近日，腦機(jī)接口技術(shù)又取得重大進(jìn)展，美國加州大學(xué)戴維斯分校健康中心開發(fā)出一款新型腦機(jī)接口（BCI），可將腦信號轉(zhuǎn)化為語音，準(zhǔn)確率高達(dá)97%。該團(tuán)隊(duì)在一名因肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS）而語言能力嚴(yán)重受損的男子大腦中植入傳感器。啟動該系統(tǒng)后，該男子在幾分鐘內(nèi)就能說出自己想要說的話。
腦機(jī)接口不斷實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新
該團(tuán)隊(duì)通過手術(shù)在這名患者大腦的外層植入了四個(gè)電極陣列，每個(gè)陣列的64個(gè)探針能捕捉到患者試圖移動嘴唇、下巴和舌頭說話時(shí)，神經(jīng)元發(fā)出的電信號。
手術(shù)后三周，研究者成功將植入設(shè)備通過連接到患者頭骨上兩個(gè)金屬柱子的連接線，連接到一排計(jì)算機(jī)上。僅僅在計(jì)算機(jī)短暫地學(xué)習(xí)了患者的講話后，這套裝置就開始以99.6%的準(zhǔn)確率記錄他想通過50個(gè)詞匯表達(dá)的內(nèi)容。
在試驗(yàn)的第二天，設(shè)備已經(jīng)能夠以90%的準(zhǔn)確率覆蓋125,000個(gè)詞匯，并且首次生成了該名患者自己編寫的句子。而且，該設(shè)備用一種非常像他自己聲音的聲音說出了這些句子：研究者使用播客采訪和其他舊錄音，使用AI深度模仿該名患者在患病之前的聲音。
隨著研究者們繼續(xù)訓(xùn)練設(shè)備以識別他的聲音，設(shè)備表現(xiàn)得越來越好。研究報(bào)告稱，在八個(gè)月的時(shí)間里，該名患者共說出了近6,000個(gè)不同的詞匯，設(shè)備的準(zhǔn)確率保持在97.5%。
研究人員表示，這一成就部分得益于像ChatGPT這樣的語言工具所使用的人工智能模型。在任何給定時(shí)刻，該名患者的植入物會拾取一組神經(jīng)元的活動，將它們的發(fā)射模式翻譯成元音或輔音的聲音單位。然后，計(jì)算機(jī)將一串這樣的聲音聚合成一個(gè)詞，并將一串詞聚合成一個(gè)句子，選擇它們認(rèn)為最有可能與該名患者試圖說的內(nèi)容相符的輸出。
腦機(jī)接口，是指在人或動物大腦與外部設(shè)備之間創(chuàng)建的直接連接，實(shí)現(xiàn)腦與設(shè)備的信息交換。腦機(jī)接口技術(shù)是一種變革性的人機(jī)交互技術(shù)。其作用機(jī)制是繞過外周神經(jīng)和肌肉，直接在大腦與外部設(shè)備之間建立全新的通信與控制通道。它通過捕捉大腦信號并將其轉(zhuǎn)換為電信號，實(shí)現(xiàn)信息的傳輸和控制。
腦機(jī)接口這一概念早已有之，但直到20世紀(jì)90年代以后，才開始有階段性成果出現(xiàn)。2023年，科學(xué)家們開發(fā)了可以將神經(jīng)信號轉(zhuǎn)化為接近正常對話速度的語句的腦機(jī)接口。全球首例非人靈長類動物介入式腦機(jī)接口試驗(yàn)在北京獲得成功，促進(jìn)了介入式腦機(jī)接口從實(shí)驗(yàn)室前瞻性研究向臨床應(yīng)用邁進(jìn)。
2024年1月29日，首例人類接受了腦機(jī)接口公司Neuralink的植入物，目前恢復(fù)良好。2月，首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院神經(jīng)外科賈旺教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合清華大學(xué)洪波教授團(tuán)隊(duì)，利用微創(chuàng)腦機(jī)接口技術(shù)首次成功幫助高位截癱患者實(shí)現(xiàn)意念控制光標(biāo)移動。
3月，清華大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)公布了兩個(gè)案例，兩位高位截癱患者分別通過無線微創(chuàng)腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)了意念控制光標(biāo)移動、意念控制手套外骨骼持握，其中一名患者四肢癱瘓14年來，第一次實(shí)現(xiàn)了“用手喝水”。5月消息，腦機(jī)接口公司Neuralink正在接收第二位植入者申請，該試驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)意念控制手機(jī)和電腦。
腦機(jī)接口技術(shù)不斷實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新。在電極與芯片技術(shù)方面，腦機(jī)接口技術(shù)的關(guān)鍵在于高效、精確地采集和分析腦電信號。近年來，電極材料和神經(jīng)接口芯片技術(shù)不斷升級，使得信號采集的精度和實(shí)時(shí)性大大提高。
在信號解碼與處理方面，隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的引入，腦電信號的解碼能力顯著增強(qiáng)。這些技術(shù)能夠更準(zhǔn)確地識別和理解大腦中的信息，為腦機(jī)接口的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。人工智能技術(shù)在腦機(jī)接口創(chuàng)新方面的應(yīng)用，在上述團(tuán)隊(duì)的最新研究中就得到了很好的體現(xiàn)。
