从《流浪地球2》谈脑机接口BCI技术现状？

导语：如果说AI的终极目标是实现无机生命智能的极致，那脑机接口做的事就是打破有机生命智能与无机智能的信息边界，实现融合。

最近《流浪地球2》火热刷屏，笔者也在春节期间抽时间观看了这部精彩的大片。中国科幻电影崛起的背后是“中国制造”和中国科技硬实力的崛起，正因为中国的航天事业蓬勃发展，中国的制造能力全球第一，中国建造太空电梯以及地球发动机等桥段看起来才能让人信服而不违和。

实现“数字生命”的两大关键技术

关于《流浪地球2》中涉及到的不少具体技术细节或科技，网上已经有大量的介绍。本文将主要谈一谈实现电影中“数字生命”的关键技术：脑连接图谱以及脑机接口技术。

脑链接图谱这里简单说一下，就是对于人的大脑通过3D扫描进行建模，相当于为大脑的神经元绘制一个地图。这个地图绘制得越精细，数据量越大，就能越准确的模拟大脑的运行轨迹和规律。在科幻电影中，将大脑进行扫描并上传到云端的技术，其实就是一个脑链接图谱。只不过目前我们能够进行扫描绘制的只是静态的图谱，远远无法做到电影中的实时变化的动态图谱。据了解，目前对于老鼠大脑的扫描，通过对神经元的投射，进行全脑血管的三维重建与标注，其中的数据量可能达到10T级别。中科院骆清铭院士的研究方向正是脑连接方向。目前不少国家都在积极进行脑科学领域的竞争，特别是美国、欧盟、中国都正在主导自己的“脑计划”。

美国政府于1989 年率先提出脑科学计划，并把20 世纪最后10 年命名为“脑的10 年”。奥巴马政府于2013 年 4月 2日宣布“脑计划”（BRAIN Initiative，通过推进创新神经技术进行大脑研究），旨在探索人类大脑工作机制、绘制脑活动全图、推动神经科学研究、针对目前无法治愈的大脑疾病开发新疗法。美国政府公布“脑计划”启动资金逾1 亿美元，后经调整，计划未来12 年间共投入45亿美元。（本文重点介绍脑机接口技术的发展现状。如果各位观众对于脑链接图谱技术现状感兴趣，欢迎留言，以后笔者会开新的文章介绍。）

另一个关键技术是脑机接口BCI技术。这个技术在科幻电影中其实并不新鲜。电影《阿凡达》中主人公利用一个机器直接将自己的心智移植到了另一个非人类身体上，能随心所欲就像操控自己的一样的操控这具非人类的身体，具备所有的感知能力与操控力。

动漫作品《刀剑神域》中通过头戴游戏机，直接登陆进入全新的虚拟世界，一切的法则遵从虚拟世界的设定，在这个虚拟世界里你可以把思想转化为有形的动作、印象或情感。与阿凡达的显著区别就是，这个世界中你交流的对象还有无数和你一样用这个方式进入的虚拟世界的玩家。

其他涉及到脑机接口技术的作品还有：漫画《机动战士钢弹》、漫画《攻壳机动队》、OVA动画《风暴战士ORGUN》、游戏《使命召唤：黑色行动III》等等。

脑机接口（Brain-computer interface, BCI）技术是指利用中枢神经系统产生的信号，在不依赖外周神经或肌肉的条件下，把用户或被试的感知觉、表象、认知和思维等直接转化为动作，在大脑（含人与动物脑）与外部设备之间建立直接的交流和控制通道，其目的主要是为疾病患者、残障人士和健康个体提供可选的与外部世界通信和控制的方式，以改善或进一步提高他们的生活质量。

1924年，德国心理学家Hans Berger 首次发现人的alpha波，命名为EEG。早在1970年美国UCLA大学就开始进行脑机接口技术的研究。1978年第一个BCI用于辅助盲人行动。2003年第一款BCI游戏问世。2009年日本开发高精度BCI控制的智能轮椅。如果说AI的终极目标是实现无机智能的极致，那脑机接口做的事就是打破有机生命智能与无机智能的信息边界，实现融合。

为何80%的专业人士倾向于非侵入式脑机接口？

脑机接口技术的类型主要有两种：根据采集方式的不同，脑机接口可以分为侵入式，部分侵入式还有非侵入式，侵入式通常植入大脑，部分侵入是颅腔内，非侵入式只是需要体外穿戴，是当前采用的主要方式。随着国内外非侵入式脑机接口开发日渐成熟，目前已可满足临床的需求，更便于产品落地和技术迭代。

