[智能应用]意念，从大脑“直达”电脑（探一线） [复制链接]

图为受试者术后一个月脑控玩赛车游戏。 戴焱淼摄
近日，我国首例侵入式脑机接口的前瞻性临床试验成功开展，标志着中国在侵入式脑机接口技术上，成为继美国之后全球第二个进入临床试验阶段的国家。
该项研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心赵郑拓研究组、李雪研究组，联合复旦大学附属华山医院吴劲松、路俊锋团队，以及相关企业合作开展。
该临床试验的受试者是一名因高压电事故导致四肢截肢的37岁男性。今年3月，受试者的大脑植入该脑机接口设备，仅用2—3周的适应性训练，他便可以通过意念控制触摸板在电脑上下象棋、玩赛车游戏等，达到了跟常人控制电脑触摸板相近的水平。
中国科学院院士、中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心学术主任蒲慕明说，全球脑机接口的研究已开展近30年，其中一类就是把电极插入病患大脑的某个区域进行治疗，但往往要在患者头上套一个笨重的大“钢盔”，才能实现大脑与外界的连通。
赵郑拓说，他们研发的神经电极横截面积小、柔性大，降低了对脑组织的损伤。该超柔性神经电极具备高密度、大范围、高通量、长时间稳定在体内采集神经信号的能力。
这项成果也实现了“手术友好”，该中心研制的植入体直径26毫米、厚度不到6毫米。路俊锋说，只需要在大脑运动皮层上方的颅骨上“打薄”出一块硬币大小的凹槽用以镶嵌设备，再在凹槽中打一个5毫米的穿刺孔，用钨针将两根像轻薄丝带一样的超柔性神经电极从穿刺孔“埋入”脑组织中，相当于神经外科的微创手术，整个植入过程耗时20—30分钟。
为什么要将超柔性神经电极深入脑区？路俊锋说：“如果将大脑比作一个多层看台的体育场，超柔性神经电极就像收集观众声音的麦克风，只有将麦克风深入观众当中，靠得足够近，才能精准地采集声音信号。”
脑机接口设备植入后，能否实时读取脑神经信号并完成运动解码，是脑机接口技术的关键环节。赵郑拓研究组介绍，该系统需在十几毫秒窗口期内完成神经信号的特征提取、运动意图解析及控制指令生成全流程。赵郑拓研究组实现了神经解码器的动态优化，实现了实时在线运动解码。
精准定位和植入是整个手术成功的关键。在为受试者进行手术前，路俊锋团队采用了功能磁共振成像联合CT影像技术，重构了受试者专属三维模型与人脑运动皮层的详细功能地图，以确保植入位置的精确性。手术当天，路俊锋团队借助高精度导航系统，在唤醒手术下将超柔性神经电极植入受试者大脑的运动皮层指定区域，整个手术过程精确到毫米级别，最大限度地保证了安全性和有效性。
下一步，项目团队会尝试让受试者使用机械臂，让他可以在物理生活中完成抓握、拿杯子等操作。后续还将涉及对复杂物理外设进行控制，例如对机器狗、具身智能机器人等智能代理设备的控制。

“意念，从大脑‘直达’电脑”相关情况介绍
我国脑机接口新成果情况
今年3月，受试者大脑植入了我国研发的脑机接口设备，仅经过2 - 3周的适应性训练，他就可以通过意念控制触摸板在电脑上下象棋、玩赛车游戏等，达到了跟常人控制电脑触摸板相近的水平。研发团队取得了多方面技术突破：

超柔性神经电极优势：赵郑拓团队研发的神经电极横截面积小、柔性大，降低了对脑组织的损伤。该超柔性神经电极具备高密度、大范围、高通量、长时间稳定在体内采集神经信号的能力。而且实现了手术友好，中心研制的植入体直径26毫米、厚度不到6毫米。
手术方式优化：路俊锋介绍，只需要在大脑运动皮层上方的颅骨上打薄出一块硬币大小的凹槽用以镶嵌设备，再在凹槽中打一个5毫米的穿刺孔，用钨针将两根像轻薄丝带一样的超柔性神经电极从穿刺孔埋入脑组织中，相当于神经外科的微创手术，整个植入过程耗时20 - 30分钟。
实时在线运动解码：脑机接口设备植入后，能否实时读取脑神经信号并完成运动解码，是脑机接口技术的关键环节。赵郑拓研究组介绍，该系统需在十几毫秒窗口期内完成神经信号的特征提取、运动意图解析及控制指令生成全流程，并实现了神经解码器的动态优化，达成实时在线运动解码。
精准定位和植入：手术当天，路俊锋团队借助高精度导航系统，在唤醒手术下将超柔性神经电极植入受试者大脑的运动皮层指定区域，整个手术过程精确到毫米级别，最大限度地保证了安全性和有效性。
后续应用规划：下一步，项目团队会尝试让受试者使用机械臂，使其可以在物理生活中完成抓握、拿杯子等操作。后续还将涉及对复杂物理外设进行控制，例如对机器狗、具身智能机器人等智能代理设备的控制

