国内侵入式脑机接口研究进行到哪一步了？

实现传统的人机交互，必须有肌肉组织参加，如敲击键盘、点击鼠标或使用语言，否则就没法进行人机交流。而脑机接口（Brain Computer/Machine Interface，BCI/BMI）是人机交互的特殊形态，指的是在颅内植入电极记录信号，构建脑与机之间的通路，实现脑机直接交互。

早在1950年，美国国立卫生研究院（National Institutes of Health, NIH）首次在猴脑植入电极，成为第一个概念性脑机接口。1970年末，上述工作发展为第一个猴子实时脑控LED光标系统。

直到1973年，BMI这个技术名词的概念才诞生。当时美国加州大学洛杉矶分校的计算机科学家雅克·维达尔设想，通过放置在头皮上的电极检测到大脑发出的实时信号，可翻译后用于控制计算机，首次描述了脑机接口的科学概念与设想。

脑机接口的阶段性发展

此后，在各国科学家的努力下，脑机接口的概念范畴不断延伸，例如与反馈/调控相结合的脑机交互（interaction），与人工智能相结合的脑机智能（intelligence）,以及在医疗领域的人工耳蜗、视网膜等神经/运动康复。

但NIH的猴脑试验在1980-1995约十多年时间内，研究一度陷入停滞，原因是电极等基础软硬件生物兼容性差，记录时间短。但是在1990年中期，侵入式脑机接口开始兴起，纽约州立大学John Chapin教授首次发现微丝电极植入大脑，可记录神经元信息长达数月，至此脑机接口研究开始全面全面兴起。

脑机接口可大致分为侵入式、半侵入式和非侵入式，简单来说就是电极侵入脑部程度的轻重之别。“虽然从脑机接口的定义来看，在颅内植入电极并不是必要的，但侵入式要做的这件事对于构建脑与机之间的通路，建立人机完全合一的脑机智能，实现信息交互至关重要，也是这项应用的远景。” 在12月21日举办的第二届南渡江智慧医疗与康复产业高峰论坛上，南湖脑机交叉研究院常务副院长 王跃明教授在题为《侵入式脑机接口研究》的开幕演讲中说到。

南湖脑机交叉研究院常务副院长/王跃明教授

在脑机应用研究方面，2023年8月，斯坦福大学与加州大学背靠背在《Nature》发表关于高性能语音脑机接口的论文。再脑机基础方法研究上，同年9月，又有多篇关于通过深部脑刺激，扣带回（SCC）动力学追踪到表征抑郁症恢复标记点的论文发表在《nature》上，由此看到侵入式脑机接口确实是非常热的方向。

关于南湖脑机交叉研究院

资料显示，南湖脑机交叉研究院是由浙江大学与杭州市余杭区人民政府共同组建的独立事业法人研究机构。研究院的总体目标是以脑机接口为核心手段，突破脑疾病的神经机制，发展脑机基础硬件技术、闭环调控技术，打造自主可控的脑机治疗仪器、脑机调控器械及创新药物，实现脑疾病物理调控与化学治疗的优化融合。研究院聚焦脑机接口、创新脑药、脑疾病机制和脑机材料四个研究方向，打造我国脑机医疗战略科技力量，推动我国在本领域进入国际领先行列，建成独具特色的脑机物理调控微器械和原创新药研发基地，引领脑健康、脑调控、脑诊疗、脑医药等新型产业发展，做优做强战略性新兴产业。

王跃明表示，闭环脑机接口主要应用包括Adaptive-DBS/运动康复以及动物机器人，浙江大学在脑控机器上的做法是首先从颅内读取信号，通过神经解码实现对外部信号的控制，再获得视觉或人工反馈，对想要的状态进行引导；机器控脑上则通过集成电极芯片对大脑特定部分刺激，获得神经反馈。如此形成的闭环的理论模型，可以再延伸到应用端。

多年来，南湖脑机交叉研究院在神经科学基础、脑机硬件技术、脑机范式与计算平台技术和脑机应用与原型上开展全链条技术研究。“因为任何一种功能和疾病应用，都需要特定的硬件与方法结合，所以并不存在通用的硬件可以做完所有事。” 王跃明表示，研究院在硬件技术方面已经有光电一体神经微电极、全自主知识产权神经芯片和高度集成的植入式脑机微系统。延伸到应用端则有2013年的国际首个脑机融合听视觉增强大鼠，2020年的国内首例临床侵入式脑机机械手以及2023年的国际首次临床侵入式脑控汉字书写等重大科研成果。

据介绍，南湖脑机交叉研究院早期主要做运动脑机接口方面的研究，如今的全侵入式方案中，大量的工作也主要集中在运动脑机接口上。2013年左右，科学家们对于颅内信号的精确解释有了一定的理解，并开始真正植入电极，对大脑信号的动态编码方法做出了一定的解释。最直观的例子是联合浙江大学附属二医院，首次实现侵入式的人意念在线控制机械手，完成“石头-剪刀-布”游戏。