其中侵入式脑机接口的代表是马斯克创立的Neuralink。2020年9月，Neuralink完成了三只小猪的脑机接口植入；2021年4月，Neuralink完成了对猴子Pages的植入。埃隆·马斯克表示，该公司正在努力在人脑和计算机之间建立直接联系，他认为这对于人类保持与人工智能的竞争力是必要的。他还表示，该技术可用于帮助残疾人或神经系统疾病患者。由于脑机接口领域仍处于早期发展阶段，虽然脑机接口的概念已成为研究课题多年，但在广泛采用之前，仍有许多技术和科学挑战需要克服。

不过，在2022年海口举行的《首届南渡江智慧医疗与康复产业高峰论坛》上，与会专家和现场观众就进行了现场投票，其中超过80%的医疗行业人士更倾向于非侵入式脑机接口。因受到技术、伦理等多重限制，侵入式脑机接口领域的研究投入小于非侵入式脑机接口，研究机构和企业数量远少于非侵入式脑机接口。举例来说，在采集设备方面，侵入式脑机接口的其关键器件的研究和开发是与半导体材料和加工技术同步发展的，因为大脑组织的特殊性，其采集设备对安全性的要求极高。目前除了传统的刚性电极，在柔性电极方面，Neuralink开发了马斯克称之为“神经蕾丝”的技术，在人脑中植入细小的电极，微米级的螺纹插入大脑控制运动的区域。每根线都包含许多电极，并将其连接到植入物。在中国，成立于2016年的科斗脑机也开42发出多种侵入式脑微电极。但是，技术仍存在瓶颈。

脑机接口技术的功效可以归结为如下5 类：监测（使用脑机接口系统监测部分人体意识状态）、替代（脑机接口系统的输出可以取代由于损伤或疾病而丧失的自然输出）、改善/恢复（主要针对康复领域，改善某种疾病的症状或恢复某种功能）、增强（主要是针对健康人而言，实现机能的提升和扩展）、补充（主要针对控制领域，增加脑控方式，作为传统单一控制方法的补充，实现多模态控制）。围绕上述 5大功效，在具体应用方面，脑机接口技术在严肃医学、大健康消费、辅助生活、娱乐游戏这四大领域应用比较突出，其它可使用的应用领域还包括人机交互、军事等用途。

中国脑机接口技术的产业现状？

近两年来，随着脑科学和类脑科学、人工智能技术的不断进步，脑机接口也受到了更多的瞩目，特别是资本的青睐。阿里达摩院发布《2021十大科技趋势》预测指出脑机接口将迎来重大进展，脑机接口帮助人类超越生物学极限。

中国的脑机接口研究最早是上世纪90年代，经过多年发展，取得了一系列学术成果。不过，脑机接口系统中最重要的组成部分——神经信号采集系统，一直被来自欧美的进口产品所垄断，导致我国难以形成完全自主可控的脑机接口系统技术体系，同时也限制了脑机接口技术在医疗以及其他领域的大范围应用。国内对于脑机接口的研发处于初期阶段，无论是技术还是市场起步都比国外要晚。目前企业主要集中在医疗领域，非医疗领域的应用场景主要包括教育和智能家居。近年来，中国脑机接口核心技术和硬件开始快速发展，特别是脑机接口芯片。

脑机接口主要芯片厂商，来源：中国信通院

其中由天津大学和中国电子信息产业集团合作成立的中电云脑公司，在2019年发布了全球首款高集成脑-机交互芯片“脑语者”，算是走到了国际前列。

总的来看，脑机接口技术在医疗领域研究价值重大，应用领域广泛，但其研发成本高、周期长，技术成熟度和产品化程度低，技术发展面临诸多挑战。与国外脑机接口技术发展现状相比，中国在相关软件，特别是算法层面，已与国际研究水平同步，部分领域处于国际领先地位。但硬件（包括设备、材料、芯片等）研发还尚需加强，部分存在“卡脖子”问题。

作为一种新兴的、复杂的、涉及多学科的通信技术，脑机接口技术的发展还很不完善，存在的问题还很多，有待于跨学科的多行业专业人员下大气力研究解决。随着神经生物学、计算机科学、康复医学等相关学科的不断发展和融合，脑机接口技术或将日趋完善。