一、腦機接口發展正在走向高潮
上個月，腦機接口領域再次迎來重大突破：使癱瘓者成功恢復運動能力，觸覺準確率高達 90%。
4 月 23 日，《細胞》（Cell）雜誌刊登了一篇來自美國俄亥俄州 Battelle 研究所和俄亥俄州立大學 Wexner Medical Center 的重磅研究論文，介紹了一個通過腦機接口（Brain-Computer Interface，BCI）系統來恢復嚴重脊髓損傷的患者手部觸覺和運動能力的案例。
在這項研究中，研究人員評估了一種假設，即通過腦機接口技術，破譯來自受損手部的殘餘感覺神經活動，並將其動態轉換爲用戶可以感知的閉環感覺反饋，從而潛在地增強感知功能。
同時，由於觸覺對於運動控制至關重要，因此，除了單獨恢復觸覺，腦機接口技術有望讓脊髓損傷患者僅僅通過一隻手，同時恢復觸覺和運動功能。由此，研究人員在患者皮膚上放置了電極系統，並在他的大腦運動皮層中植入小型記錄芯片。這種芯片不僅有機會使癱瘓患者恢復正常運動，還可以恢復觸覺。研究人員表示，與偶然性相比，他們在實驗中達到了 90% 的準確率。
研究人員表示，這款腦機接口系統有三個重要的改進：
首先，該系統使患者能夠僅通過觸覺就能可靠地檢測到某些東西，在將來，該系統也可能會被用來查找和撿起一個看不見的物體；
另外，該系統也是第一個能夠同時恢復運動和觸覺的腦機接口，在運動過程中體驗到增強觸摸的能力，使患者能夠擁有更好的控制感；
最後，這款改進的腦機接口系統能夠感應到在處理物體或撿拾物體時要使用多大的力，例如，在撿拾像塑料杯等這樣的易碎物體時使用較輕的握緊力，但在撿拾重物時使用更大的握緊力。
值得一提的是，上述研究並不是近來科學家在腦機接口領域取得進展的孤例。從2012年巴西世界盃上，身着機器戰甲的截肢殘疾者，憑藉腦機接口和機械外骨骼開出了一球，到2016年斯坦福大學神經修復植入體實驗室的研究者們往兩隻猴子大腦內植入了腦機接口，使猴子創造了新的大腦控制打字的記錄——1分鐘內打出了莎士比亞的經典臺詞“To be or not to be.That is the question”，再到目前全球已有超過五十萬人正在使用將接收到的聲音通過處理轉換成電信號、並將電信號傳輸到植入內耳的植入體、然後大腦對傳來的信號進行處理、讓聽覺障礙患者得以聽到聲音的人工耳蝸設備，腦機接口領域已有很多里程碑事件。
就在前不久，一個由加州大學舊金山分校 Edward Chang 實驗室的研究團隊打造的新型人工智能系統，可根據人腦信號來生成文本，準確率最高可達 97%。該人工智能系統使用了一種全新的方法來解碼腦皮質電圖：通過植入大腦的電極，來獲取皮質活動中所產生的電脈衝記錄。
另外，3月底，在Nature雜誌的副刊《神經科學》上面，來自美國加州大學舊金山分校的研究人員發表了一項新的研究，他們利用機器學習的方法，可以把腦電波信號直接翻譯成了有意義的語音和文字，翻譯準確度得到大幅提高，最低錯誤率只有3%。這次腦機語言翻譯的出現，意味着人類的交互方式出現了新的形式，也就是由大腦信號直接轉化爲語言信號，可以幫助因爲中風偏癱、漸凍症或者其他因神經系統疾病而喪失語言功能和溝通能力的人恢復語言溝通能力。
在今年 1 月份，浙江大學醫學院附屬第二醫院也通過 "腦機接口技術"，讓一位因車禍而造成第四頸髓層面損傷並四肢癱瘓的病人，獲得了用 "意念" 來控制機械臂，從而進行握手、拿飲料、吃油條等操作。
……
