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提到腦機(jī)接口技術(shù)，很多人第一時(shí)間會想到特斯拉CEO馬斯克創(chuàng)立的腦機(jī)接口公司Neuralink，作為一家基于侵入式腦機(jī)接口技術(shù)的公司，Neuralink在今年5月26日還率先獲得美國FDA的批準(zhǔn)進(jìn)行人體臨床實(shí)驗(yàn)，在全球腦機(jī)接口技術(shù)領(lǐng)域居于領(lǐng)先地位。相對于侵入式腦機(jī)接口技術(shù)來說，非侵入式及半侵入式的腦機(jī)接口技術(shù)的門檻和風(fēng)險(xiǎn)要更低一些，這也從事侵入式腦機(jī)接口技術(shù)的企業(yè)相對較少。那么目前國內(nèi)廠商在侵入式腦機(jī)接口技術(shù)方面發(fā)展的如何呢？
12月21日，由海口市科學(xué)技術(shù)工業(yè)信息化局、芯原微電子（上海）股份有限公司主辦的“第二屆南渡江智慧醫(yī)療與康復(fù)產(chǎn)業(yè)高峰論壇”正式在海口召開。上海腦虎科技有限公司創(chuàng)始人、CEO彭雷做了題為《腦機(jī)接口——讓大腦連接未來》的演講，介紹了上海腦虎科技在侵入式腦機(jī)接口技術(shù)方面所取得的成果。
腦機(jī)接口技術(shù)分類與市場前景
腦機(jī)接口（Brain-Computer Interface， BCI）技術(shù)：是指在人或動物腦（或者腦細(xì)胞的培養(yǎng)物）與計(jì)算機(jī)或其他電子設(shè)備之間建立的不依賴于常規(guī)大腦信息輸出通路(外周神經(jīng)和肌肉組織)的一種全新通訊和控制技術(shù)。
目前腦機(jī)接口技術(shù)通常根據(jù)“侵入性”被分為：非侵入式（腦外）、侵入式和半侵入式三大類。
（如上圖，不同的接口類型所獲得的信號強(qiáng)度有很大差異）
非侵入式：是指無需通過侵入大腦，只需通過附著在頭皮上的穿戴設(shè)備來對大腦信息進(jìn)行記錄何解讀。這種技術(shù)雖然避免了昂貴和危險(xiǎn)的手術(shù)，但是由于顱骨對于大腦信號的衰減作用，以及對于神經(jīng)元發(fā)出的電磁波的分散和模糊效應(yīng)，使得記錄到的信號強(qiáng)度和分辨率并不高，很難確定發(fā)出信號的腦區(qū)或者相關(guān)的單個(gè)神經(jīng)元的放電。
半侵入式：即將腦機(jī)接口植入到顱腔內(nèi)，但是在大腦皮層之外。主要基于皮層腦電圖（ECoG）進(jìn)行信息分析。雖然其獲得的信號強(qiáng)度及分辨率弱于侵入式，但是卻優(yōu)于非侵入式，同時(shí)可以進(jìn)一步降低免疫反應(yīng)和愈傷組織的幾率。
侵入式：是指通過手術(shù)等方式直接將電極植入到大腦皮層，這樣可以獲得高質(zhì)量的神經(jīng)信號，但是卻存在著較高的安全風(fēng)險(xiǎn)和成本。另外，由于異物侵入，可能會引發(fā)免疫反應(yīng)和愈傷組織（疤痕組織），導(dǎo)致電極信號質(zhì)量衰退甚至是消失。另外傷口也易出現(xiàn)難以愈合及炎癥反應(yīng)。因此，侵入式腦機(jī)接口技術(shù)的門檻和風(fēng)險(xiǎn)都相對更高。
目前，腦機(jī)接口技術(shù)主要應(yīng)用在醫(yī)學(xué)治療相關(guān)領(lǐng)域，例如為遭受嚴(yán)重創(chuàng)傷或患有先天殘障的患者制造可以憑“意念”控制的輪椅和假肢，讓同時(shí)患有語言和肢體障礙的患者藉由腦機(jī)接口，將其所思所想呈現(xiàn)在電腦屏幕上，實(shí)現(xiàn)與外界交流，也可被腦部或神經(jīng)受創(chuàng)的患者用于相關(guān)的康復(fù)訓(xùn)練。腦機(jī)接口技術(shù)也有被應(yīng)用于教育領(lǐng)域，因?yàn)槠淇梢杂?xùn)練孩子的專注力。游戲領(lǐng)域則是非侵入式腦機(jī)接口技術(shù)的另一大頗具想象力的應(yīng)用領(lǐng)域，用戶直接通過大腦就能夠直接暢玩電腦游戲。
