我國“十四五”規劃將腦科學列為重要的國家戰略性前沿科技與研究方向。在腦科學研究中，腦機接口是一個近年來快速發展的領域。這項技術簡單來說，就是通過獲取、解碼腦信號，將用戶的意圖指令傳輸到外部設備上，用于替代或補充人類的外周功能，比如說通過意念控制假肢、移動光標、甚至玩游戲等等。這項技術的成熟和應用，未來不僅可以幫助一些身體受限的患者大大提升生活質量，對于健康人來說也可能會發展出很多有趣的應用場景。
腦機接口！探秘腦科學未來的無限可能
戴上氣動手套，穩穩握住水杯，截癱15年的患者老楊實現了自主“腦控”喝水。去年12月，北京宣武醫院聯合清華大學團隊，成功實施了全球首例無線微創腦機接口臨床試驗。兩個月后，這套系統的第二例手術患者小白，學會了用意念控制光標移動、操控電動輪椅。腦機接口被稱為大腦與外界溝通交流的“信息高速公路”。人類大腦包含數百億個神經元，由許多像“天線”一樣的突起彼此連接，并通過電信號相互通訊，幫助我們產生記憶情緒、思維意識、運動指令。而腦機接口便是通過記錄和解碼這些微小的電流信號，來實現大腦與設備之間的信息交換。腦機接口為我們打開了人機共生的可能性。去年10月，殘疾人運動員通過非侵入式腦電設備控制的智能仿生手，點燃了亞殘運會的主火炬。我們甚至可以培育人工大腦去完成特定工作。一扇破解大腦奧秘的窗口正在開啟，無數的科幻場景也將加速走進現實。
全球首例血管內"腦機接口"取出試驗成功
腦機接口的研究發展正在開啟人機共生的新時代。近日南開大學在這一領域取得了全新進展，全球首例動物類介入式腦機接口傳感器血管內取出試驗獲得成功，這標志著介入式腦機接口技術的安全性有了重要提升。
這只正在運動的小羊，剛剛完成一例手術試驗，科研人員將它腦內血管里的介入式腦機接口成功取出，試驗驗證了這一取出方式的安全可靠。這是介入式腦機接口通向臨床驗證前的關鍵一步。
這個細小的網絲線圈就是導入血管的介入式腦機接口的支架體，它使用的是鎳合金等生物相容性材料。比頭發絲還細小的腦機電極可以固定在這個支架上，沿著血管導入在相應腦區的血管壁上，就可以采集到腦電信號了。
目前他們已經識別出來了羊在“臥”“站”“走”三種狀態下的腦電信號；同時，還完成了全球首例猴腦控機械臂的試驗。試驗中，猴子在四肢固定的情況下，僅靠運動皮層腦電信號，就實時控制機械臂完成抓取食物的任務。
南開大學醫學院副院長 段峰：我們之前做過非侵入式腦機，可以用腦電信號控制真車在路上行走，但由于人的頭皮出汗，電極松動等原因，會導致它的有效時間在三個小時之內。我們也做過侵入式腦機，但是老鼠的壽命就非常短，一般在半年左右。
而在血管中導入全新理念設計的腦機接口，獲取腦電信號的新方法則在安全性上另辟蹊徑。同時，腦電信號可以進行傳輸，使用起來也更為方便。
南開大學醫學院副院長 段峰：難度有兩部分，第一部分，我們要通過血管把微電極導入到相應的腦區，對電極的加工制造要求就非常高，要在微米級的；另一方面，我們要考慮到整個生物相容性，不能產生血栓，要讓支架電極和血管融為一體。
未來，介入式腦機接口將為肢體運動障礙患者提供一種非開顱的腦外科手術選擇，實現智能人機交互運動康復。
點“絲”成金 腦機植入無需“大開腦洞”
