脑机接口不同路线：发展各有千秋

据世界卫生组织数据，全球每年新增脊髓损伤患者超过 30 万人。

在中国，脊髓损伤患者至少 200 万，每年以 10-14 万的速度递增；帕金森患者超 300万。

对于瘫痪、帕金森等神经系统损伤和疾病的患者来说，脑机接口（Brain Computer Interface， BCI）技术的进步能为他们的生活质量带来质的改变，同时也将给他们的家人带来福音。

近日，BrainGate 公司实现了全球首次脑机信号无线传输，并且高带宽、高精度、低功耗。该系统是一个完全侵入式的设备，以传输植入电极记录的大脑皮层全频谱信号。

使用者只需要在脑海中 “想一下”，就可以通过操控计算机完成任务，比如在电脑屏幕上打字、操控机械臂完成喝水、吃饭等动作。

相关论文以 “Home Use of a Percutaneous Wireless Intracortical Brain-Computer Interface by Individuals With Tetraplegia” 为题在 IEEE Transactions on Biomedical Engineering 发表。

“皮质内脑机接口正在从有线电缆演变至使用微型无线发射器，这项研究可能是为数不多的、能在较长时间内（包括在实际使用脑机接口期间）捕获全频谱皮层信号的研究之一。” 斯坦福大学博士后、现任苹果公司硬件工程师的 Sharlene Flesher 在接受媒体采访时表示。

首款脑机信号无线高带宽、高精度、低功耗传输

BrainGate 公司 “无线脑机接口”（BWD）系统，一部分是位于大脑皮层的电极阵列，而另一部分则是位于体外的无线发射器。

该无线发射器是一个 5cm 大、43g 重的小型装置，代替了传统脑机接口用于传输来自大脑内部传感器信号的电缆。无线发射器固定在使用者的头部，与大脑运动皮层内的电极阵列相连。

BWD 系统由布朗大学工程学院教授 Arto Nurmikko 实验室首次开发，实现了高带宽、高精度、低功耗的无线信号传输。

试验数据表明，两个设备同时开启可以从 200 个电极上以每秒 48 兆比特的速度记录神经信号，续航时间超过 36 小时。

两名瘫痪试验者使用 BWD 在一台平板电脑上进行点击操作和码字，他们的点击精度和码字的速度非常接近。

“我们通过试验证明，这套无线系统在功能上与有线系统非常接近。” 布朗大学工程助理教授、该项目研究员约翰·西默拉尔（ John Simeral ）说道。

中国科学院自动化研究所教授蒋田仔认为，这项研究最大的特点是实现了适用于人的高速无线传输，解除了线缆的束缚，从而让患者能自由地活动。“无线传输大家都不陌生，但实现适用于人的高带宽、低功耗的脑内信号传输还是有很大的挑战性。”

布朗大学工程学教授、布朗大学卡尼脑科学研究所的研究员、BrainGate 临床试验的负责人 Leigh Hochberg 说：“有了这套无线脑机接口系统，我们能够以一种以前几乎不可能的方式 —— 在家里、长时间地观察试验者大脑的活动。比如了解神经信号如何随时间演化。这将对我们设计和优化解码算法带来非常大的帮助，为瘫痪患者重建无缝、直观、可靠的沟通能力和行动能力。”

“我们论文中描述的无线技术有助于我们发现新一代神经技术（比如全植入式高通量无线脑机接口）的关键所在。” 该项目研究员 Nurmikko 说。

“我认为，该项研究是重要的技术性进步。” 清华大学助理教授眭亚楠对 DeepTech 表示。

这种高带宽无线信号使得基础人类神经科学以及临床研究成为可能，而有线的脑机接口想实现这一点很难。

蒋田仔认为，该研究下一步应对如何实现更高通量的无线传输进行深化研究。“目前，在牺牲了部分信号分辨率的情况下（16 位信号降至 12 位），做到了 200 个电极的无线传输，而当前微电极阵列正向高密度和高通量上发展。”

他举例说道，“例如，伦敦大学 2017 年发布的第一代 Neuropixels 硅探针，单柄就具有 1000 个记录点，马斯克的 Neuralink 公司已经可以实现 3000 导的高效神经信息采集。如何实现更高通量的无线传输，或许 5G 传输有可能达到，但还需要解决功耗的问题。”

此外，目前的无线信号存在易受到遮挡问题，该研究通过布置多个天线或改变患者姿势部分解决。

“该研究采集到的信号通过无线发送到 PC 电脑进行解码和处理，实现针对高通量数据的解码算法片上运行和实时闭环的刺激调控，是未来发展趋势。” 蒋田仔说。

图丨用于双阵列的有线和无线系统的组件记录（来源：IEEE）

那么，我们来讨论一个高关注度的话题，随着脑机接口的数据传输频率越来越高、信号越来越强，会不会把大脑烧坏？

眭亚楠认为，脑机接口的研究有两个主要方向。

一是从内到外的人脑信息输出和解读（decode）。即大脑里的信号如何输出、如何解读、怎样用大脑里的信号直接控制外部的设备等。

眭亚楠认为，这类场景下的脑机接口作为神经信号的接收器，不会主动对大脑进行信号功率输入，仅有伴生的热功率。只要电极-芯片系统的散热设计合格，一般不存在 “烧坏大脑” 的问题。