根據(jù)Data Bridge Market Research的數(shù)據(jù)研究顯示，2019-2022年全球腦機(jī)接口市場規(guī)模從12億美元增長至17.4億美元，期內(nèi)年平均復(fù)合增長率達(dá)13.19%，預(yù)計(jì)2023年全球市場規(guī)模將達(dá)到19.7億美元。
侵入式腦機(jī)接口技術(shù)的三大主要路線
具體到侵入式腦機(jī)接口技術(shù)方面，也有三大主要技術(shù)路線：硅基硬質(zhì)電極系統(tǒng)、血管電極系統(tǒng)、柔性電極系統(tǒng)。
硅基硬質(zhì)電極系統(tǒng)，可以同時(shí)記錄96個(gè)通道，可應(yīng)用于臨床，需要開顱。但是硬質(zhì)的電極容易因?yàn)榧羟辛p傷腦組織。其中的代表公司是Blackrock，其硅基硬質(zhì)電極也是目前唯一獲得FDA批準(zhǔn)的植入式電極。
第二個(gè)是血管電極系統(tǒng)，可同時(shí)記錄16通道，可應(yīng)用于臨床，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于無需開洞手術(shù)，大大降低了患者的風(fēng)險(xiǎn)和不適感。頸靜脈植入的方法相對簡單，手術(shù)時(shí)間也更短。其中的代表公司是Synchron，他們開發(fā)了一種“支架”技術(shù)，通過頸靜脈植入，并通過r管引導(dǎo)到大腦旁邊的位置。該支架在大腦區(qū)域旁邊放置了16個(gè)電極，可以無線和即時(shí)地控制設(shè)備。
第三個(gè)是柔性電極系統(tǒng)，雖然該技術(shù)也需要開顱植入，但是其優(yōu)勢在于對于大腦的損傷威脅相對硅基硬質(zhì)電極系統(tǒng)更小，可同時(shí)三維記錄1024通道，可以獲得更為清晰穩(wěn)定的腦電信號。其中的代表公司是馬斯克的Neuralink，其特色在于開發(fā)了對應(yīng)的手術(shù)機(jī)器人來進(jìn)行開顱自動植入，在一定程度上降低了手術(shù)門檻和風(fēng)險(xiǎn)，此前已經(jīng)在豬和猴子等動物實(shí)驗(yàn)上獲得了成功。目前Neuralink的柔性深部電極方案已經(jīng)獲得了FDA的批準(zhǔn)進(jìn)行人體臨床實(shí)驗(yàn)。
柔性電極系統(tǒng)方案的三大方向
國產(chǎn)侵入式腦機(jī)接口技術(shù)公司——上海腦虎科技有限公司也選擇了與Neuralink一樣的柔性電極系統(tǒng)方案。上海腦虎科技有限公司創(chuàng)始人、CEO彭雷表示，柔性電極系統(tǒng)滿足腦機(jī)接口技術(shù)產(chǎn)業(yè)推廣的三大核心要素是：高通量、低創(chuàng)傷、長期在體。
所謂高通量是指，柔性電極系統(tǒng)可以擁有更高的通道，這也決定了其可以讀寫更多的神經(jīng)元數(shù)量。數(shù)據(jù)顯示，人腦有800億個(gè)神經(jīng)元，需要多少的通道才能夠解讀大腦，沒人知道，但是可以肯定的是，通道數(shù)一定會持續(xù)增長。彭雷進(jìn)一步指出，“腦機(jī)接口領(lǐng)域也應(yīng)該有一個(gè)‘摩爾定律’，即每隔18個(gè)月可以讀寫的腦機(jī)接口神經(jīng)元數(shù)量細(xì)胞應(yīng)該翻一倍，這是我們認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。
同時(shí)，侵入式腦機(jī)接口技術(shù)也需要降低手術(shù)的植入創(chuàng)口大小，推動手術(shù)創(chuàng)口從厘米級走向毫米級、亞毫米級甚至更小。長期在體，則需要解決柔性電極系統(tǒng)在體時(shí)間從短期植入提升到以年為單位的更長時(shí)間。
