大脑的进化是一部波澜壮阔的史诗。地球在几十亿年前出现了生物,漫长的进化过程中,为了更好的生存,更灵活地应对多变的环境,人脑的结构越来越复杂,功能越来越完善。直到250万年前,灵长类动物出现了“理智脑”,就是在我们大脑前额区域的新皮层,这将赋予生物智慧,至此人类诞生了。

中科院上海微系统所副所长、脑虎科技创始人兼首席科学家陶虎博士认为,人脑在进化的过程中,始终选择了一个相对正确的进化方向,因此人类目前在地球上,仍能保持在食物链最顶端。不过,人脑作为宇宙中迄今发现的最复杂物件,拥有超过800亿个神经元,加之这些神经细胞上的无数突触,其海量计算潜能亟待可持续开发。

科学家们从未停止过对大脑秘境的探索,脑机接口已成为当前脑科学和人工智能领域最活跃的研究方向。

脑机接口带来了哪些可能？

那么，脑机接口系统是如何运转的？从工作流程上看，它有四个核心部分：信号采集、信号处理、信号执行和神经反馈。

中国信息通信研究院的报告显示，脑机接口主要涉及6种关键技术：

按照信号采集的不同方式，脑机接口分为植入式和非植入式。植入式脑机接口，是指对深入到颅内以下的组织进行信号采集和记录，是一种有创的方式。优点是记录的信号时空分辨率高、信息量大，能够对复杂任务进行实时、精确控制。

非植入式脑机接口采取采用无创采集技术，在头皮表面或附近采集大脑响应信号。由于其安全无创得到广泛应用，但受限于脑外采集的强度与噪声干扰，目前可实现的交互性能有限。

威斯康星大学生物医学副教授、神经刺激设备研发人员基普·路德维格（Kip Ludwig）形容道，“这就像听两个人说话一样，一个是站在他们旁边听他们说话，一个是在房间外面听他们说话”。

那么，当下脑机接口的研究进展如何，又带来了哪些改变呢？

*用意念“手写”，准确率可达99%

2021年，来自斯坦福大学的研究者首次破解了“与手写笔迹相关”的大脑活动，其开发出的皮质内脑机接口系统，让研究受试者（因脊髓损失瘫痪）每分钟可以打出约90个字符，是以往利用此类脑机接口打字记录的两倍多，并且在线原始准确率达到了94.1%，自动更正后的离线准确率超过了99%。

以往，脑机接口的主要功能是恢复患者的“运动技能”，比如借助脑机接口设备操控机械臂抓取物品、移动电脑光标、点击字母输入等。而这位65岁的受试者“想象着用笔在纸上写字”，此时其大脑中植入的电极检测到了他试图写字的活动，算法会对每个字符对应的模式进行解码，并转化成可在屏幕上显示的文本。

加州大学伯克利分校的神经工程师乔斯·卡梅纳（Jose Carmena）认为，“这项研究以及其他同类研究在帮助各类残疾患者方面具有很大潜力。尽管研究结果只是初步的，但依然是该领域的重大进步。”

*身穿“机械战甲”，瘫痪少年为世界杯开球

2014年，脑机接口领域的学术奠基人米格尔·尼科莱利斯（Miguel Nicolelis）为一位瘫痪少年做了一套“机械战甲”，让少年用大脑控制机械外肢，成功为巴西世界杯完成了开球。

早在1999年，米格尔就创造出了一台可以让人类大脑控制机器运动的设备。该系统可以从神经元中读取信号，并将其转换为机器指令，这个过程就好比人类大脑将信号先发送到脊髓，然后再到肌肉的方式。

2008年，米格尔团队成功完成一个非常著名的实验。他们在一只名为Idoya的成年雌性恒河猴大脑中植入了一次可以读取250-300个神经元信号的电极。当Idoya在杜克大学实验室的跑步机上跑步时，放置于日本的人形机器人开始接收信号，不久之后也开始进行运动。

2011年，米格尔推出了自己的“重拾行走计划”（Walk Again Project），之后得到了巴西政府的财政支持，再之后就有了巴西世界杯上，高位截瘫的男孩完成开球的动人一幕。

另外，在运动辅助上，还有一些非植入式脑机技术也取得了惊人的成果。2019年，BrainCo做出了全球第一款脑控机械义肢产品——智能仿生手，通过采集残疾人残肢末端的肌电神经电信号，用深度学习的算法来还原残疾人的运动意图，并让假肢执行相应的动作，做到“手随心动”。并且，用户不需要做任何的手术，直接在残臂上布上一群高通量的信息采集器，采集他的肌电和神经电。

*在大脑中植入电极后，失明患者重获视觉

因视神经病变破坏了连接眼睛和大脑的神经，42岁的戈麦斯失明，甚至感受不到一点光线，16年后，58岁的她通过新技术重获视觉——虽然看到的仅是黄白色的点和图案。

该系统由米格尔·埃尔南德斯大学神经工程系主任爱德华多·费尔南德斯（Eduardo Fernandez）带团队研发，包括一副经过改进的眼镜（该眼镜配备了微型相机，并且已连接到处理实时视频输入的计算机，并将其转换为电子信号），通过悬挂在天花板上的电缆将系统连接到嵌在戈麦斯头骨后部的端口，并与大脑后部视觉皮层中的100根电极植入物相连。借助该系统，戈麦斯能看到吸顶灯、人和印在纸上的字母、基本图形，甚至能玩一款简单小游戏。

大多数失明患者可以通过人工眼睛或视网膜的辅助恢复一定程度的视力，但对那些连接视网膜和视觉皮质的神经受到损害的患者而言，这种方法并不管用。费尔南德斯通过植入技术，直接向大脑传输信号，实现了突破。