總之，人類對腦機接口的研究從最早20世紀70年代起，讓受試者通過生物反饋訓練學習如何自主地控制腦電節律，到1995年全世界從事有關腦機接口研究的小組不超過6個、1999年已超過20個、2002年有近40個，如今腦機接口不論是技術水平和研究團隊規模已有質的飛躍，其發展正在走向高潮，技術不斷有新突破，相關企業數量不斷增加，相關應用和熱度也開始攀升。調查數據顯示，2020年腦機接口的市場規模將達到14.6億美元，受到其影響的應用領域非常廣泛，不論是醫療、教育還是消費，都將帶來遠超於十幾億美金的鉅額市場空間。
腦部是人類的神經中樞。作爲人體最重要的器官之一，它承擔着維繫人類生存的基本任務。與此同時，幾乎所有的高級神經活動都在腦部完成。如果將人體視爲一臺電腦，那麼大腦就是運算核心。普通電腦可以通過外接硬盤、外接顯卡、外接內存等方法提高性能，所以有科學家認爲，這樣的“改良”同樣可以適用於人腦。這種觀點的產生，最終形成了研發腦機接口的動力。而至於腦機接口的火熱，或許有部分原因來自人工智能的飛快發展和威脅論的甚囂塵上。
如今，人工智能在某些方面已經能夠毫不費力地戰勝人類。早在2016年AlphaGo擊敗圍棋冠軍李世石的那一刻，人工智能就披上新的榮光，人類創造出的模擬人腦神經處理機制的人工神經網絡，已經具備了某些方面超越人類的“高智商”。對此，很多人認爲，在這個由人工智能和“其他所有生物”組成的未來中，人類只有一條出路：“變成人工智能”。正如埃隆馬斯克所說：“我認爲未來人類智力會被 AI 甩在身後，腦機接口可以讓我們跟上 AI 的腳步。所以，讓人腦和機器連接很重要。”
或許正是這個原因，加之人工智能技術及其他技術在近年來的不斷提升，腦機接口也迎來了爆發。而這個富有未來感的、往往存在於科幻電影中的技術，正在一步步走進現實。或許，終極的腦機接口技術，將像小說《三體》中所形容的一樣，面壁者希恩斯發現了思想鋼印，即人類思維做出判斷的機制，成功研製出一種設備，通過對神經元網絡施加影響，使大腦不經思維就作出判斷，相信某個信息爲真。這種既能精確讀出，也能精確寫入，大概可以作爲腦機接口技術的理論終點。
儘管目前而言，腦機接口技術還完全沒有達到讀取和操控思維的水平，但是，隨着各國對這項技術越來越重視，相信腦機接口技術的爆發未來可期。
二、腦機接口正在成爲全球各國科技競爭的戰略高地
鑑於未來腦機接口技術對社會發展所能夠帶來的強大的推力，目前，腦機接口技術已經成爲了全球各國科技競爭的戰略高地。從整體看，美國和歐洲的腦機接口技術開展較早，日本和中國入局較晚。
美國：1989年率先提出全國性的腦科學計劃，並把本世紀最後10年命名爲“腦的10年”。白宮於2013年4月提出被認爲可與人類基因組計劃相媲美的“腦計劃” ，旨在探索人類大腦工作機制、繪製腦活動全圖、推動神經科學研究、針對目前無法治癒的大腦疾病開發新療法。美國政府公佈“腦計劃（US BRAIN Initiative）”啓動資金逾1億美元，後經調整，計劃未來12年間共投入45億美元。
值得注意的是，2018年11月，美國商務部工業安全署根據國會通過的《出口管制改革法案（Export Control Reform Act）》要求，出臺了一份針對最新的14大類的關鍵技術和相關產品的出口管制框架。而這14項被美國出口管制的技術當中就包括了“腦機接口技術”：(i) 神經控制界面；(ii) 意識-機器界面；(iii) 直接神經界面；(iv) 腦機接口。足以可見美國對於“腦機接口技術”的重視。
