脑机接口重大进展，AI模仿让患者发声！上游芯片技术也在不断研发

电子发烧友网报道（文/李弯弯）近日，脑机接口技术又取得重大进展，美国加州大学戴维斯分校健康中心开发出一款新型脑机接口（BCI），可将脑信号转化为语音，准确率高达97%。该团队在一名因肌萎缩侧索硬化症（ALS）而语言能力严重受损的男子大脑中植入传感器。启动该系统后，该男子在几分钟内就能说出自己想要说的话。

脑机接口不断实现技术创新

该团队通过手术在这名患者大脑的外层植入了四个电极阵列，每个阵列的64个探针能捕捉到患者试图移动嘴唇、下巴和舌头说话时，神经元发出的电信号。

手术后三周，研究者成功将植入设备通过连接到患者头骨上两个金属柱子的连接线，连接到一排计算机上。仅仅在计算机短暂地学习了患者的讲话后，这套装置就开始以99.6%的准确率记录他想通过50个词汇表达的内容。

在试验的第二天，设备已经能够以90%的准确率覆盖125,000个词汇，并且首次生成了该名患者自己编写的句子。而且，该设备用一种非常像他自己声音的声音说出了这些句子：研究者使用播客采访和其他旧录音，使用AI深度模仿该名患者在患病之前的声音。

随着研究者们继续训练设备以识别他的声音，设备表现得越来越好。研究报告称，在八个月的时间里，该名患者共说出了近6,000个不同的词汇，设备的准确率保持在97.5%。

研究人员表示，这一成就部分得益于像ChatGPT这样的语言工具所使用的人工智能模型。在任何给定时刻，该名患者的植入物会拾取一组神经元的活动，将它们的发射模式翻译成元音或辅音的声音单位。然后，计算机将一串这样的声音聚合成一个词，并将一串词聚合成一个句子，选择它们认为最有可能与该名患者试图说的内容相符的输出。

脑机接口，是指在人或动物大脑与外部设备之间创建的直接连接，实现脑与设备的信息交换。脑机接口技术是一种变革性的人机交互技术。其作用机制是绕过外周神经和肌肉，直接在大脑与外部设备之间建立全新的通信与控制通道。它通过捕捉大脑信号并将其转换为电信号，实现信息的传输和控制。

脑机接口这一概念早已有之，但直到20世纪90年代以后，才开始有阶段性成果出现。2023年，科学家们开发了可以将神经信号转化为接近正常对话速度的语句的脑机接口。全球首例非人灵长类动物介入式脑机接口试验在北京获得成功，促进了介入式脑机接口从实验室前瞻性研究向临床应用迈进。

2024年1月29日，首例人类接受了脑机接口公司Neuralink的植入物，目前恢复良好。2月，首都医科大学附属北京天坛医院神经外科贾旺教授团队联合清华大学洪波教授团队，利用微创脑机接口技术首次成功帮助高位截瘫患者实现意念控制光标移动。

3月，清华大学科研团队公布了两个案例，两位高位截瘫患者分别通过无线微创脑机接口实现了意念控制光标移动、意念控制手套外骨骼持握，其中一名患者四肢瘫痪14年来，第一次实现了“用手喝水”。5月消息，脑机接口公司Neuralink正在接收第二位植入者申请，该试验可以实现意念控制手机和电脑。

脑机接口技术不断实现技术创新。在电极与芯片技术方面，脑机接口技术的关键在于高效、精确地采集和分析脑电信号。近年来，电极材料和神经接口芯片技术不断升级，使得信号采集的精度和实时性大大提高。

在信号解码与处理方面，随着人工智能和机器学习技术的引入，脑电信号的解码能力显著增强。这些技术能够更准确地识别和理解大脑中的信息，为脑机接口的应用提供了坚实的基础。人工智能技术在脑机接口创新方面的应用，在上述团队的最新研究中就得到了很好的体现。

国内外脑机接口芯片进展

从脑机接口产业链来看，其上游主要包含电极、算法、BCI芯片等软硬件设备，中游主要为脑机接口系统相关企业及合作伙伴，下游则为应用领域，包括科研设备和医疗健康领域。

其中，在脑机接口技术中，电极和芯片是两个关键的硬件组成，电极负责高质量的信号采集，芯片负责对这些信号处理，使其能够被外部设备理解和使用。

脑机接口芯片通常包含精密放大器、模数转换器（ADC）、数字信号处理器（DSP）等，它们对信号进行放大、滤波、数字化和初步处理，以便于后续的数据分析和解码。

根据应用场景不同，脑机接口芯片可以分为主要用于捕捉大脑神经元的电信号，并将其转换为数字信号供后续处理，广泛应用于神经科学研究、康复治疗等领域的神经信号采集芯片；通过解析大脑信号，实现对外部设备的运动控制（如假肢、轮椅）的运动控制芯片；能够识别和分析大脑信号中的情感信息，为人机交互等领域提供有力支持的情感识别芯片等。

目前，全球范围内已有众多科研机构和企业致力于脑机接口芯片技术的研发。其中，Neuralink是国外知名的脑机接口公司，其首例人体植入的“心电感应”N1芯片通道数为1024，用来实现对大脑活动的解码并帮助患者控制鼠标光标等。

中国团队也自主研发了多款脑机接口芯片，包括“天谷”V1.0，该芯片由中电云脑、脑机交互与人机共融海河实验室、天津大学合作研发，是一款基于PKS的国产化脑机交互信号采集系统。该系统面向EEG、ECG等神经电生理信号采集与计算应用，构建了生理信号的采集、处理、传输系统一体化系统。同时，该产品与“飞腾CPU芯片+银河麒麟桌面操作系统”组合实现了兼容性测试与认证，对推动国产化进程具有重要意义。

还有NeuraMatrix芯片，由清华大学孵化的企业开发，已完成多轮迭代。该芯片在功耗、无线传输等方面具有显著优势，能够降低产品系统功耗，缩小电池体积，实现整机体积大幅减小。同时，其无线传输采用医用频段而非蓝牙，使脑电数据传输量更大，并可无缝对接医疗器械。NeuraMatrix芯片已形成样机并投入科研室使用。

以及“脑语者”芯片，这款芯片由天津大学和中国电子信息产业集团有限公司联合研发，是全球首款脑-机接口专用芯片。该芯片拥有完全自主知识产权，具备精解码、高指令、快通讯、强交互等四大优势，有望在医疗、教育、家居、游戏及特种行业等领域投入使用。

另外，去年8月，武汉高德红外股份有限公司董事长黄立表示，他投资设立的衷华脑机接口公司成功研发出具有国际先进水平的65000通道双向脑机接口芯片。这一技术的突破将使得多项医疗应用成为可能，例如让假肢拥有真实的感觉、通过人脑意念控制假肢、治疗多种神经系统疾病如癫痫、阿尔茨海默病、抑郁症和帕金森病，以及让盲人恢复视力、存储记忆等。今年6月，三博脑科宣布，与武汉衷华脑机战略合作签约，促进脑机接口临床转化。

写在最后

近些年，时常可以看到脑机接口技术创新和应用进展。尤其人工智能技术不断成熟的情况下，脑机接口+人工智能，让更多过往的想象成为可能，如上述美国加州大学戴维斯分校健康中心实现的这个案例，在人工智能技术的帮助下，让肌萎缩侧索硬化症（ALS）而语言能力受损患者能够重新“发声”。同时，作为脑机接口的核心元件的芯片至关重要，可以看到，国内外企业和机构都在积极持续研发，并不断取得进展。