*有望帮助航天员完成复杂的工作任务

随着载人航天的发展，航天员在太空的工作也日趋复杂。为了突破双手操作的限制，中国航天员已经开始试验一种脑机交互技术。

在神舟十一号载人飞行中，我们的航天员完成了人类历史上首次太空脑机交互试验。航天员戴上脑电帽后，还要涂上导电膏。当导电膏从脑电帽的小孔内注入以后，导电膏里的细粒就可以填充在接触面的缝隙里，相当于增加了采集脑电信号的触头和头皮的接触面积，可以让脑电帽更好地采集到头皮的脑电信号。准备好后，航天员完成了视觉刺激实验、运动想象实验，还通过意识控制拼写。

用传感器采集脑信号

越深入和靠近脑组织本身，脑电信号就越清晰和准确，反之则越模糊和失准。这就是脑机接口面临的第一个重要问题：传感器搁在哪？

我们说的那种已经在医院常常可见的脑机设备，大多都是把传感器贴附在头皮上，只能监听到模糊定性、噪音极大的一些信号，颅骨和皮肤天然地屏蔽掉了大多数电信号。一般被用做收集和检测一些简单的脑电异常，尤其是在一些精神问题领域的辅助诊断，历史上也曾被用作放电治疗癫痫、自闭或失眠等，但效果并不明显。但好处就是最多也就是剃个秃瓢，甚至就是带上一顶僵硬奇怪的电极帽就可实现——上午做脑机，下午就上班。

李骁健那个著名的美国同行，选择的方案则是另一个极端。同这个老板名下的电动车公司、火箭公司、地下隧道公司等一样，Neuralink的技术路线依旧选择了同时代同行业最极端的方案——利用一台像缝纫机一样的手术机器，把极细的柔性电极丝植入到脑皮层之内。这大大增加了脑机设备可采集的信号质量和精准程度，因此在他们展示会上的猴子，才能自如地在电脑上游戏和操作光标。

李骁健不是不羡慕马伊隆，尤其是个人财力和美国相对优势的人才资源，但他有一套更理性的判断——看，这就是大脑皮层赋予我们每个人的能力。微灵医疗选择的方案，介于上述两者之间：把一个像纹身贴一样的信号采集器贴在大脑皮层之上，只需要在头骨上开一个比自动售货机投币口还小的小缝隙就能完成手术，芯片、电池和无线通信模块都放在一个硬币大小的装置里贴在头骨之外，以方便替换。

通过自己大脑皮层中特定区域的精密计算，李骁健为微灵选择的这套方案找到了几个很有说服力的理由：

一是可行性高，组成这套系统的每一个部件都有可参考的成熟产品和相对丰富的临床数据，不会被某一个节点的技术难题卡住；

二是兼顾了信号质量和植入风险，这个方案的配套手术创伤相对不大，临床经验也比较充足，却没有过多的牺牲信号质量，植入设备老化替换和升级也比较容易操作；

三是距离解决临床真实的问题很接近，贴在皮层上的感应器虽谈不到理想化的精准，但是对于李骁健想在初期关注的那些治疗领域已经足够了——神经重塑和功能重建，比如帮助瘫痪、渐冻、癫痫的病人恢复正常运动能力，或帮助视障和听障病人重获感官。

“这叫踮踮脚就能够到的事情，就是微灵现在想做的。”李骁健说，“脑机接口的应用，并不像人通常想象的那样，是对于局部技术环节先进性的执拗，而是一种权衡，一种对于技术系统的优化与整合。”

商业化前景“出苗”

脑机接口本质上就是一套感知大脑活动的传感系统，在脑机接口技术体系中，MEMS技术也早被应用。

当前，大部分植入脑内的脑机接口采集设备，都处于科研阶段，还没有商用化。

目前在人体上获准应用的植入式脑机接口采集设备，只有一款，叫犹他电极阵列（Utah Array）。它是美国FDA认证的可以植入人体的唯一一款记录单个神经元发放的电极，这是半永久植入电极（可植入1~2年）的产业化情况。

犹他电极阵列（UtahArray）主要基于硅基材料，采用成熟的微机电系统(MEMS)加工工艺，有其他类型电极无法达到的加工精度和一致性，实现高通量，高密度和超柔性等性能。

此外，利用硅材料制作电极可实现电极与硅基放大及信号处理电路的单片集成，简化系统的复杂度，提高神经元信号的信噪比。

MEMS甚至NMES，对于脑机接口技术有着巨大吸引力。MEMS/NMES本质上是在微米甚至纳米层次的机械系统，能够在更细小的层次感知和操控一切。

传感器领域有个充满科幻性的前瞻预测——智能尘埃（智能微尘）——一种超细小的智能传感器。

数以百万计或数十亿计的微小尘埃颗粒，依附营养物质进入体内，它们可能会嵌入整个人脑的庞大血管网络中，或者被吸收到神经元本身中。添加某种能与智能尘埃无线连接的外部设备，你就拥有了一种广泛而详细的方法来记录和刺激神经活动。

这或许也是未来科幻级别的脑机接口的最终展现：只需服用几颗药丸或注射剂，就可以完成脑机采集传感器的植入，然后通过智能手机大小的操控设备查看信息或操作神经。而这，也是MEMS/NMES技术未来在脑机接口技术体系的广泛应用。

此前，马斯克的脑机接口公司Neuralink也招聘了大量的MEMS工程师，Neuralink在将自己构建为一个先进的MEMS技术孵化器，重点是生物相容性（对人类安全）应用。

近年来，得益于生物医学、传感器、通信、计算等领域技术水平的不断提升，脑机接口技术实现跨越式发展。

文章来源： 传感器专家网，果壳，科技生活e资讯，瞭望智库