全球首例！ 國產腦機接口讓猴子通過意念取食

這不是電影場景：5月4日，北京。雙手被綁住的猴子，想吃食物時產生伸手的沖動，于是通過意念（腦電信號）操縱機械臂運動，成功把食物送到了自己嘴里。 這是南開大學段峰教授領銜的團隊進行的試驗，他們完成了全球首例非人靈長類動物（猴）“介入式腦機接口試驗”。 段峰團隊這一試驗，并不需要像馬斯克的Neuralink公司那樣在猴子腦袋上打洞，而是使用醫療領域成熟的神經介入技術，安全性相對較高。 介入式腦機接口技術到底有多厲害呢？段峰接受《每日經濟新聞》記者（以下簡稱每經記者)采訪時，將其稱為突破國外技術封鎖、實現“降維打擊”的一步。 領先于馬斯克旗下Neuralink公司的Synchron公司，也是采用的與段峰團隊類似的介入式技術。在獲美國食品藥品監督管理局（FDA）批準人體試驗前，Synchron已經在澳大利亞進行了測試，四名受試者通過意念成功發出了文字信息，無需打字過程。而Neuralink公司至今尚未獲得FDA人體試驗批準。 Neuralink公司的侵入式技術，需要在猴子腦袋上鉆一個洞，并將電極插入其大腦皮層內部，然后將大腦和一臺外界設備連接起來。雖然Neuralink公司最終使猴子們借助“意念”在電腦上玩游戲或者打字，但遺憾的是，23個試驗猴過半已死亡，Neuralink因涉及違反《動物福利法》被調查。 試想，如果將Neuralink公司這種技術應用到人身上，即使不用寒窗苦讀就可以向大腦內灌輸任何知識，甚至可將自己的思想/記憶儲存在云盤里實現“意識永生”，但你愿意在腦袋上鉆一個洞嗎？ 據中國電子技術標準化研究院公布的《腦機接口標準化白皮書2021》（以下簡稱《白皮書》）預測顯示，腦機接口技術（BrainComputerInterface，BCI）潛在市場很快將達數百億元。 技術競速早已拉開序幕。段峰告訴每經記者，腦機接口已經可以應用在醫療、教育領域，未來也有可能應用在軍事甚至外太空等領域。 歐盟、美國、日本耗費大量人力、物力、財力開展腦機接口技術研究與應用。美國國防高級研究計劃局（DARPA）還砸巨資打造“超級士兵”提升控制思想的能力（開展了以控制神經元增強士兵認知和決策能力為目的下一代無外科手術神經技術項目）。目前，腦機接口在軍事上的應用已占全球腦機接口總應用的25%。 相對于美國來說，中國從事腦機接口方面的研究起步較晚，現有產學研聯動運轉仍需更大的推力。 “企業家和科學家的思維方式是不一樣的，在科研經費的支持下，科學家更愿意去做領先十幾年、甚至幾十年的科研，以實現個人學術成果或國家戰略課題；但從商業維度和投資邏輯來看，我們會更看好從市場需求出發，且能在短中期實現商業閉環驗證的項目。”中甬投創始合伙人、簡約商業思維主理人朱天博對每經記者表示。 不用腦袋鉆孔！國產腦機接口讓猴子通過意念取食 街頭賣藝的殘疾人可以用機械臂自如地彈吉他，只有大腦保存完好的女主角阿麗塔，在安裝了機械肢體后幸運重生，并且在新的生活與戰斗中找回失去的記憶——這是科幻電影大師詹姆斯·卡梅隆在電影《阿麗塔》中對26世紀的想象。 然而，名為“腦機接口”的未來式產品，已經出現在當下現實世界中。 如果將腦機接口看成是一條建立在人腦和外界設備間的橋梁，那么，這條橋梁上行駛的不是汽車，而是電流——當人類思考時，大腦皮層中的神經元會產生微電流，腦機接口技術可直接提取這些電信號來控制外部設備。 據段峰教授介紹，腦機接口的發展，從德國精神科醫生HansBerger發現α波、β波腦電波算起，已經接近百年。直到2004年之后，此前發現的各種腦電信號才開始被應用推廣。 