對標(biāo)Neuralink，腦虎科技為何能脫穎而出
上海腦虎科技有限公司成立于2021年10月，是一家以柔性腦機(jī)接口去保護(hù)和探索大腦的生命科技公司?；谌嵝噪姌O系統(tǒng)方案的三大發(fā)展方向，上海腦虎科技就自主開發(fā)可臨床大面積推廣的高通量、低創(chuàng)傷、可長期在體的柔性腦機(jī)接口核心技術(shù)和包括電極、芯片、材料、封裝、植入一體化微系統(tǒng)整體解決方案，相關(guān)技術(shù)獲得了2021年度世界人工智能大會最高獎SAIL獎。
首先，在核心的柔性電極方面，上海腦虎科技采用了MEMS集成電路工藝來打造高通量、高密度、超柔性的電極，這顛覆了傳統(tǒng)以來器械半手工制備的方式。并且，達(dá)到了深部電極但器件集成2640通道，皮層電極1024通道的極高通量水平。
其次，在植入技術(shù)上，上海腦虎科技也采用全球獨(dú)創(chuàng)的技術(shù)——微創(chuàng)蠶絲蛋白電極包裹植入技術(shù)。因?yàn)樯畈侩姌O要插入大腦皮層，沒有辦法自己植入，所以通常需要通過Neuralink的手術(shù)機(jī)器人以類似“縫紉機(jī)”的方式進(jìn)行植入。對此，上海腦虎科技嘗試采用了蠶絲蛋白來包裹柔性電極，使柔性的電極表面固化，讓電極的硬度介于血管和腦組織之間，這樣將更為方便植入，而在植入完成之后，蠶絲蛋白就會溶解，電極就會恢復(fù)之前柔軟的狀態(tài)，植入大腦皮層的時(shí)候可以躲避血管，也可以減少對血管的損傷。同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)弱排異、小創(chuàng)口。這主要利用了蠶絲蛋白所具有天然的抗菌性、可控降解、生物相容性好、機(jī)械性能佳等性能優(yōu)勢。不過，目前上海腦虎科技研究的該技術(shù)還是在實(shí)驗(yàn)室的探索階段，沒有進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。
在動物實(shí)驗(yàn)方面，上海腦虎科技在今年7月的上海人工智能大會上國內(nèi)首發(fā)了其全套制研的電極植入體腦電算法平臺，展示了通過半植入的方式訓(xùn)練一只兩歲的拉布拉多犬在跑步機(jī)上走路，在走路的過程中去解碼運(yùn)動區(qū)的腦電源區(qū)的信號跟步態(tài)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了80%以上的軌跡相關(guān)性，解碼的準(zhǔn)確率也非常之高。
“第一代產(chǎn)品還是半植入，通過有線的設(shè)備去植入，拉布拉多犬在跑步機(jī)訓(xùn)練走路，頭上可以長期的采集信號，解碼它的步態(tài)跟腦電信號的關(guān)系，通過解碼可以獲得一個(gè)模型，這個(gè)整套環(huán)節(jié)和設(shè)備都是腦虎科技研發(fā)的。馬斯克之前做了豬走路的實(shí)驗(yàn)，我們同樣在狗上完成了實(shí)驗(yàn)。”
今年7月，上海腦虎科技還對于一只7歲的恒河猴做了植入實(shí)驗(yàn)。首先是訓(xùn)練了100天，使它學(xué)會了通過控制搖桿與電腦對打類似乒乓球的一個(gè)小游戲，接到球會有獎勵(lì)，可以喝到飲料。然后對其進(jìn)入了腦機(jī)接口的植入。在實(shí)驗(yàn)過程中，把搖桿斷線，猴子本身無法區(qū)分搖桿是否在線，但是斷掉搖桿連接之后，屏幕上的小板還能受（腦信號）控制，連續(xù)十次接球都是成功，說明信號不是來自于搖桿，而是來自于它腦部的信號解碼。這也是國內(nèi)首次做的恒河猴腦控運(yùn)動解碼的項(xiàng)目。馬斯克的Neuralink于2021年展示的恒河猴腦控實(shí)驗(yàn)，也是用了同樣的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模式展示。