近期，研究院还做了书写脑机接口方面的研究，发现了汉字的神经特异性表征。虽然早在2021年5月，《Nature》就发表了BCI脑控英文字母手写实时输入的论文，但手写汉字与英文最大的不同在于有笔画、部首+结构。发现每个人写汉字过程中精确解码的编码规律，可以实现精确的汉字书写和识别。

脑机接口基础硬件研发进展

此外在重大脑疾病的脑机疗法方面，在大脑植入芯片后，可对重症脑疾病进行精准的神经干预，实现精准调控式疗法，这被认为是深部脑刺激（DBS）的升级版。举例来说，在早期癫痫的闭环电刺激研究上，已经具备了基于颅内脑电的癫痫发作状态计算模型以及第1-3代闭环调控装置样机，并且在2022年入选国家药监局医疗器械技术审评中心“创新医疗器械特别审查程序”。

 脑机接口中的基础硬件包括微电极阵列、采集系统以及专用芯片。其中微电极阵列分为刚性和柔性，各有优势；采集系统分为有线和无线，无线微系统是大势所趋；专用芯片则主要有商用和自研之分。

王跃明表示，我国在脑机接口基础硬件方面，尚没有成熟的产品。以微电极阵列为例，刚性微电极阵列是硬的，植入时会对人体造成有伤害，而柔性电极虽然伤害比较小，但是植入比较困难，植入如果不完美，反复插拔同样会对人体造成伤害。此外要实现多通道、长期稳定记录非常重要，如果能把刚性和柔性方案的优点结合在一起就比较理想。

针对“卡脖子”技术的自主问题，需要结合现有国内外产品的优缺点，完成刚柔可调的脑机接口微系统。南湖脑机交叉研究院在这方面的研究进展之一，是利用2-NBA单体提供化学镀金属能力，用于制造导电通路，这样的电极基材在体温附近可实现切换。

“例如在植入之前，温度低于人体温度，材料是刚性的，在植入后人体温度下，转变为柔性材料。” 王跃明说到，这被称为变构型刚柔可调多通道神经电极，目前已经优化了微电极阵列的微纳加工、异质集成和三维封装等工艺，研制的立体三维浮动微电极阵列（8*8*2=128通道）已经初步完成动物测试。

低功耗、高通量、高级程度的神经记录芯片结构及电路实现，对于整个脑机系统同样重要，南湖脑机交叉研究院自研了一款128通道、高集成、低功耗的神经记录芯片，据称相比马斯克Neroalink芯片，记录功耗相当，输入噪声水平则降低了50%以上。

针对电极芯片一体化集成微系统技术，王跃明表示实现高密度的信息输出是主攻点。据介绍，研究院的全密封微系统集合信号采集、处理系统、电池+无线充电、无线信号发送于一体，密封封装采用钛壳+陶瓷，链接部分采用柔性聚合物基地的软排线和64通道硅基微电极阵列，可实现高密度馈通。

针对重度抑郁症的脑机接口疗法

目前，脑疾病占所有疾病社会总负担的40%，其中精神疾病占30%，包括睡眠障碍、焦虑、已于、双相、强迫、精神分裂和成瘾等；神经性疾病占10%，包括癫痫、帕金森、阿尔茨海默病、发育性疾病、肌萎缩侧索硬化症等。

任何一种脑部的适应症和功能治疗，都需要硬件和方法结合。目前国内有8000万以上的抑郁症患者，增速还在逐年加快。药物对于抑郁症的治疗会慢慢产生抗药性，而且往往只对局部有效，药物治疗一旦失去效果，患者会由轻/中度慢慢转变为重度抑郁症。

面向抑郁闭环调控的脑机接口疗法和系统，往往选择重度患者，这是因为考虑到植入代价和植入回报的平衡（Tradeoff），面临人生重大抉择的群体会更愿意接受侵入式疗法。之前侵入式疗法（aDBS）主要用于癫痫和帕金森病的治疗，且疗效不错，但用在抑郁症治疗的难度，主要在于这类脑部疾病和其他疾病不一样。

“因为抑郁是精神内科疾病，光是研究靶点就有十几个以上，神经外科医生无法办法精确的找到靶点的位置，而癫痫和帕金森是神经外科疾病。” 王跃明说到，抑郁神经调控的三大关键分别是情绪标记物、刺激靶点和自适应模型。

由于抑郁状态连续长期变化，实现高效治疗需要准确判断和预测情绪状态。同时抑郁设计多个分散的脑区，DBS治疗潜在靶点众多，最后抑郁的个体差异大、随时间变化大，高效治疗需要个性化自适应的刺激。对于这些点，侵入式脑机接口方案在刺激的同时能够获取高保真信号，自动优化情绪标志物，来判断患者的情绪状态，并且智能选择刺激靶点，自适应调整刺激模型，来帮助神经外科医生和精神科医生共同做决定。

王跃明举了一个例子，一名临床重度抑郁患者在植入aDBS之后，前三个月采集的信号并不稳定，第四个月还因为断电发生了停机事件。“但在第五个月重新开机之后，基于采集的数据量够了，持续治疗三个月后，医生独立评估是临床基本康复，患者希望今后马上有更多的尝试。”