從標志性事件看，將腦機接口從科學論證階段帶領到應用實驗階段的是2004年，元老級BCI企業BrainGate實現了用侵入式腦機接口治療癱瘓患者，而這位癱瘓患者于2014年借助腦機接口，用意念控制機械外骨骼，完成巴西世界杯開球；而令侵入式腦機接口聲名大噪的是自2020年起，馬斯克的Neuralink公司給豬、猴子植入腦芯片，用猴子的“意念”來控制機械臂。 但段峰的兩次試驗沒有采用侵入式腦機接口，也沒有走向它的反面——非侵入式腦機接口。據段峰介紹，侵入式以Neuralink公司為代表，獲取腦電信號精度最高，需要通過鉆透顱骨植入芯片；第二種為非侵入式，隔著頭皮采集腦電信號。 本輪試驗前，段峰曾從事過侵入式和非侵入式腦機接口的研究，其中侵入式腦機接口試驗用于控制老鼠的行為，非侵入式腦機接口用于控制輪椅、汽車。 經過一系列研究，段峰發現這兩種技術各有不足之處：侵入式腦機接口對試驗者的傷害很大，安全性難以保障，容易“為了解決一個小問題引來更大的問題”；非侵入式腦機接口采集信號的準確性和長期識別的穩定性有待提高，而考慮到頭皮表面腦電信號的客觀干擾過于復雜，技術壁壘短期內難以突破。 最終，段峰選擇與神經介入器械公司心瑋醫療聯手，共同研發介入式腦機接口。該類腦機接口涉及到的關鍵器件是前端的腦電信號采集傳感器（在支架上放置電極）和后端的信號放大器。 從操作看，介入式腦機接口不需要對試驗者開顱并切除大塊頭骨，但沒有完全回避外科手術，需要在試驗者頸靜脈刺個小口，通過頸靜脈導管，將裝有傳感器的支架送入位于大腦運動皮層腦區的血管。當導管被移除時，支架在血管壁內擴張，貼近血管內壁，從而采集腦電信號。 隨后，段峰的團隊對采集到的腦電信號進行濾波、降噪等處理后，將該信號導入電腦并進行解析，識別到運動意圖后，電腦會發送控制命令給機械臂，從而操縱機械臂運動——把食物送到猴子的嘴邊。由于猴子的手被綁住了，所以當它想吃食物時會產生伸手的沖動，從而繼續產生腦電信號操縱機械臂的運動，一次次強化訓練。 對比來看，采集信號的準確性和穩定性介于侵入式和非侵入式腦機接口之間，由于使用的是醫療領域成熟的神經介入技術，安全性也相對較高。 段峰告訴每經記者，本輪試驗的準備起于2020年，整體規劃分為三個階段：“第一階段是去年6月完成的國內首例介入式腦機接口動物（羊）試驗，驗證傳感器的有效性、安全性，研發“介入式腦機接口”這一新器件；第二階段是剛剛完成的全球首例介入式腦機接口非人靈長類動物（猴）試驗，驗證“介入式腦電信號解析”這一新技術，實現主動意圖識別對機械臂的控制；第三階段是開展人體試驗，實現“人機協同介入式腦機康復系統構建”這一新應用?！? 盡管前兩個試驗的進展順利，但三個階段試驗的難度逐級增加，尤其是從動物試驗拓展到人體試驗，需要更多支持。 “從技術上來說（人體試驗）肯定很近了，但需要找到更好的合作平臺，通過人體試驗的倫理審批，募集受試者。”段峰解釋稱，第一個試驗和第二個試驗分別由宣武醫院和301醫院（中國人民解放軍總醫院）兩家不同的醫院醫生操作，也主要是出于試驗動物獲取和倫理審批通過的考慮。后續團隊還需要繼續監測試驗羊和試驗猴的各項生理指標，以評價試驗的有效性和安全性。 “我希望在半年之內（完成人體試驗前的工作），但倫理審批各項工作進展的不確定性比較大?！倍畏逭f。 5月4日試驗的參與方有301醫院、心瑋醫療（HK06609，股價40.80港元，市值15.84億港元），實現了介入式腦機接口腦控機械臂。當日，心瑋醫療首席財務官張涵對《每日經濟新聞》記者表示，基于現有神經介入器械設計的介入式腦機接口距離直接用于人體臨床和產業化，仍然有很多工作要做。