在人體實(shí)驗(yàn)上，今年2月份，上海腦虎科技實(shí)現(xiàn)了在術(shù)中植入電極，這也是國內(nèi)第一次將電極植入人腦，并采集到單個(gè)神經(jīng)元的信號。這也使得上海腦虎科技獲得2023年度上海人工智能大會的最高獎，
在今年5月份，上海腦虎科技還聯(lián)合華山醫(yī)院，在術(shù)中了做漢語語調(diào)的解碼，也是用了腦虎科技全套的腦電的電極，在術(shù)中開顱的情況下將電極放在患者的語言表達(dá)區(qū)，將患者喚醒，患者在清醒狀態(tài)下進(jìn)行了語言范式的讀取和解碼的合成。
顯然，雖然上海腦虎科技起步比Neuralink要更晚，但是在侵入式腦機(jī)接口技術(shù)的進(jìn)展和動物實(shí)驗(yàn)上，目前已經(jīng)達(dá)到了與Neuralink相當(dāng)?shù)乃?。而在人體臨床實(shí)驗(yàn)方面，上海腦虎科技更是實(shí)現(xiàn)了對Neuralink的領(lǐng)先。
另外，在產(chǎn)品布局方面，上海腦虎科技這兩年的時(shí)間面向市場推出了工完整的解決方案。腦機(jī)接口應(yīng)該包括的整體生態(tài)非常完整，硬件層面需要有電極，植入體需要三類醫(yī)療器械才能夠上臨床，芯片也要能夠?qū)崿F(xiàn)高通量信號采集和處理，外部的手術(shù)機(jī)器人需要可以實(shí)現(xiàn)視覺引導(dǎo)下的微絲的導(dǎo)入，它的設(shè)還有腦電等等。
彭雷指出：“整個(gè)方案需要一系列的軟硬件生態(tài)，我們?nèi)慷及阉龀鰜砹耍?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E8%BD%AF%E4%BB%B6/">軟件也非常重要，這個(gè)領(lǐng)域是我們很想做的事情。腦科學(xué)里面過去沒有形成面向全球的開源軟件和數(shù)據(jù)的算法。為什么AI在過去一年有快速的發(fā)展，因?yàn)锳I有成熟的底層生態(tài)，包括上面的大模型應(yīng)用、算法級的分享，而腦科學(xué)領(lǐng)域目前則沒有。我們腦虎科技希望把這套算法、云跟數(shù)據(jù)的能力做一套平臺，這是我們很想做的一件事情。動物實(shí)驗(yàn)我們自己做了小鼠、兔子、狗、猴，臨床實(shí)驗(yàn)上目前我們表現(xiàn)在國內(nèi)最領(lǐng)先的完成了一系列人體的實(shí)驗(yàn)。中國做侵入式的腦機(jī)接口需要具備的產(chǎn)品能力是每個(gè)模塊都需要具備，全面發(fā)展。”
得益于在侵入式腦機(jī)接口技術(shù)上的領(lǐng)先性，上海腦虎科技也獲得了資本的追捧。據(jù)彭雷介紹，上海腦虎科技成立僅兩年多的時(shí)間就已經(jīng)獲得了3.3億人民幣現(xiàn)金的融資，是目前國內(nèi)腦機(jī)接口領(lǐng)域融資額最高的公司。
“ 腦虎科技（NeuroXess）是一家通過柔性腦機(jī)接口技術(shù)來保護(hù)及探索大腦的生命科技公司。創(chuàng)始人是陶虎博士和我，陶虎博士是中科院上海微系統(tǒng)所副所長，我們是典型的科學(xué)家跟創(chuàng)業(yè)者的結(jié)合，不僅要有科學(xué)家牽頭做前沿技術(shù)探索，還要有人把公司商業(yè)化路徑規(guī)劃好。我們也期待，我們的這套硬件、軟件、動物實(shí)驗(yàn)的腦機(jī)接口這套能力，能夠賦能更多科學(xué)家和醫(yī)療機(jī)構(gòu)，希望跟更多的小伙伴一起探索解開這個(gè)問題?！迸砝鬃詈罂偨Y(jié)說道。
編輯：芯智訊-浪客劍
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