前面說的介入式腦機接口是把傳感器放入血管內，還有一種侵入式的腦機接口是把傳感器直接植入大腦內部，當然這種技術目前也存在著腦損傷等一系列風險，接下來的科研團隊，他們創新開發了另一種“微創”腦機電極植入技術，為侵入式腦機接口的發展帶來了新的可能。
這是全新的微創腦機接口，科研人員只需在小鼠顱骨上打開一個直徑不到0.5毫米的小孔，就可以將電極“絲滑”地插入到小鼠的大腦內部。這條極細的電極上密布了32個僅十幾微米大小的電極點位，每個點位對應小鼠大腦的一個神經元，可以收集并分析它的腦電信號和行為之間的關系。這種微創植入的秘密就藏在這根特殊的電極之上。
中國科學院上海微系統與信息技術研究所副所長 陶虎：這個柔性電極表面包裹一個可控降解的生物蛋白材料，使它本身包裹完以后的柔性電極，它的強度介于比較硬的血管和非常軟的腦組織之間。
總臺央視記者 張春玲：傳統的腦機接口技術所使用的電極，就像是我手上的硬質的鎢針，這塊豆腐就仿佛是我們的人腦組織。當我們把鎢針插入這塊豆腐的時候，難免會產生相應的損傷，而陶虎團隊創意地提出了一個柔性電極的方法。這個電極就仿佛是我手上的線，如果正常的插入人腦，它是很難的。于是他們創新性地使用了蠶絲蛋白，包裹住了這根線，讓它柔中帶剛。
電極表面的蛋白涂層，是可控降解的，在顱腦內恢復柔性后，可以正常工作。這種新型柔性電極不僅顯著降低了大腦損傷，而且排異反應小，可在體內長期穩定記錄腦電信號。此外，團隊還在采集芯片、解碼算法等方面進行了軟硬件的系列創新，實現了對動物行為、人類語言等復雜腦電信號的精準解碼。
中國科學院上海微系統與信息技術研究所副所長 陶虎：我們相信腦機接口它絕不僅僅是說把病人變成正常人，隨著多學科的交叉，隨著我們對大腦更多的認識，有可能我們可以把我們的視覺提高，我們的聽覺（提高），延長我們的生命，還有提高我們的耐力，腦機接口也是未來我們認為很有潛力的一個方向。
腦圖譜：破解大腦奧秘的"地圖"如何繪制?
腦機接口的基礎，是我們對大腦的深入了解和認知，近期，我國科研人員，在對腦的認知上取得了一些新進展，比如，繪制出越來越精準豐富的“腦”地圖，如何做到的呢？接下來我們就到北京腦科學與類腦研究中心去一探究竟。
這是我國科研團隊繪制的全球首張小鼠外周感覺神經元在全身的投射圖譜。在這個相互纏繞的網絡中，不同顏色線條代表小鼠不同神經元發出的神經線路，它們從大腦延伸至爪尖，構成了完整的連接路徑。在如此精密的水平上，看到單個神經元的完整形態，是全球首次。
北京腦科學與類腦研究中心高級研究員 趙瑚：在這兒展示的就是一個神經元它的形態，它的分辨率可以達到100納米以下。這是我們最新的技術看到的一些無與倫比的細節。
小鼠神經圖譜的研究對人類大腦研究具有重要價值。而要繪制出清晰的小鼠神經圖譜，卻是一個科研難題。科學家首先要讓小鼠復雜的肌肉、脂肪等組織“隱形”，只留下被標記出的神經脈絡。這個神奇的液體，就是科研團隊自主研發的一種新型組織透明液，用它包裹的小鼠樣本，經紫外光照射后，會變成一塊堅硬透明的樹脂，強度比原本組織提升了150倍以上。隨后，科研人員會將這個樣本切塊，再借助顯微鏡逐一成像，最終通過圖層疊加，構建出小鼠神經在體內的真實模樣。
北京腦科學與類腦研究中心高級研究員 趙瑚：以前的實驗室他們也想的是把樣本做透明了，我們的創新能夠讓樣本又透明又硬，進行任意的加工磨削，而不用擔心變形。
