摘要：脑机接口（BCI）已从曾经的科学幻想和前沿探索，逐步演变为一项具有深远潜力的技术革新。从早期的基础研究，到如今在医疗、科研等领域的初步应用，脑机接口正以其独特的魅力，吸引着全球科研人员和产业界的目光。它的影响力不仅局限于实验室，更在悄然改变着我们对人类大脑与机

陶虎 · 中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员

脑机接口（BCI）已从曾经的科学幻想和前沿探索，逐步演变为一项具有深远潜力的技术革新。从早期的基础研究，到如今在医疗、科研等领域的初步应用，脑机接口正以其独特的魅力，吸引着全球科研人员和产业界的目光。它的影响力不仅局限于实验室，更在悄然改变着我们对人类大脑与机器交互的认知。脑机接口技术的迅猛发展，用“突飞猛进”来形容毫不为过。

受试者通过意念打游戏

可以说，脑机接口是近年来最具颠覆性的一种技术方向。在此，我将先从技术与意义层面剖析脑机接口，再探讨其如何逐步渗透到各个应用领域。如今，脑机接口在医疗康复、智能增强等方面的应用已初露锋芒，前景无限广阔，但与此同时，它所面临的挑战与伦理问题亦不容忽视。最后，我将深入探讨脑机接口在发展过程中可能遇到的技术瓶颈、伦理困境以及对脑机接口未来发展的美好展望。

脑机接口

学科交叉与科学大计划

今天我想和大家聊聊脑机接口这一前沿话题。我的研究方向较为跨学科，集中在传感器领域，涉及人工智能、传感器制造、医疗器械、生物材料等多个方面。如今，国际上的研究，包括国内研究，正慢慢收敛成两个科研范式。一是向极端方向发展，比如深空、深海探索，制造更大口径的望远镜、更高分辨率的显微镜；二是学科交叉，这其中蕴含着诸多新机会。

脑机接口便是学科交叉的典型例子，也是我自己的科研领域之一。我的科研领域是生命科学和信息科学的交叉。今天，我着重讲讲脑机接口。为何大家对脑机接口如此感兴趣？我想，最根本的原因是我们对大脑充满好奇。大脑，作为人类最优越、最重要的器官，在人类进化历程中选择了向更高级、更复杂、更先进的方式进化。我们成人大脑里有近1000亿个神经元，它们相互连接，组成了一个庞大而复杂的计算网络，让我们能够学习、交流、创作，拥有艺术、文化和音乐。

回顾过去一个世纪，全球科学大计划层出不穷，从上世纪40年代的曼哈顿计划，到60年代的登月计划，再到80年代的人类基因组计划，以及本世纪约10年前启动的人类脑计划。这些大计划能够成功，关键在于核心工具的开发与验证。脑机接口作为人类脑计划中的核心工具，它搭建起了大脑与外界设备、世界直接连接的通道，对我们认识脑、理解脑、修复脑乃至增强脑都具有重要意义。

在当今这个时代，脑计划或脑机接口无疑是一项极具挑战性的“超级工程”。它不仅复杂程度高，而且我们对该领域的未知程度也很深。未来我们需要依靠在各学科不同方向的共同努力，共同推进这个“超级工程”。

意义所在

脑机接口面临的首要任务，就是重大脑疾病的诊治。咱们都知道，人这一生，难免会遇到些精神或神经方面的疾病，像癫痫、渐冻症、高位截瘫，还有成瘾、抑郁、痴呆等等。这些病为啥会出现？归根结底，是大脑出了问题。大脑的工作原理基于电信号，正常情况下，大脑以固定且复杂的方式放电，可一旦放电异常，就会引发各种疾病。

脑机接口就像一个神奇的工具，它能直接把传感器或电极插入大脑，查看哪里异常放电，进行诊断，还能施加信号进行调制，让大脑恢复正常放电。在临床上，我们针对一些病症做了尝试，发现效果很不错。我认为，如果脑机接口能在其他方法都束手无策的情况下，对绝症患者起到帮助，那第一阶段的目标就算达到了。这类患者群体非常庞大，像渐冻症患者全球有70多万，高位截瘫患者大概有七百到一千万，还有抑郁、成瘾等患者，数量更是难以估量。

不过，我坚信脑机接口的意义远不止于此。我一直在思考，正常人怎么能从脑机接口技术中获益？从进化角度看，人类在过去十几万年里，把进化天赋大多用在了大脑上，五官和四肢基本没怎么进化。相比之下，我们的身体机能根本配不上如此发达的大脑，没有充分发挥出大脑的潜能。

