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提到脑机接口技术，很多人第一时间会想到特斯拉CEO马斯克创立的脑机接口公司Neuralink，作为一家基于侵入式脑机接口技术的公司，Neuralink在今年5月26日还率先获得美国FDA的批准进行人体临床实验，在全球脑机接口技术领域居于领先地位。相对于侵入式脑机接口技术来说，非侵入式及半侵入式的脑机接口技术的门槛和风险要更低一些，这也从事侵入式脑机接口技术的企业相对较少。那么目前国内厂商在侵入式脑机接口技术方面发展的如何呢？
12月21日，由海口市科学技术工业信息化局、芯原微电子（上海）股份有限公司主办的“第二届南渡江智慧医疗与康复产业高峰论坛”正式在海口召开。上海脑虎科技有限公司创始人、CEO彭雷做了题为《脑机接口——让大脑连接未来》的演讲，介绍了上海脑虎科技在侵入式脑机接口技术方面所取得的成果。
脑机接口技术分类与市场前景
脑机接口（Brain-Computer Interface， BCI）技术：是指在人或动物脑（或者脑细胞的培养物）与计算机或其他电子设备之间建立的不依赖于常规大脑信息输出通路(外周神经和肌肉组织)的一种全新通讯和控制技术。
目前脑机接口技术通常根据“侵入性”被分为：非侵入式（脑外）、侵入式和半侵入式三大类。
（如上图，不同的接口类型所获得的信号强度有很大差异）
非侵入式：是指无需通过侵入大脑，只需通过附着在头皮上的穿戴设备来对大脑信息进行记录何解读。这种技术虽然避免了昂贵和危险的手术，但是由于颅骨对于大脑信号的衰减作用，以及对于神经元发出的电磁波的分散和模糊效应，使得记录到的信号强度和分辨率并不高，很难确定发出信号的脑区或者相关的单个神经元的放电。
半侵入式：即将脑机接口植入到颅腔内，但是在大脑皮层之外。主要基于皮层脑电图（ECoG）进行信息分析。虽然其获得的信号强度及分辨率弱于侵入式，但是却优于非侵入式，同时可以进一步降低免疫反应和愈伤组织的几率。
侵入式：是指通过手术等方式直接将电极植入到大脑皮层，这样可以获得高质量的神经信号，但是却存在着较高的安全风险和成本。另外，由于异物侵入，可能会引发免疫反应和愈伤组织（疤痕组织），导致电极信号质量衰退甚至是消失。另外伤口也易出现难以愈合及炎症反应。因此，侵入式脑机接口技术的门槛和风险都相对更高。
目前，脑机接口技术主要应用在医学治疗相关领域，例如为遭受严重创伤或患有先天残障的患者制造可以凭“意念”控制的轮椅和假肢，让同时患有语言和肢体障碍的患者藉由脑机接口，将其所思所想呈现在电脑屏幕上，实现与外界交流，也可被脑部或神经受创的患者用于相关的康复训练。脑机接口技术也有被应用于教育领域，因为其可以训练孩子的专注力。游戏领域则是非侵入式脑机接口技术的另一大颇具想象力的应用领域，用户直接通过大脑就能够直接畅玩电脑游戏。
根据Data Bridge Market Research的数据研究显示，2019-2022年全球脑机接口市场规模从12亿美元增长至17.4亿美元，期内年平均复合增长率达13.19%，预计2023年全球市场规模将达到19.7亿美元。
侵入式脑机接口技术的三大主要路线
具体到侵入式脑机接口技术方面，也有三大主要技术路线：硅基硬质电极系统、血管电极系统、柔性电极系统。
硅基硬质电极系统，可以同时记录96个通道，可应用于临床，需要开颅。但是硬质的电极容易因为剪切力损伤脑组织。其中的代表公司是Blackrock，其硅基硬质电极也是目前唯一获得FDA批准的植入式电极。
