fù)系統(tǒng)是首個(gè)獲批的腦機(jī)接口非侵入性設(shè)備。

除非侵入性技術(shù)外，美國也有重點(diǎn)研究侵入式技術(shù)和設(shè)備的腦機(jī)接口企業(yè)，如Neuralink、BrainGate等。以Neuralink為例，其由特斯拉CEO埃隆·馬斯克于2016年創(chuàng)立，主要開發(fā)侵入式腦機(jī)接口技術(shù)和設(shè)備、手術(shù)機(jī)器人等。該公司于2019年實(shí)現(xiàn)猴腦控制計(jì)算機(jī)，2020年實(shí)現(xiàn)在活豬大腦中植入設(shè)備，2024年完成其首例人類大腦設(shè)備植入手術(shù)。該例手術(shù)由手術(shù)機(jī)器人“R1”執(zhí)行，總耗時(shí)15分鐘，成功將一枚硬幣大小的腦機(jī)接口系統(tǒng)“N1”植入大腦區(qū)域，實(shí)現(xiàn)記錄、傳輸大腦信號等功能。然而該技術(shù)并未完全成熟，在術(shù)后幾周，鑲嵌于腦組織的部分接線脫落，影響信息傳輸速率，丟失部分?jǐn)?shù)據(jù)，導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作。

歐洲：歐盟重視腦數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，瑞士企業(yè)布局游戲領(lǐng)域的應(yīng)用

2013年，歐盟啟動(dòng)為期10年、投資6.07億歐元的“人腦計(jì)劃”（Human Brain Project），覆蓋10個(gè)關(guān)鍵研究領(lǐng)域，包括與腦機(jī)接口技術(shù)密切相關(guān)的意識和認(rèn)知、腦圖譜、大腦模擬和醫(yī)療數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域。實(shí)施“人腦計(jì)劃”過程中，歐盟建立了歐洲腦科學(xué)研究基礎(chǔ)設(shè)施EBRAINS，開發(fā)了高質(zhì)量大腦數(shù)據(jù)集工具和方法，建立了腦電圖數(shù)據(jù)平臺，為腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展提供了重要的資源和平臺。

2022年3月，歐盟發(fā)布《未來10年的數(shù)字大腦研究》，旨在為“人腦計(jì)劃”的未來發(fā)展制訂路線圖，確定未來10年的數(shù)字大腦研究概念和共同目標(biāo)，為EBRAINS發(fā)展提供科學(xué)框架。該報(bào)告強(qiáng)調(diào)了大腦模型和數(shù)字孿生技術(shù)在未來大腦研究中的重要作用，指出了大腦交互、分析、機(jī)制理解、數(shù)據(jù)解釋和處理建模等方面面臨的技術(shù)和計(jì)算挑戰(zhàn)。

總體而言，歐盟重視神經(jīng)科學(xué)與計(jì)算技術(shù)的融合，倡導(dǎo)在神經(jīng)技術(shù)研究中整合計(jì)算和人工智能技術(shù)，以推動(dòng)跨學(xué)科方法的應(yīng)用。同時(shí)，致力于開發(fā)高帶寬且穩(wěn)定的腦機(jī)接口技術(shù)，為大腦模型和數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)，進(jìn)而推動(dòng)數(shù)字大腦研究的未來進(jìn)展。此外，為了加強(qiáng)不同學(xué)科間的數(shù)據(jù)和成果整合及再利用，歐盟高度重視腦科學(xué)研究基礎(chǔ)設(shè)施和腦數(shù)據(jù)建設(shè)，致力于實(shí)現(xiàn)研究數(shù)據(jù)和資源的開放共享。

歐洲腦機(jī)接口代表企業(yè)有g(shù).tec medical engineering和MindMaze等。前者來自奧地利，重點(diǎn)開發(fā)用于研究或臨床的侵入性和非侵入性高性能腦機(jī)接口和神經(jīng)技術(shù)，產(chǎn)品包括多通道EEG偵測設(shè)備、軟件、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)以及生物信號處理系統(tǒng)等。后者來自瑞士，創(chuàng)立初期關(guān)注如何將腦活動(dòng)捕捉技術(shù)應(yīng)用于中風(fēng)等病癥的治療，2018年收購游戲、運(yùn)動(dòng)相關(guān)的高科技公司后，重點(diǎn)關(guān)注腦機(jī)接口在游戲與醫(yī)療健康領(lǐng)域的融合應(yīng)用，研發(fā)了AR/VR游戲來幫助中風(fēng)或腦外傷患者恢復(fù)運(yùn)動(dòng)能力。目前，MindMaze推出的產(chǎn)品主要有MindMotionTMGo（家庭神經(jīng)系統(tǒng)康復(fù)平臺）MindMotionTMPro（上肢中風(fēng)康復(fù)）Intento PRO（嚴(yán)重上肢中風(fēng)患者刺激器）等，已在歐洲、美國和亞洲市場廣泛應(yīng)用。

日本：高度重視腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展，已有企業(yè)推出非侵入式便攜設(shè)備

日本在腦機(jī)接口基礎(chǔ)研究方面具有一定優(yōu)勢，尤其是計(jì)算腦科學(xué)。日本政府將“2050年前實(shí)現(xiàn)讓人類擺脫身體、腦、空間和時(shí)間限制的社會”作為國家級研發(fā)計(jì)劃“射月型研發(fā)制度”十大目標(biāo)之首，為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，其中重點(diǎn)推進(jìn)研發(fā)的技術(shù)就包括腦機(jī)接口。