一個實驗材料的改變，帶來了神經圖譜成像領域的重大進展。目前，團隊正在研發新一代、高速高穩定性的全身神經連接圖譜成像自動化平臺，一系列前沿探索，為加速產業應用提供更多支撐。在產業端，這款全球首創，可以由意識控制的智能仿生手，通過采集手臂上微弱的神經電信號，就能實現對每根手指運動的精確控制。不需要開顱手術，就能讓截肢的殘障人士彈奏音樂，寫出書法，甚至飛檐走壁，挑戰極限。
強腦科技合伙人兼高級副總裁 何熙昱錦：我們的智能仿生手，我們也是在2020年底的時候就達到了量產。前期其實我們做了很多技術上的攻堅，后面我們還要做分析，建相應的模型。產業化道路雖然是非常艱難的，但我們覺得是非常必要的。
無限可能！腦機接口會給生活帶來哪些改變？
隨著技術的成熟，和政策不斷推動，我國的腦科學研究成果正在從實驗室加速邁向產業化。
北京今年4月發布了相關產業發展行動方案，提出到2026年，培育多家龍頭企業；2030年，培育百家中小企業，形成產業發展集聚區。
而上海在2018年就成立了“腦科學與類腦研究中心”，明確將腦科學與類腦智能列為戰略領域重點布局。
深圳目前也已聚集了近百家腦科學與類腦智能產業領域重點企業，預計2025年相關產業規模可達40億元。
專家介紹，未來腦機接口技術應用廣泛，除了之前提到的在醫學領域可幫助身體受限的病患提高生活質量，在工業領域，可以幫助工人更有效、更安全地控制機器設備；在藝術和娛樂領域，可以在交互式藝術品、視頻游戲和虛擬現實環境中有著無數應用場景，讓人更加身臨其境……我們也期待未來腦機接口的發展可以給日常生活帶來更多可能。
我國“十四五”規劃將腦科學列為重要的國家戰略性前沿科技與研究方向。在腦科學研究中，腦機接口是一個近年來快速發展的領域。這項技術簡單來說，就是通過獲取、解碼腦信號，將用戶的意圖指令傳輸到外部設備上，用于替代或補充人類的外周功能，比如說通過意念控制假肢、移動光標、甚至玩游戲等等。這項技術的成熟和應用，未來不僅可以幫助一些身體受限的患者大大提升生活質量，對于健康人來說也可能會發展出很多有趣的應用場景。
腦機接口！探秘腦科學未來的無限可能
戴上氣動手套，穩穩握住水杯，截癱15年的患者老楊實現了自主“腦控”喝水。去年12月，北京宣武醫院聯合清華大學團隊，成功實施了全球首例無線微創腦機接口臨床試驗。兩個月后，這套系統的第二例手術患者小白，學會了用意念控制光標移動、操控電動輪椅。腦機接口被稱為大腦與外界溝通交流的“信息高速公路”。人類大腦包含數百億個神經元，由許多像“天線”一樣的突起彼此連接，并通過電信號相互通訊，幫助我們產生記憶情緒、思維意識、運動指令。而腦機接口便是通過記錄和解碼這些微小的電流信號，來實現大腦與設備之間的信息交換。腦機接口為我們打開了人機共生的可能性。去年10月，殘疾人運動員通過非侵入式腦電設備控制的智能仿生手，點燃了亞殘運會的主火炬。我們甚至可以培育人工大腦去完成特定工作。一扇破解大腦奧秘的窗口正在開啟，無數的科幻場景也將加速走進現實。
全球首例血管內"腦機接口"取出試驗成功
腦機接口的研究發展正在開啟人機共生的新時代。近日南開大學在這一領域取得了全新進展，全球首例動物類介入式腦機接口傳感器血管內取出試驗獲得成功，這標志著介入式腦機接口技術的安全性有了重要提升。
這只正在運動的小羊，剛剛完成一例手術試驗，科研人員將它腦內血管里的介入式腦機接口成功取出，試驗驗證了這一取出方式的安全可靠。這是介入式腦機接口通向臨床驗證前的關鍵一步。