第二个是血管电极系统，可同时记录16通道，可应用于临床，该技术的优点在于无需开洞手术，大大降低了患者的风险和不适感。颈静脉植入的方法相对简单，手术时间也更短。其中的代表公司是Synchron，他们开发了一种“支架”技术，通过颈静脉植入，并通过r管引导到大脑旁边的位置。该支架在大脑区域旁边放置了16个电极，可以无线和即时地控制设备。
第三个是柔性电极系统，虽然该技术也需要开颅植入，但是其优势在于对于大脑的损伤威胁相对硅基硬质电极系统更小，可同时三维记录1024通道，可以获得更为清晰稳定的脑电信号。其中的代表公司是马斯克的Neuralink，其特色在于开发了对应的手术机器人来进行开颅自动植入，在一定程度上降低了手术门槛和风险，此前已经在猪和猴子等动物实验上获得了成功。目前Neuralink的柔性深部电极方案已经获得了FDA的批准进行人体临床实验。
柔性电极系统方案的三大方向
国产侵入式脑机接口技术公司——上海脑虎科技有限公司也选择了与Neuralink一样的柔性电极系统方案。上海脑虎科技有限公司创始人、CEO彭雷表示，柔性电极系统满足脑机接口技术产业推广的三大核心要素是：高通量、低创伤、长期在体。
所谓高通量是指，柔性电极系统可以拥有更高的通道，这也决定了其可以读写更多的神经元数量。数据显示，人脑有800亿个神经元，需要多少的通道才能够解读大脑，没人知道，但是可以肯定的是，通道数一定会持续增长。彭雷进一步指出，“脑机接口领域也应该有一个‘摩尔定律’，即每隔18个月可以读写的脑机接口神经元数量细胞应该翻一倍，这是我们认为要实现的目标。
同时，侵入式脑机接口技术也需要降低手术的植入创口大小，推动手术创口从厘米级走向毫米级、亚毫米级甚至更小。长期在体，则需要解决柔性电极系统在体时间从短期植入提升到以年为单位的更长时间。
对标Neuralink，脑虎科技为何能脱颖而出
上海脑虎科技有限公司成立于2021年10月，是一家以柔性脑机接口去保护和探索大脑的生命科技公司。基于柔性电极系统方案的三大发展方向，上海脑虎科技就自主开发可临床大面积推广的高通量、低创伤、可长期在体的柔性脑机接口核心技术和包括电极、芯片、材料、封装、植入一体化微系统整体解决方案，相关技术获得了2021年度世界人工智能大会最高奖SAIL奖。
首先，在核心的柔性电极方面，上海脑虎科技采用了MEMS集成电路工艺来打造高通量、高密度、超柔性的电极，这颠覆了传统以来器械半手工制备的方式。并且，达到了深部电极但器件集成2640通道，皮层电极1024通道的极高通量水平。
其次，在植入技术上，上海脑虎科技也采用全球独创的技术——微创蚕丝蛋白电极包裹植入技术。因为深部电极要插入大脑皮层，没有办法自己植入，所以通常需要通过Neuralink的手术机器人以类似“缝纫机”的方式进行植入。对此，上海脑虎科技尝试采用了蚕丝蛋白来包裹柔性电极，使柔性的电极表面固化，让电极的硬度介于血管和脑组织之间，这样将更为方便植入，而在植入完成之后，蚕丝蛋白就会溶解，电极就会恢复之前柔软的状态，植入大脑皮层的时候可以躲避血管，也可以减少对血管的损伤。同时可以实现弱排异、小创口。这主要利用了蚕丝蛋白所具有天然的抗菌性、可控降解、生物相容性好、机械性能佳等性能优势。不过，目前上海脑虎科技研究的该技术还是在实验室的探索阶段，没有进入产业化阶段。
在动物实验方面，上海脑虎科技在今年7月的上海人工智能大会上国内首发了其全套制研的电极植入体脑电算法平台，展示了通过半植入的方式训练一只两岁的拉布拉多犬在跑步机上走路，在走路的过程中去解码运动区的脑电源区的信号跟步态关系，实现了80%以上的轨迹相关性，解码的准确率也非常之高。