國內(nèi)外腦機(jī)接口芯片進(jìn)展
從腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)鏈來看，其上游主要包含電極、算法、BCI芯片等軟硬件設(shè)備，中游主要為腦機(jī)接口系統(tǒng)相關(guān)企業(yè)及合作伙伴，下游則為應(yīng)用領(lǐng)域，包括科研設(shè)備和醫(yī)療健康領(lǐng)域。
其中，在腦機(jī)接口技術(shù)中，電極和芯片是兩個(gè)關(guān)鍵的硬件組成，電極負(fù)責(zé)高質(zhì)量的信號采集，芯片負(fù)責(zé)對這些信號處理，使其能夠被外部設(shè)備理解和使用。
腦機(jī)接口芯片通常包含精密放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)字信號處理器（DSP）等，它們對信號進(jìn)行放大、濾波、數(shù)字化和初步處理，以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和解碼。
根據(jù)應(yīng)用場景不同，腦機(jī)接口芯片可以分為主要用于捕捉大腦神經(jīng)元的電信號，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號供后續(xù)處理，廣泛應(yīng)用于神經(jīng)科學(xué)研究、康復(fù)治療等領(lǐng)域的神經(jīng)信號采集芯片；通過解析大腦信號，實(shí)現(xiàn)對外部設(shè)備的運(yùn)動控制（如假肢、輪椅）的運(yùn)動控制芯片；能夠識別和分析大腦信號中的情感信息，為人機(jī)交互等領(lǐng)域提供有力支持的情感識別芯片等。
目前，全球范圍內(nèi)已有眾多科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)致力于腦機(jī)接口芯片技術(shù)的研發(fā)。其中，Neuralink是國外知名的腦機(jī)接口公司，其首例人體植入的“心電感應(yīng)”N1芯片通道數(shù)為1024，用來實(shí)現(xiàn)對大腦活動的解碼并幫助患者控制鼠標(biāo)光標(biāo)等。
中國團(tuán)隊(duì)也自主研發(fā)了多款腦機(jī)接口芯片，包括“天谷”V1.0，該芯片由中電云腦、腦機(jī)交互與人機(jī)共融海河實(shí)驗(yàn)室、天津大學(xué)合作研發(fā)，是一款基于PKS的國產(chǎn)化腦機(jī)交互信號采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)面向EEG、ECG等神經(jīng)電生理信號采集與計(jì)算應(yīng)用，構(gòu)建了生理信號的采集、處理、傳輸系統(tǒng)一體化系統(tǒng)。同時(shí)，該產(chǎn)品與“飛騰CPU芯片+銀河麒麟桌面操作系統(tǒng)”組合實(shí)現(xiàn)了兼容性測試與認(rèn)證，對推動國產(chǎn)化進(jìn)程具有重要意義。
還有NeuraMatrix芯片，由清華大學(xué)孵化的企業(yè)開發(fā)，已完成多輪迭代。該芯片在功耗、無線傳輸?shù)确矫婢哂酗@著優(yōu)勢，能夠降低產(chǎn)品系統(tǒng)功耗，縮小電池體積，實(shí)現(xiàn)整機(jī)體積大幅減小。同時(shí)，其無線傳輸采用醫(yī)用頻段而非藍(lán)牙，使腦電數(shù)據(jù)傳輸量更大，并可無縫對接醫(yī)療器械。NeuraMatrix芯片已形成樣機(jī)并投入科研室使用。
以及“腦語者”芯片，這款芯片由天津大學(xué)和中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司聯(lián)合研發(fā)，是全球首款腦-機(jī)接口專用芯片。該芯片擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，具備精解碼、高指令、快通訊、強(qiáng)交互等四大優(yōu)勢，有望在醫(yī)療、教育、家居、游戲及特種行業(yè)等領(lǐng)域投入使用。
另外，去年8月，武漢高德紅外股份有限公司董事長黃立表示，他投資設(shè)立的衷華腦機(jī)接口公司成功研發(fā)出具有國際先進(jìn)水平的65000通道雙向腦機(jī)接口芯片。這一技術(shù)的突破將使得多項(xiàng)醫(yī)療應(yīng)用成為可能，例如讓假肢擁有真實(shí)的感覺、通過人腦意念控制假肢、治療多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病如癲癇、阿爾茨海默病、抑郁癥和帕金森病，以及讓盲人恢復(fù)視力、存儲記憶等。今年6月，三博腦科宣布，與武漢衷華腦機(jī)戰(zhàn)略合作簽約，促進(jìn)腦機(jī)接口臨床轉(zhuǎn)化。
寫在最后
近些年，時(shí)?？梢钥吹侥X機(jī)接口技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用進(jìn)展。尤其人工智能技術(shù)不斷成熟的情況下，腦機(jī)接口+人工智能，讓更多過往的想象成為可能，如上述美國加州大學(xué)戴維斯分校健康中心實(shí)現(xiàn)的這個(gè)案例，在人工智能技術(shù)的幫助下，讓肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS）而語言能力受損患者能夠重新“發(fā)聲”。同時(shí)，作為腦機(jī)接口的核心元件的芯片至關(guān)重要，可以看到，國內(nèi)外企業(yè)和機(jī)構(gòu)都在積極持續(xù)研發(fā)，并不斷取得進(jìn)展。