公司已啟動臨床試驗的血管介入機器人系統，并非此次試驗中用到的產品，血管介入機器人系統主要用于介入手術中的器械控制和操作。 “南開大學段峰教授團隊在腦電信號采集、解碼以及機器人控制方面有比較多的積累，而公司的機器人研發團隊能夠為教授的工作提供支持和配合。”張涵說。 首款產品上市！領先的不是馬斯克的公司 在國內介入式腦機接口試驗成功的前一個月，《自然》雜志刊登了一篇來自瑞士洛桑聯邦理工學院研究人員的研究，該研究讓一只老鼠觀看了一部上世紀60年代的黑白老電影，并用一種新型AI工具重建了老鼠所看到的畫面，甚至以高達95%的準確率預測下一個畫面。而這只是各國爭先探索腦機接口技術及應用的一個定格。 根據中國電子技術標準化研究院公布的《腦機接口標準化白皮書2021》，歐盟、美國、日本耗費大量人力、物力、財力開展腦機接口技術研究與應用；Facebook、谷歌、微軟、Neuralink等科技巨頭公司，在非侵入式“腦機語音文本界面”技術、人腦記憶功能、神經假體等腦機接口細分領域投入超3億美元；DARPA（美國國防高級研究計劃局）還開展了以控制神經元增強士兵認知和決策能力為目的的下一代無外科手術神經技術項目。目前，腦機接口在軍事上的應用已占全球腦機接口總應用的25%。 但值得注意的是，世界主要科技大國在腦機接口領域加速設立技術壁壘，限制腦機接口技術對外出口。比如，美國商務部2018年發布《出口管制改革法案》，禁止包括腦機接口技術在內的14項技術對我國輸出。 即便在起步最早、競爭最為激烈的美國，目前尚無一款BCI設備獲得美國食品藥品監督管理局（FDA）的上市批準。幾家公司正在爭奪這個市場第一的名號。 由于馬斯克自帶流量的屬性，Neuralink公司或許是普通人最熟悉的腦機接口企業名字。在馬斯克描繪的圖景中，Neuralink的技術將使盲人復明、癱瘓人士重新行走，最終有一天讓人類變成半機器人的賽博格（cyborg），抵御AI機器人的威脅。 在宏大的遠景背后，Neuralink近來頻遭挫折，研發進度遠非行業領先。Neuralink最近一次公開研究進展是在2022年11月底，當時馬斯克播放了一段腦內植入芯片的猴子玩電腦游戲的視頻內容，但實際上這一成果早在一年多以前就已經發布過了。馬斯克當時還聲稱，Neuralink有望在6個月內獲得FDA的人體試驗批準，但目前五個多月已經過去，批準尚無消息。 據路透社2023年3月報道，自2019年以來，馬斯克至少四次聲稱馬上就會獲得FDA的人體試驗批準，但實際上，FDA已經在2022年拒絕過一次申請（此前未被外界知曉）。FDA認為，Neuralink采取的侵入式方法有太多安全隱患，如：植入設備里鋰電池帶來的電流失控問題、設備線路移動至大腦其他部位的風險，以及能否安全取出設備的問題。 據悉，被拒絕后，Neuralink一直在努力回應FDA的質疑，但數名FDA工作人員認為，Neuralink不大可能快速解決上述隱患，這意味著馬斯克的承諾大概率又要“跳票”。 目前在科研進度上領先Neuralink的是Synchron。這家紐約初創公司使用的技術和南開大學段峰團隊類似，都是采用介入的方式（有時也被稱作“半侵入式”）從血管植入支架。Synchron于2021年7月獲得FDA的人體試驗批準，2023年3月開始招募首批6名受試者進行安全性測試。 Synchron的目標是利用植入設備幫助嚴重癱瘓的患者通過意念操控數碼設備。