咱们换个角度看，这个世界上有不少动物，视力、体力、耐力、力量等都比我们强。即便是一个健康的正常人，眼睛也有局限，看不到微光、紫外、红外。但我们做传感器的，能做出各种红外、紫外传感器，还能利用遥感信息。要是通过硅基技术的发展，把这些人类看不到的信号获取到，绕过我们并不发达的视觉系统，插入到视觉皮层，我们就能拥有超视觉。同理，我们还能拥有超听觉等。

从数量上看，人类只有两只眼睛，而且距离固定。但借助现在的技术，我们可以做出类似果蝇复眼的结构，增加眼睛数量，还能动态控制眼睛之间的距离，进行三维测距等。运动方面也是一样，人类只有两只手、两只脚，但借助机器人技术，我们可以拥有更多肢体，甚至实现遥感和遥控。

还有一个重要维度，纵观人类科技发展史，信息传播、处理和存储的效率与科技发展速度、效率直接相关。从古代的甲骨文到书信、电报、电话，再到现在的微信、视频，信息传播效率飞速提升。我们用手机输入文字，一分钟大概三四十个字，而说话速度一分钟大概200个字，大脑处理信息的速度更快。有研究表明，人速读的速度一分钟能达到两三千个字，比说话快一个数量级，比手机输入快两个数量级。脑机接口的速度只会更快，如果能突破手指输入、口舌控制的机械限制，数据的输入和传输速度将大幅提高，这对其他科技的发展也至关重要。

我创办了一家侵入式脑机接口公司，我们公司有个目标，就是把病人变成正常人，把正常人变成超人。目前我们正处于第一阶段，致力于让病人恢复正常。

发展与展望

脑机接口，按使用场景分，主要有两类：侵入式和非侵入式。侵入式呢，就是要开刀，把电极放到大脑里或大脑表面；非侵入式就简单多了，不用开刀，直接戴头上就行。

这两类各有优缺点。侵入式因为离大脑近，信号质量高，调控精度也强，但对大脑损伤也大，不管是手术时的急性损伤，还是长期留存的在体损伤。所以，怎么在这两者之间找到平衡，就得看具体应用场景了。我主要做侵入式的，就是要打开颅骨，把东西插进去，发挥技术的极限。

脑机接口这个领域，从70年代美国人就开始做了，最近一二十年进展挺大。现在的趋势，一是从运动控制到语言解码。运动控制相对简单，比如用大脑控制机械手、轮椅等，这个我们早就实现了。但语言就复杂多了，因为语言涉及的神经编解码机制更复杂，涉及的脑区也更多，而且不同人的语言还有差异。不过，这也是现在临床发展的趋势，因为语言功能障碍的病人太多了。

脑机接口发展的一个趋势，是从低通量到高通量。我们大脑有近1000亿个神经元，现在临床上最多只能同时采集1000个通道的信号，差距巨大。所以，怎么提高信号采集的通量和效率，是未来的一个重要方向。

还有一个趋势，是从单脑区到多脑区。大脑做任何事，都是多个脑区协同工作的。所以，覆盖多个脑区进行信号采集和调控，解析的精度和效率会更高。但调控的话，不一定非要覆盖整个脑区，就像城市交通，采集信号需要每个点都有摄像头，但调控交通只需要在主要干道上设置交通灯就行。

说到国内脑机接口的发展，最开始我们完全是模仿美国的，后来用美国的器件、自己的范式，到现在用自己的器件和范式，这条路走得挺辛苦。但值得骄傲的是，在脑机接口这个领域，国内跟美国基本没有代差，甚至在某些方面还更好。

全球范围内，很多国家都在布局脑机接口。美国、欧洲、日本、韩国等都启动了相关计划。欧洲想模拟大脑，但连老鼠脑袋都模拟不出来；日本韩国主要针对脑疾病；美国则从核心器件、工具、装备入手，比较成功。中国2021年启动了脑计划，叫“一体两翼”，就是认识脑、保护脑和模拟脑。今年会启动中国脑计划2.0版本，脑机接口的比例会大幅提高。

最近十年，脑机接口发展突飞猛进，相关学科的发展起了很大作用。比如微纳传感器、微电子、医疗器械、芯片技术、材料科学、算法和神经科学等。特别是AI和大模型的介入，对处理脑机接口的海量数据有很大帮助。

最后，我想说，中国脑机接口领域缺的是系统工程师。我们有很多基础科研人员和企业类工程师，但缺乏能把复杂产品通过系统工程方式做起来的战略工程学家。马斯克（E. Musk）就是一个很好的例子，他虽然不是博士，但他是很好的系统工程师，能把特斯拉(Tesla)、SpaceX、脑机接口等复杂产品做起来。所以，我也呼吁有条件的学校专门开设脑机接口的系统工程专业，培养更多的系统工程师。这个市场潜力巨大，几千亿美金都有可能，就看我们技术能不能跟得上了。