日本于2018財(cái)年創(chuàng)設(shè)射月型研發(fā)制度，投入1000億日元形成基金，并于2019財(cái)年和2021財(cái)年分別追加150億日元和800億日元，支持最長10年的研發(fā)計(jì)劃，旨在打造出日本原創(chuàng)的顛覆性創(chuàng)新項(xiàng)目，解決構(gòu)成人類福祉基礎(chǔ)的社會、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)問題。該計(jì)劃聘請國際電氣通信基礎(chǔ)技術(shù)研究所（ATR）的金井良太擔(dān)任“通過擴(kuò)展身體和感知能力，擺脫身體限制”研發(fā)項(xiàng)目經(jīng)理，提出將腦機(jī)接口與AI相結(jié)合并推進(jìn)實(shí)用化的目標(biāo)。ATR是日本腦信息通信研發(fā)領(lǐng)域的知名第三部門研究所，金井良太也是ARAYA公司的CEO，該公司已開發(fā)出一種泛用型腦機(jī)接口算法，并與其他公司合作研制了用于測量腦電波的小型設(shè)備。

目前，日本已有不少企業(yè)推出非侵入式腦機(jī)接口產(chǎn)品。2022年4月，上述ARAYA公司宣布開發(fā)出“Face2Brain”算法，利用深度學(xué)習(xí)從面部圖像推定腦電波，而無需佩戴腦電圖儀。此外，ARAYA正在推進(jìn)利用AI分析腦電波并將其應(yīng)用于商業(yè)。MACNICA公司也在一些專業(yè)領(lǐng)域推出融合腦機(jī)接口技術(shù)的類似AI模型，并正在自動(dòng)化系統(tǒng)推進(jìn)應(yīng)用。與此同時(shí)，日本一些企業(yè)推出小型化和簡易化的腦電圖儀用于支撐腦機(jī)接口的社會應(yīng)用。例如，從大阪大學(xué)起步的初創(chuàng)企業(yè)PGV基于該大學(xué)產(chǎn)業(yè)科學(xué)研究所的研究成果，研制出一種小型輕量的貼片式腦電圖儀，僅有手掌大小，可貼在額頭使用。高精度模擬電路使其能以不輸于標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)療設(shè)備的高分辨率記錄腦電波數(shù)據(jù)，并通過藍(lán)牙連接到專用應(yīng)用程序，再通過AI分析測得的腦電波，可視化和量化大腦活動(dòng)。ARAYA也與VIE STYLE公司合作，利用ARAYA基于AI的腦數(shù)據(jù)分析算法和VIE STYLE的耳機(jī)式腦電圖儀“VIE ZONE”，就以小型設(shè)備加速腦機(jī)接口的實(shí)際應(yīng)用開展共同研發(fā)，未來將不僅限于消費(fèi)者使用，還將探索產(chǎn)業(yè)的實(shí)用案例。

總體而言，日本產(chǎn)業(yè)界的研發(fā)重點(diǎn)仍然集中于非侵入式腦機(jī)接口，未來能否順利轉(zhuǎn)向更高精度的侵入式腦機(jī)接口，仍然有待進(jìn)一步突破法律及倫理限制。

澳大利亞：重點(diǎn)關(guān)注腦機(jī)接口在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用，開發(fā)微創(chuàng)技術(shù)

2016年，澳大利亞大腦聯(lián)盟由神經(jīng)科學(xué)學(xué)會、心理學(xué)會和科學(xué)院國家大腦與心理委員會聯(lián)合組建成立，旨在推動(dòng)澳大利亞大腦研究的戰(zhàn)略發(fā)展。2017年，該聯(lián)盟提出了為期五年、投資5億澳元的“澳大利亞腦計(jì)劃”，其中腦機(jī)接口技術(shù)的研發(fā)被列為關(guān)鍵任務(wù)，旨在開發(fā)新型接口、刺激和記錄設(shè)備，以制造更智能、可植入和可穿戴的設(shè)備，用于治療帕金森病等腦部疾病、恢復(fù)感官和運(yùn)動(dòng)功能等。

2020年，墨爾本大學(xué)血管仿生實(shí)驗(yàn)室通過靜脈植入腦機(jī)接口技術(shù)，使?jié)u凍癥患者能以每分鐘20字的速度控制電腦進(jìn)行聊天和網(wǎng)購。創(chuàng)立于2012年的Synchron公司以墨爾本大學(xué)的技術(shù)為基礎(chǔ)，2021年開發(fā)了微創(chuàng)腦機(jī)接口Strentrode BCI，該設(shè)備通過血管內(nèi)植入大腦，獲取運(yùn)動(dòng)信號，并通過胸部接收裝置傳輸至解碼器，實(shí)現(xiàn)意念上網(wǎng)等功能。而后Synchron總部由澳大利亞遷至美國紐約，得到美國國防高級研究計(jì)劃局等政府部門和機(jī)構(gòu)的支持，獲超過3.6億美元的研究資金，是首家獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準(zhǔn)進(jìn)行永久性腦機(jī)接口植入的公司。

[作者單位：上海圖書館（上?？茖W(xué)技術(shù)情報(bào)研究所）]