在獲FDA批準前，Synchron已經在澳大利亞進行了測試，四名受試者通過意念成功發出了文字信息，無需打字過程： 2021年12月，澳大利亞漸凍癥患者PhilipO’Keefe在植入了Synchron的設備20個月以后，發出了全世界第一條用意念生成的推文：“Hello，世界！短推文。巨大的進步?！? 2023年1月，醫學雜志JAMANeurology發布了同行評議論文，證實澳大利亞試驗中的Synchron設備在12個月的時間內未出現安全風險，信號質量和表現也沒有下滑。 2022年年底，Synchron宣布7500萬美元C輪融資超額認購，投資方包括亞馬遜創始人貝索斯和比爾·蓋茨旗下的投資基金。前中國首富、盛大集團創始人陳天橋因受驚恐發作折磨而轉型腦科學研究資助人的故事廣為人知，而他旗下的基金已在2021年B輪融資中投資了Synchron。 外界認為，Synchron有望成為第一個將腦機接口設備商業化的公司，但BlackrockNeurotech也是這個“第一”的有力爭奪者。這家脫胎于猶他大學的公司在植入“猶他電極”采集神經元信號的實驗上已經有近20年歷史，其設備可以幫助癱瘓人士控制數碼設備、假肢和自己的四肢。2016年，癱瘓男子NathanCopeland在植入了BlackrockNeurotech的設備后，利用意念控制的機械手臂和美國總統奧巴馬“握手”，一時成為新聞頭條。 2021年，BlackrockNeurotech的MoveAgainBCI設備獲得了FDA的“突破性設備”認證，為加速開發和審批打開了綠色通道。2022年，Blackrock和匹茲堡大學共同開發一款便攜式BCI設備，受試者在家即可參與試驗，公司稱這是離商業化應用的最后關鍵一步。 該公司曾在不同場合表示，將在2022年年底或2023年年初推出全球第一個商業化BCI設備，但目前尚未兌現。 如何趕超國外？國內可更快將產品推向臨床 盡管《白皮書》顯示全球腦機接口技術發展已進入第三階段“技術和產業爆發期”，但需要承認的是，目前腦機接口技術正在起跑線上，“意識上傳”“記憶復制”等科幻場景還難以照進現實。 現階段，腦機接口能承接的最大期待，是解決人類的腦疾病相關問題，比如孤獨癥、多動癥、抑郁癥、阿爾茲海默癥等。 段峰告訴每經記者，腦機接口已經可以應用在醫療、教育領域，未來也有可能應用在軍事甚至外太空等領域。在看得見的未來，醫療領域肯定是最優先的應用領域，其中受眾群體最多的是腦卒中患者——他們在接受取栓手術救治后，可以使用介入式腦機接口用“意念”控制康復機器人運動，將從前由器械帶動肢體的被動康復訓練，轉變為基于人自身意識的主動康復訓練。 而非侵入式腦機接口走得更快些。根據《白皮書》，2019年全球腦機接口市場規模達11.9億美元，其中非侵入式腦機接口市場規模達10.25億美元，換言之，目前最容易產業化的是被詬病“采集信號不夠準確”并且看起來不夠炫酷的非侵入式腦機接口。 5月9日，華興新經濟基金醫療科技組執行董事羅璽博士對《每日經濟新聞》記者表示，腦機接口的侵入程度與成熟度以及商業化時間呈反向相關，侵入程度越高，其實它的成熟度越低，距離商業化的時間可能需要越長。但侵入程度與腦機未來的發展潛力正相關。 從產品的研發成本角度來看，侵入式＞介入式＞非侵入式；如果涉及到產品未來的市場競爭，其主要決定因素除了產品本身的技術門檻，還可能有臨床本身的監管門檻，以及產品是否在患者當中有剛需性等，那么非侵入式的商業推廣成本可能大于侵入式和介入式，而侵入式和介入式的推廣成本會比較接近。 