脑机接口面临的挑战

技术挑战

脑机接口的难度，首先体现在它的多学科交叉性。它涉及微电子、神经科学、材料科学、机器人技术，甚至临床医学和心理学。在我的团队里，这些领域的专业人才都有，我们还特意从三甲医院请来医生参与研发。

另一个难点在于它的复杂性。从大脑提取信号的电极、处理信号的芯片、分析信号的算法，到无线传输的天线，整个系统需要封装在一个极小的空间里，植入大脑。这不仅要考虑生物安全性、功耗，还要解决发热问题。

我们力求在最大限度利用脑机接口帮助大脑的同时，将对大脑的损伤降到最低。这一切都由应用场景决定。比如，帮助手部不能动的残疾人，我们需要在其运动区植入电极，采集信号，通过算法解析运动意图，再传输到外界的机械手或机械臂执行。但这只是开始，要形成完整的运动功能重建，还需要在机械手上安装传感器，将感觉信号编码后传回大脑，形成一个闭环。

我们做的不仅是脑接口，更是脑机接口的接口。芯片、电极、算法、植入机器人，每一样都要匹配。而且，作为医疗产品，我们花了大量时间验证其安全性，特别是长期安全性。这也是为什么我们在实验室里五年前就做好的东西，直到前两年才拿到临床伦理批件，开始在人的大脑上进行试验。

脑机接口领域，尤其是植入式设备，对安全性、长期在体的要求极高。我们选了一个最难的领域，但好在坚持下来了。现在，我们可以合法合规地采集人类大脑数据，进行算法迭代。当前面临的核心问题有三个：如何安全高效地获得高质量信号？如何理解神经编码？以及如何利用AI和大模型等先进技术，更好地解析大脑信号。

伦理挑战

在脑机接口领域，除了技术挑战，我们还面临着诸多法律规范与伦理道德的问题。比如时不时就有人找到我，怀疑自己被人植入了脑机接口器件。这反映出民众对脑机接口的能力和发展存在诸多不清楚的地方。

从伦理角度来看，我们必须对脑机接口进行规范。我想坦诚地告诉大家，虽然脑机接口前景广阔，但目前它还没有那么完美，所以大家不必过于担心。

我们科研团队在推进产业化的同时，已经形成了完整的研发矩阵，涵盖了电极、芯片、植入体、手术机器人等多个环节。我很欢迎大家来我们公司以及整个研发基地参观。在那里，你可以看到许多带着脑机接口的动物在奔跑、采集信号。不过，出于伦理考虑，我们不会展示人脑机接口的相关内容，因为那可能会让大家对脑机接口产生不必要的担忧。

此外，我们的算法云平台上，有许多动物，如兔子、狗、猴子等，都带着脑机接口进行科研实验。同时，我们也有相应的病人招募计划，用于临床诊断和研究。目前，我们已经与近百家高校、科研院所展开了合作。

面对脑机接口带来的伦理道德挑战，我们需要更加谨慎和审慎。在推进科研和产业化的同时，我们必须时刻牢记伦理原则，确保脑机接口技术的发展符合人类的利益和价值观。

未来愿景

谈及脑机接口的未来愿景，医疗领域无疑是我们当前的主要发力点，但工业与机器人的互动同样不容忽视。马斯克推出擎天柱机器人，正是希望将其与脑机接口技术相结合。当然，消费和军事领域的应用暂且不论，我们目前专注于AI与脑机接口的融合，致力于打造一整套脑机操作系统。想象一下，未来这个系统就像手机APP一样，可以接入小红书、B站等各种应用，实现多功能的交互与拓展。

目前，我们已经在科研市场推广方面取得了显著成果。国内顶级的神经科学课题组以及三甲医院都在使用我们的产品进行科学研究与临床研究。这标志着脑机接口技术在专业领域得到了广泛认可。

关于脑机接口的未来，我们设定了两个重要里程碑。第一个里程碑是攻克重大脑疾病。当其他治疗方法束手无策时，脑机接口能够成为有效的治疗手段。第二个里程碑是赋予正常人前所未有的能力，而且这一过程不应付出巨大代价，就像我三年前接受的近视眼手术一样。我选择人工晶体植入，因为它创口小，且未来度数变化时还可以更换。这种手术方式的革新，正是我们希望脑机接口技术所能带来的变革。

我们期望脑机接口技术能像近视眼手术或医疗整形一样，以微小的创口和极低的危害性，带来巨大的效果提升。无论是学习、交流、执行还是控制，脑机接口都能让我们做得更好。尽管人类大脑是宇宙中最复杂的事物，我们所从事的工作也充满挑战，但我们坚信，通过不懈努力，脑机接口技术必将开创一个全新的未来。

编辑：余荫铠

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来源：中科院物理所