歐盟：1991年歐洲出臺“歐洲腦10年”計劃。2013年1月，歐盟委員會宣佈人腦工程入選“未來新興旗艦技術項目”，並設立專項研發計劃“人類大腦計劃（HBP）”，可在未來10年內(2013年至2023年)獲得10億歐元經費。該項目集合了來自不同領域的400多名研究人員。
日本：1996年，日本製定爲期20年的“腦科學時代”計劃，計劃每年投資1000億日元，總投資達到2萬億日元。2014年9月，日本科學省也宣佈了自己“腦計劃”的首席科學家和組織模式。日本“腦計劃”側重於醫學領域，主要是以狨猴大腦爲模型加快對人類大腦疾病如老年性癡呆和精神分裂症的研究。日本政府2015年關於“腦計劃”的預算約64億日元(約合6375萬美元)。
中國：“腦科學和類腦研究”已被列入“十三五”規劃綱要中的國家重大科技創新和工程項目。中科院於今年初成立包含20個院所80個精英實驗室的腦科學和智能技術卓越創新中心。對“中國腦計劃”，各領域科學家提出了“一體兩翼”的佈局建議：即以研究腦認知的神經原理爲“主體”，研發腦重大疾病診治新手段和腦機智能新技術爲“兩翼”。目標是在未來15年內，在腦科學、腦疾病早期診斷與干預、類腦智能器件三個前沿領域取得國際領先的成果。經粗略估算，我國對該領域的主要經費投入，從2010年的每年約3.48億，增長到2013年的每年近5億元人民幣。
三、現有腦機接口技術國內外企業現狀
腦機接口按電極所處的位置來劃分，可以分爲侵入式腦機接口和非侵入式腦機接口。其中侵入式腦機接口需要通過手術將信號採集探針放入顱內，從而採集腦電信號。長期放置探針具有很高的風險,一般主要用於癲癇患者和動物被試；非侵入式腦機接口是直接採集頭皮腦電，其所帶的信息比植入式所採集到的腦電信號所帶的信息量要少,分辨率也更低。但是因爲其是無創性的,所以便捷性和安全性更高。
目前，主流的消費級腦機接口研究主要運用非侵入式的腦電技術。下面，本文梳理了目前表現活躍的國內外相關企業：
國內重點企業
國外重點企業
從國內外主要玩家的研究成果對比可以發現，在技術實現方面，國內公司主要採取非侵入式，而國外公司主要採取侵入式。
對於非侵入式而言，儘管相對侵入式技術容易獲得分辨率更高的信號，但風險和成本依然很高。不過，隨着人才、資本的大量涌入，非侵入式腦電技術勢必將往小型化、便攜化、可穿戴化及簡單易用化方向發展。
而對於侵入式腦機接口技術，目前面臨着人體排異反應及顱骨向外傳輸信息會減損這兩大問題。如果未來這兩個問題能夠得以解決，再加上對於大腦神經元研究的深入，將有望實現對人的思維意識的實時準確識別。這一方面將有助於電腦更加了解人類大腦活動特徵，以指導電腦更好的模仿人腦；另一方面可以讓電腦更好的與人協同工作。
不過，由於目前技術和市場都還處在非常早期階段，市場規模尚不清晰，真正擁有競爭力的團隊需要具備複合背景。團隊應在腦機接口技術方面有至少十年以上的研究積累，在生物醫藥、工程方面的經驗也非常重要，還要具備軟硬件結合的能力，這樣才能夠在基於對人體、技術都瞭解的情況下開發產品；另外，在市場還處在初期階段的時候，企業要做好長期戰的準備。
四、腦機接口技術面臨的挑戰
腦機接口是一門複雜的交叉學科，這種交叉學科遇到兩個來自理論和工程方面的挑戰。
目前，理論研究都在努力解決兩個問題：第一，“從腦到機”，如何從大腦中獲取正確的信息？第二，“從機到腦”，如何將正確的信息發送到大腦？”當前任何一種腦機接口技術都需要使用者非常主動的配合，才能把一定程度的思維活動信息讀取出來，而至於思維活動信息的寫入更是加倍的難。這是因爲目前神經科學對於神經編碼的具體方式還處於未知狀態。由“從機到腦”對神經編碼知識的需求要遠大於“從腦到機”。