這個細小的網絲線圈就是導入血管的介入式腦機接口的支架體，它使用的是鎳合金等生物相容性材料。比頭發絲還細小的腦機電極可以固定在這個支架上，沿著血管導入在相應腦區的血管壁上，就可以采集到腦電信號了。
目前他們已經識別出來了羊在“臥”“站”“走”三種狀態下的腦電信號；同時，還完成了全球首例猴腦控機械臂的試驗。試驗中，猴子在四肢固定的情況下，僅靠運動皮層腦電信號，就實時控制機械臂完成抓取食物的任務。
南開大學醫學院副院長 段峰：我們之前做過非侵入式腦機，可以用腦電信號控制真車在路上行走，但由于人的頭皮出汗，電極松動等原因，會導致它的有效時間在三個小時之內。我們也做過侵入式腦機，但是老鼠的壽命就非常短，一般在半年左右。
而在血管中導入全新理念設計的腦機接口，獲取腦電信號的新方法則在安全性上另辟蹊徑。同時，腦電信號可以進行傳輸，使用起來也更為方便。
南開大學醫學院副院長 段峰：難度有兩部分，第一部分，我們要通過血管把微電極導入到相應的腦區，對電極的加工制造要求就非常高，要在微米級的；另一方面，我們要考慮到整個生物相容性，不能產生血栓，要讓支架電極和血管融為一體。
未來，介入式腦機接口將為肢體運動障礙患者提供一種非開顱的腦外科手術選擇，實現智能人機交互運動康復。
點“絲”成金 腦機植入無需“大開腦洞”
前面說的介入式腦機接口是把傳感器放入血管內，還有一種侵入式的腦機接口是把傳感器直接植入大腦內部，當然這種技術目前也存在著腦損傷等一系列風險，接下來的科研團隊，他們創新開發了另一種“微創”腦機電極植入技術，為侵入式腦機接口的發展帶來了新的可能。
這是全新的微創腦機接口，科研人員只需在小鼠顱骨上打開一個直徑不到0.5毫米的小孔，就可以將電極“絲滑”地插入到小鼠的大腦內部。這條極細的電極上密布了32個僅十幾微米大小的電極點位，每個點位對應小鼠大腦的一個神經元，可以收集并分析它的腦電信號和行為之間的關系。這種微創植入的秘密就藏在這根特殊的電極之上。
中國科學院上海微系統與信息技術研究所副所長 陶虎：這個柔性電極表面包裹一個可控降解的生物蛋白材料，使它本身包裹完以后的柔性電極，它的強度介于比較硬的血管和非常軟的腦組織之間。
總臺央視記者 張春玲：傳統的腦機接口技術所使用的電極，就像是我手上的硬質的鎢針，這塊豆腐就仿佛是我們的人腦組織。當我們把鎢針插入這塊豆腐的時候，難免會產生相應的損傷，而陶虎團隊創意地提出了一個柔性電極的方法。這個電極就仿佛是我手上的線，如果正常的插入人腦，它是很難的。于是他們創新性地使用了蠶絲蛋白，包裹住了這根線，讓它柔中帶剛。
電極表面的蛋白涂層，是可控降解的，在顱腦內恢復柔性后，可以正常工作。這種新型柔性電極不僅顯著降低了大腦損傷，而且排異反應小，可在體內長期穩定記錄腦電信號。此外，團隊還在采集芯片、解碼算法等方面進行了軟硬件的系列創新，實現了對動物行為、人類語言等復雜腦電信號的精準解碼。
中國科學院上海微系統與信息技術研究所副所長 陶虎：我們相信腦機接口它絕不僅僅是說把病人變成正常人，隨著多學科的交叉，隨著我們對大腦更多的認識，有可能我們可以把我們的視覺提高，我們的聽覺（提高），延長我們的生命，還有提高我們的耐力，腦機接口也是未來我們認為很有潛力的一個方向。
腦圖譜：破解大腦奧秘的"地圖"如何繪制?