“第一代产品还是半植入，通过有线的设备去植入，拉布拉多犬在跑步机训练走路，头上可以长期的采集信号，解码它的步态跟脑电信号的关系，通过解码可以获得一个模型，这个整套环节和设备都是脑虎科技研发的。马斯克之前做了猪走路的实验，我们同样在狗上完成了实验。”
今年7月，上海脑虎科技还对于一只7岁的恒河猴做了植入实验。首先是训练了100天，使它学会了通过控制摇杆与电脑对打类似乒乓球的一个小游戏，接到球会有奖励，可以喝到饮料。然后对其进入了脑机接口的植入。在实验过程中，把摇杆断线，猴子本身无法区分摇杆是否在线，但是断掉摇杆连接之后，屏幕上的小板还能受（脑信号）控制，连续十次接球都是成功，说明信号不是来自于摇杆，而是来自于它脑部的信号解码。这也是国内首次做的恒河猴脑控运动解码的项目。马斯克的Neuralink于2021年展示的恒河猴脑控实验，也是用了同样的实验标准模式展示。
在人体实验上，今年2月份，上海脑虎科技实现了在术中植入电极，这也是国内第一次将电极植入人脑，并采集到单个神经元的信号。这也使得上海脑虎科技获得2023年度上海人工智能大会的最高奖，
在今年5月份，上海脑虎科技还联合华山医院，在术中了做汉语语调的解码，也是用了脑虎科技全套的脑电的电极，在术中开颅的情况下将电极放在患者的语言表达区，将患者唤醒，患者在清醒状态下进行了语言范式的读取和解码的合成。
显然，虽然上海脑虎科技起步比Neuralink要更晚，但是在侵入式脑机接口技术的进展和动物实验上，目前已经达到了与Neuralink相当的水平。而在人体临床实验方面，上海脑虎科技更是实现了对Neuralink的领先。
另外，在产品布局方面，上海脑虎科技这两年的时间面向市场推出了工完整的解决方案。脑机接口应该包括的整体生态非常完整，硬件层面需要有电极，植入体需要三类医疗器械才能够上临床，芯片也要能够实现高通量信号采集和处理，外部的手术机器人需要可以实现视觉引导下的微丝的导入，它的设还有脑电等等。
彭雷指出：“整个方案需要一系列的软硬件生态，我们全部都把它做出来了，软件也非常重要，这个领域是我们很想做的事情。脑科学里面过去没有形成面向全球的开源软件和数据的算法。为什么AI在过去一年有快速的发展，因为AI有成熟的底层生态，包括上面的大模型应用、算法级的分享，而脑科学领域目前则没有。我们脑虎科技希望把这套算法、云跟数据的能力做一套平台，这是我们很想做的一件事情。动物实验我们自己做了小鼠、兔子、狗、猴，临床实验上目前我们表现在国内最领先的完成了一系列人体的实验。中国做侵入式的脑机接口需要具备的产品能力是每个模块都需要具备，全面发展。”
得益于在侵入式脑机接口技术上的领先性，上海脑虎科技也获得了资本的追捧。据彭雷介绍，上海脑虎科技成立仅两年多的时间就已经获得了3.3亿人民币现金的融资，是目前国内脑机接口领域融资额最高的公司。
“ 脑虎科技（NeuroXess）是一家通过柔性脑机接口技术来保护及探索大脑的生命科技公司。创始人是陶虎博士和我，陶虎博士是中科院上海微系统所副所长，我们是典型的科学家跟创业者的结合，不仅要有科学家牵头做前沿技术探索，还要有人把公司商业化路径规划好。我们也期待，我们的这套硬件、软件、动物实验的脑机接口这套能力，能够赋能更多科学家和医疗机构，希望跟更多的小伙伴一起探索解开这个问题。”彭雷最后总结说道。
编辑：芯智讯-浪客剑
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