二是从外至内的信息输入（encode），将信息和能量通过脑机接口输入大脑。

眭亚楠举例说道，通过脑机接口技术进行神经刺激治疗，能帮助帕金森患者从不能正常行动的状态变为能正常行动，或者帮助瘫痪的患者恢复运动能力，由于存在信号输入能量的问题，也就存在安全的问题。

“结合神经调控、人工智能技术做有安全保障的系统性治疗方法，脑机接口重要的研究和应用方向。”

脑机接口不同路线：发展各有千秋

脑机接口的方式分为侵入式、非侵入式和微侵入式（半侵入式），根据各自特点发展各有千秋。

（一）侵入式

侵入式主要是指微电极阵列（MEA）、立体脑电（SEEG），电极需要植入脑组织内部。微电极阵列可实现神经元尺度的记录，准确识别单个动作电位信号，并可根据动作电位的波形来判别神经元种类，可以实现高时空分辨的脑机接口。这种方式信号质量好，能实现更精准的脑神经活动记录与调控。

“由于排异反应和可能的大脑损伤等风险，目前侵入式脑机接口系统在动物上应用较多，相关人体研究目前仅限于神经系统损伤和疾病患者等临床特殊群体。” 眭亚楠说。

（二）非侵入式

非侵入式是指在颅外对脑信号进行检测，手段包括 EEG、MEG 、fNIRS，能记录脑部大范围、低空间精度的状态变化。

相较侵入式信息的精度和解码准确率都差了很多。但是，非侵入式脑机接口的优势是无需动手术就能实现脑机打字、运动想象等应用，直接从皮肤表面采集脑活动信号或进行神经调控，这种方式可避免因手术造成的脑损伤和感染。

“同时，非侵入式脑机接口也存在明显的问题，如神经信号通过多层人体组织滤波后才到达接收端，信号质量会明显下降，因而获得的神经信号空间分辨率较低，也很难实现靶向神经调控。” 眭亚楠说。

（三）微侵入式（半侵入式）

微侵入式指皮层脑电（ECOG），信号的精度介于侵入式和非侵入式之间，虽无法记录动作电位信号，但相较于 EEG 具有更高的空间分辨率和信号保真度。

微侵入式仍需打开颅骨植入电极，位置较浅，位于颅骨内部、硬脑膜或蛛网膜上，并不植入脑组织内部，所以手术风险小于侵入式。

脑机接口的未来：有望成为治疗神经系统损伤和疾病的最直接途径

谈及侵入式脑机接口技术的未来发展，眭亚楠认为，可以通过提升神经接口（电极）的可提供刺激或者信息传输的复杂度，加强对患者的行为的认知及理解，从而形成闭环的神经调节。

蒋田仔认为，更高密度、更高通量、更柔软（长时间记录），以及能够长期地记录单一脑区乃至全脑范围内全部的神经信息是侵入式脑机接口的未来发展方向。同时，运用深度学习、云计算等技术手段来处理采集到的海量神经信号，从而实现精确解码。

“非侵入式脑接口未来需要提高信号采集的时空精度，抑制环境噪声干扰，提高可靠性和精确度。与低功耗高带宽的无线传输相结合，从而大大提高了易用性。” 蒋田仔对 DeepTech 表示。

眭亚楠认为，对于非侵入式的未来发展，一方面，在设备、材料、神经接口、芯片等方面需要进行底层技术的提升。

另一方面，需要对神经科学进行更为深入的研究，从而更有针对性地提出对脑机接口系统、算法等方面的需求，也为人工智能系统的设计提供更多启发和借鉴。

“脑机接口技术，尤其是神经调控技术，有望成为治疗神经系统损伤和疾病的最直接途径。” 眭亚楠说。

微电极阵列开始与光学结合，形成多功能、多模态的神经研究工具。微电极阵列无法识别细胞类型以及周围神经元的复杂树突和轴突，而光学记录和刺激已被证明是克服这些局限性的有效方法。

将具有优异时间分辨率和信噪比（SNR）的微电极阵列与具有出色空间分辨率的光学探测相结合，将使我们能以前所未有的精度去探究神经元网络的功能连接。

蒋田仔表示，脑机接口技术实现了人脑与外界的直接信息联系，目前的技术大多基于脑信号的采集、解码并控制外部的设备实现了 “脑→机” 的信息流。“未来脑机接口将是‘脑⇋机’的双向脑机接口，实现认知能力增强和自我功能调节。”

原文标题：高精准、低功耗无线脑机接口系统，将神经损害患者“心动”变“身动”！专家：脑机接口有望成为治疗神经疾病的最直接途径

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责任编辑：haq