工程上的難度則在於：腦機接口行業涉及的機械動力學、神經科學、認知科學、信息工程等大量學科，需要大量各個行業的人才，不能有短板。此外，工程上更大的難度還包括成本控制，即能否通過合理的流程和工藝來降低成本實現商業化。
具體而言，腦機接口面臨的挑戰有以下幾點：
1、通信速度慢
腦機接口系統採集到腦電信後需要對其進行處理，然後才能轉換成機器語言而被電腦所接受，在腦機接口使用過程中時常需要多次刺激和反饋。受到種種原因的限制，腦機接口的通信速度還比較低。目前，基於P300的腦機接口最大信息轉換速度爲20-25bit/min,基於視覺誘發的腦機接口稍高，其通信速率也只有60- 100bit/min。這樣的信息轉換效率還達不到正常交流的水平。
2、信號識別精度低
目前人們尚未對大腦當中數百億的神經元的功能和機制擁有足夠的瞭解，腦機接口技術對於大腦信號的正確識別也受到了制約，而要想同時記錄越多數量的神經元，難度越大，這也使得腦機接口對於大腦信號的識別精度較低。
資料顯示，目前，基於自發腦電的腦機接口系統，對運動想象腦電信號進行的研究，2類思維任務的識別率約爲90%，3類任務得到其識別率在80%左右。對4類運動得到的識別率僅有70%左右。另外，在控制指令多時，識別率低的問題使得腦機接口系統在實際應用中受到了嚴重的限制。雖然以上對運動想象腦電信號的70-90%的識別率看上去還不錯，但是對於複雜的思維來說，差之毫釐便可能會失之千里。
3、適應性差
腦電信號採集過程中，夾雜着不少干擾成分，如肌信號干擾等，因此設計抗干擾能力強的腦電信號採集設備等問題有待解決；如何改善信號處理方法使之系統化、通用化，從而快速、精確、有效地設計出實用腦機接口系統的問題也有待研究。
4、便攜性差
目前腦機接口大多是基於PC平臺的，便攜性差。而基於前入式的腦機接口由於處理器處理速度較慢,所以信息傳輸率也更低。
總的來說，目前的腦機接口技術還是隻能實現一些並不複雜的對於腦電信號的讀取和轉換，從而實現對於計算機/機器人的簡單控制。要想實現直更爲複雜的精細化的交互和功能，實現所想即所得，甚至實現將思維與計算機的完美對接，實現通過“下載”能夠熟練的掌握新知識、新技能，而這還有很漫長的路要走。
另外需要注意的一個問題是，當人的大腦意識可以被準確的讀取，那麼則意味着大腦當中豐富的隱私數據將有可能會被泄露或竊取，隨着腦機接口技術的發展，未來無疑將需要提供足夠安全的措施來保障用戶的隱私數據安全。正如電影《黑客帝國》當中所描繪的那樣，未來侵入式的雙向交互腦機接口，雖然能夠爲我們帶來無限的可能，但如果沒有強有力的保護措施，也存在着被黑客攻擊的風險，而這種攻擊可能將是致命的。
和其他如人工智能、基因編輯、合成生物學等新興技術一樣，腦機接口技術也存在有可能對人和社會帶來巨大受益，同時又有可能帶來巨大風險，威脅到人類未來世代的健康以及人類的生存的可能性，會帶來一些新的倫理問題，這決定了“技術先行”或“幹了再說”的辦法，可能不再適用，而是應該“倫理先行”。不過，雖然目前腦機接口仍需面對技術、倫理、商業化的三大關卡，但可以肯定的是，只要懷着能夠讓漸凍症患者或全癱瘓者通過腦機接口實現與他人思想交流、行走運動的美好初衷，腦機接口技術所帶來的未來可能性將值得我們去期待。
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編輯：文婧
校對：林亦霖