記者注意到，目前全球范圍內融資超過2億美元的腦機接口企業有兩家，一家是馬斯克創辦的Neuralink，另一家是BrainCo強腦科技，后者是一家在哈佛由中國團隊創立的非侵入式腦機接口技術解決方案供應商。 5月9日，BrainCo強腦科技高級副總裁何熙昱錦接受《每日經濟新聞》記者采訪時表示，雖然侵入式腦機接口和介入式腦機接口采集腦電信號的精準度更高，但他們都需要進行外科手術，有一定風險；非侵入式腦機接口只需要通過穿戴相關設備，就能直接對大腦皮層的表面信號進行采集和處理。非侵入式腦機接口可以通過算法和材料學的突破和不斷優化，來提升其信號采集精準度，“在短期內具有更大的商用價值，應用場景也更豐富”。 從進展上看，2017年BrainCo強腦科技研發的新式電極材料——固體凝膠電極實現量產，攻克了腦電信號難以大規模精準采集的難點，使便攜式腦電設備的單電極精確度達到專業級水平。公司研發的殘疾人康復輔具智能仿生手（一款融合腦機接口技術與人工智能算法的康復輔具）于2022年拿到了美國FDA認證。 “腦機接口技術和產業過去100年的發展，主要由世界非常頂級的十幾家實驗室驅動，同時，從事該領域研究的頂尖人才也少之又少，是需要經過嚴格訓練的‘特種兵’一樣的存在。”何熙昱錦說，從腦機接口實驗室出來的人做公司，除了一部分是為科研服務，大多數公司主要還是關注產業化，例如BrainCo除了神經肢體重建和腦疾病康復，也在大力研究未來人機交互。 目前，整個產業界對侵入式腦機接口的展望，是以后的開顱手術變得“優雅”，比如一個小時就能完成開顱，把硬幣大小的芯片植入大腦中，馬上就可以進行正常的生活，而不用在頭頂上“戴”一個笨重裝置或者腦袋上拖著線的科學怪人。 何熙昱錦認為，馬斯克在2021年發布的猴子靠“意念”玩游戲的試驗就朝這一目標走近了，試驗中的腦電信號解碼也提高了未來人類通過腦機接口技術實現無損溝通的可能。而對于國內非人靈長類動物介入式腦機接口試驗的成功，其帶來的深遠影響可能與Neuralink是一樣的： “它極大促進了介入式腦機接口從實驗室向臨床應用的轉化，能夠加快推動腦機接口產業進程，甚至進一步促進整個醫療產業的升級。而且也證明了中國的腦機接口技術在國際上的水平已經走在前列，未來在腦疾病干預領域擁有廣闊的市場前景?！焙挝蹶佩\說。 羅璽也認為，這次試驗是國內腦機接口領域實現的一個大進步?！拔覀兡壳叭〉玫撵`長類動物上的進展，說明我們和海外在這個領域的差距已經縮小到數年內，同時，這次試驗也幫助未來國內其他侵入式腦機接口設備探索了臨床試驗的路徑。” 羅璽表示，從總體上來看，國外腦機接口技術的研究角度比國內更加領先，能夠有一些從0到1的技術突破，但國內的優勢更多地體現在從1到10，即國內企業比較善于借鑒海外的創新理念，將產品進行更好的改良和工程化的實現，并且更快地將產品推向臨床?！爸皇侨绻覀兿胍s超，并最終引領行業趨勢的話，最核心的一點還必須是加大對基礎科學研究的投入?！? 將火過ChatGPT?腦機接口產業化仍面臨諸多挑戰 何熙昱錦認為，腦機接口在產業化的過程中面臨著非常多的挑戰，比如價格、良品率、穩定性等方面的問題。此外，在人才的培養和儲備方面，也需要更多投入和重視。中國開始從事腦機接口方面的研究，相對于美國來說起步較晚，但值得一提的是，我國“十四五”規劃第一次將腦機技術明確寫入需要攻關的重點技術品類中，并明確了腦機融合是腦機技術的關鍵。因此，中國腦機接口企業目前擁有非常好的發展環境。 羅璽指出，腦機接口企業不只是簡單地堆砌“高精尖”“高指標”的子系統或者部件，而是能夠深入理解腦機在不同應用場景的性能需求，對應適配最適合或者夠用的器件，使得腦機設備達到功能性、實用性以及便捷性上的平衡，從而能真正在現實生活中有用武之地。