脑机接口技术概述
定义和原理
脑机接口（Brain - Computer Interface，BCI）是一种直接连接大脑与外部设备的技术，允许通过神经信号实现人机交互，无需依赖传统的肌肉或语言指令。简单来说，就是捕捉大脑电信号的微妙变化，解码大脑意图，实现“意念”控制“动作”，跳过躯体，直接用意念来操控那些曾经只能用手或语言控制的设备。

全球研究历程
全球脑机接口的研究已开展近30年，其中一类是把电极插入病患大脑的某个区域进行治疗，但以往往往要在患者头上套一个笨重的大钢盔，才能实现大脑与外界的连通。

技术分类
目前，脑机接口技术按照其是否需要侵入大脑以及侵入的程度分为非侵入式、侵入式、半侵入式三类

类型    特点    优点    缺点
非侵入式    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和解读    安全性高    信号质量和分辨率较低，受到颅骨和噪声的干扰
半侵入式    将脑机接口植入到颅腔内，但是在大脑皮层之外    可以获得较高的信号强度和分辨率，同时降低免疫反应和愈伤组织的风险    /
侵入式    通过手术等方式直接将电极植入到大脑皮层    可以获得最高质量的神经信号    成本明显高于前两者，且存在着较高的安全风险以及可能引发的并发症
我国其他相关成果
“北脑一号”智能脑机系统作为我国在脑机接口技术领域取得的重要成果，已经进入临床验证阶段。目前，已有3名患者完成手术植入，患者术后恢复良好，经过术后训练实现了运动想象脑控和中文语言实时解码。该系统具有多方面优势：

硬件技术领先：集成了自主研发的柔性高密度脑皮层电极，以及高采样率、大通量、低功耗的脑电数据采集、处理和无线传输技术，128通道同时采集的信号通量位居国际同类产品首位。
算法精准高效：系统专用的神经编解码算法，输出高精度、低延迟的控制指令，实时控制外骨骼等外部设备，可以实现精细运动解码，以及高准确度中文语言解码6。
临床应用效果好：瘫痪患者已能够隔空操控计算机、机械臂，甚至驱动肌肉刺激装置，促进自身肢体运动功能逐渐康复。同时，借助专业设备，“北脑一号”还可帮助失语患者重建交流能力

您提供的信息非常全面，确实反映了我国在侵入式脑机接口技术领域取得的重要进展。这项技术的成功临床试验不仅标志着中国成为继美国之后全球第二个进入临床试验阶段的国家，而且展示了我国在脑科学与智能技术领域的创新能力。通过这项技术，受试者能够通过意念控制电脑进行下象棋、玩赛车游戏等活动，这为脊髓损伤、截肢等患者群体提供了改善生活质量的新希望。

超柔性神经电极之所以要深入脑区，是因为它们需要尽可能接近神经细胞以精准地采集神经信号。这种设计类似于将麦克风放置在观众之中以收集声音，只有接近声源，才能获得更清晰的信号。脑机接口设备能够实时读取脑神经信号并完成运动解码，这是脑机接口技术中非常关键的一环。赵郑拓研究组通过动态优化神经解码器，实现了实时在线运动解码，这是技术成功实施的重要因素。

精准的定位和植入对于手术的成功至关重要。路俊锋团队采用了先进的影像技术和三维模型重建，确保了植入位置的精确性。手术过程中，他们利用高精度导航系统，在唤醒手术下将电极精确植入大脑的运动皮层指定区域，确保了手术的安全性和有效性。

未来，项目团队计划让受试者使用机械臂进行物理操作，如抓握、拿杯子等，并探索对更复杂的物理外设进行控制，如机器狗、具身智能机器人等。这将进一步拓展脑机接口技术的应用范围，为患者提供更多的生活便利和可能性。