腦機接口的基礎，是我們對大腦的深入了解和認知，近期，我國科研人員，在對腦的認知上取得了一些新進展，比如，繪制出越來越精準豐富的“腦”地圖，如何做到的呢？接下來我們就到北京腦科學與類腦研究中心去一探究竟。
這是我國科研團隊繪制的全球首張小鼠外周感覺神經元在全身的投射圖譜。在這個相互纏繞的網絡中，不同顏色線條代表小鼠不同神經元發出的神經線路，它們從大腦延伸至爪尖，構成了完整的連接路徑。在如此精密的水平上，看到單個神經元的完整形態，是全球首次。
北京腦科學與類腦研究中心高級研究員 趙瑚：在這兒展示的就是一個神經元它的形態，它的分辨率可以達到100納米以下。這是我們最新的技術看到的一些無與倫比的細節。
小鼠神經圖譜的研究對人類大腦研究具有重要價值。而要繪制出清晰的小鼠神經圖譜，卻是一個科研難題。科學家首先要讓小鼠復雜的肌肉、脂肪等組織“隱形”，只留下被標記出的神經脈絡。這個神奇的液體，就是科研團隊自主研發的一種新型組織透明液，用它包裹的小鼠樣本，經紫外光照射后，會變成一塊堅硬透明的樹脂，強度比原本組織提升了150倍以上。隨后，科研人員會將這個樣本切塊，再借助顯微鏡逐一成像，最終通過圖層疊加，構建出小鼠神經在體內的真實模樣。
北京腦科學與類腦研究中心高級研究員 趙瑚：以前的實驗室他們也想的是把樣本做透明了，我們的創新能夠讓樣本又透明又硬，進行任意的加工磨削，而不用擔心變形。
一個實驗材料的改變，帶來了神經圖譜成像領域的重大進展。目前，團隊正在研發新一代、高速高穩定性的全身神經連接圖譜成像自動化平臺，一系列前沿探索，為加速產業應用提供更多支撐。在產業端，這款全球首創，可以由意識控制的智能仿生手，通過采集手臂上微弱的神經電信號，就能實現對每根手指運動的精確控制。不需要開顱手術，就能讓截肢的殘障人士彈奏音樂，寫出書法，甚至飛檐走壁，挑戰極限。
強腦科技合伙人兼高級副總裁 何熙昱錦：我們的智能仿生手，我們也是在2020年底的時候就達到了量產。前期其實我們做了很多技術上的攻堅，后面我們還要做分析，建相應的模型。產業化道路雖然是非常艱難的，但我們覺得是非常必要的。
無限可能！腦機接口會給生活帶來哪些改變？
隨著技術的成熟，和政策不斷推動，我國的腦科學研究成果正在從實驗室加速邁向產業化。
北京今年4月發布了相關產業發展行動方案，提出到2026年，培育多家龍頭企業；2030年，培育百家中小企業，形成產業發展集聚區。
而上海在2018年就成立了“腦科學與類腦研究中心”，明確將腦科學與類腦智能列為戰略領域重點布局。
深圳目前也已聚集了近百家腦科學與類腦智能產業領域重點企業，預計2025年相關產業規模可達40億元。
專家介紹，未來腦機接口技術應用廣泛，除了之前提到的在醫學領域可幫助身體受限的病患提高生活質量，在工業領域，可以幫助工人更有效、更安全地控制機器設備；在藝術和娛樂領域，可以在交互式藝術品、視頻游戲和虛擬現實環境中有著無數應用場景，讓人更加身臨其境……我們也期待未來腦機接口的發展可以給日常生活帶來更多可能。
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