同時，企業最好也具有掌握腦機設備的核心器件和原材料的能力，這些對企業本身的能力要求都非常高。 以植入式腦機接口為例，其從首次應用到臨床，至現在已經過去了15年，但截至目前還沒有真正大規模地應用到臨床上。 對此，智冉醫療聯合創始人兼CEO宋麒博士在第三屆紅杉全球醫療健康產業峰會上表示，從試驗到臨床主要有兩個問題：一是目前腦機接口大概一百個通道左右，能夠轉換的信息相對有限；二是現在臨床上使用的剛性電極生物力學性能跟大腦組織有比較大的差異，不僅在植入過程中容易對大腦產生損傷，而且剛性材料植入以后會和大腦軟組織發生相對的運動，容易引起大腦組織免疫炎癥反應，使得植入以后電極在幾個月甚至在幾周以后會失效，很大程度上限制了目前腦機接口的應用。 “整個腦機接口系統是一個復雜的體系，除了柔性電極負責信號的采集和信號調控以外，我們在信號處理、信號解碼，包括外部設計，都需要進行相應的研發工作。”宋麒表示。 段峰也表示，科研成果到產業的轉化也并不容易，其中一大難題在于多學科融合。 馬斯克曾表示腦機接口試驗的最大難點在于工程學，但段峰認為不止于此。 “腦機接口之難不在于單一學科，而是一個綜合學科——有醫學、材料學，也有通信學、智能處理，甚至于發展到一定階段，心理學、行為學、倫理學也很重要。”段峰說，腦機接口非常綜合，未來將掀起產業界顛覆的峰值，可能遠比ChatGPT還要火，但也更難實現。 羅璽則指出，腦機接口的產業化有兩大關鍵，一是要加大基礎科學的研究，對于腦的功能有更深入的認知，二是加速學術成果向產業界的轉化，比如提高學術研究專利向產業轉化比例。 對此，段峰規劃出了創新鏈和產業鏈雙循環戰略，即由實驗室引進、吸收前沿技術，與企業合作孵化先進成果，把科研成果轉變成產品，通過國產替代降低產品價格。產品從三甲醫院下沉，輻射到基層醫院或社區衛生所，實現普惠后，可以得到大量臨床數據，反過來可以幫助科研團隊研發更加前沿的技術，助力學校加強學科建設，培養專業的人員團隊繼續為產業儲備新的科研成果。 “有時候技術是技術，產品是產品。一個很大的問題是怎么利用技術解決一批用戶的痛點，只有定位清晰、戰略準確，才能真正讓企業存活下來。而在這個過程中，資金也好，人員團隊也好，包括市場的孵化，產品取證等，也是綜合的事情?！倍畏灞硎?，由于腦機接口的研發投入非常大，大多數企業很難獲得風投，未來還需要政府引導資金介入。 何熙昱錦也承認，所有的軟硬件、算法開發需要大量的資金投入。雖然腦機接口技術引起全球關注，但真正下決心并全力投入研發的公司并不多。 5月6日，中甬投創始合伙人、簡約商業思維主理人朱天博接受《每日經濟新聞》記者采訪時表示，對于腦機接口這類硬科技投資，種子和天使基金周期約為7~10年，能接納的最長時間也不會超過12年。因此投資者多會優先選擇有明確商業應用場景、技術相對成熟、代表未來主流技術方向的項目。分階段看，腦機接口系統中的信號采集、信號處理、計算機或其他設備、反饋環節的投資機會會依次順延，并在不同的時點分別趨于成熟，直到實現ToB或ToC的商業應用。 據朱天博觀察，目前很多腦機接口項目還處于實驗室中，構造相對復雜和笨重。目前主要應用在醫療大健康和軍工特種行業，規模小且成本高，商業價值體現或解決痛點問題的能力低，更多作為輔助解決方案出現，“從總體上來看，腦機接口是一項跨學科的技術，涉及神經科學、機器學習、生物醫學工程和心理學等多個學科，能夠在腦機接口領域真正看得懂、看得深、看得遠，找得到值得投資的標的項目（的投資機構）還是比較少?！?