脑机接口技术就不会有明显的技术差距

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他们为时代而传，我们为时代而传。

人脑至少有1000亿个神经元，大约等于银河系的恒星数量这些神经元构成10个15个神经连接，将复杂的相连神经首尾相连，全长超过18万公里如此复杂的网络让人类拥有了智慧，但探索大脑却成了全世界科学家努力达到的终极前沿

在脑组织中植入一个带有导电尖端和绝缘外壳的电极，近距离监测和破译神经元的通讯信息更有野心的是希望外界和我们的大脑能够直接形成双向交流这些想法可以追溯到20世纪20年代，当时一位德国医生开始尝试寻找脑电图信号，当时看起来像是黑科技，但现在已经成为各国脑科学研究的重要组成部分

今年上半年，由中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所高级工程师，博士生导师李小健带领的团队及其合作团队，完成了恒河猴脑内双阵列的长期植入， 并利用自主研发的仪器，以数万Hz的高采样率成功同步连续采集各通道的神经信号，在国内率先打通了脑机接口的全技术链条 而且，他们还在尝试利用国内自主研发的首个超千通道脑机接口系统，进行猕猴动手动作的脑机接口实验，被认为有望超越Neuralink此前在与猕猴玩MindPong时所展示的成果

中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所高级工程师，博士生导师李小健

如果每个人都在这个时间节点努力，脑机接口技术就不会有明显的技术差距现在也是神经科学开始进入市场转型的阶段如果能跟上这一块，那么与以Neuralink为代表的美国技术应该不会有太大差距李小健认为，在这场比赛中，中国仍然有很大的可能性在未来并行甚至领先

李小健留着平头，戴着黑框眼镜，穿着t恤，是一名成熟的工程教师他把面试安排在下午，他承认这基本上是他日常工作的开始，他最喜欢的时间是深夜工作时间，这是一天中效率最高的时间说起脑机接口，他就像拥有巨大的带宽，他的专业词汇就像滔滔不绝的文字

但是，与工科老师不同，李小健也善于表达，能够用非常简单的语言拉近深奥的科学与普通观众的距离他喜欢用电影作为类比他在一次演讲中说:相信大家都看过《黑客帝国》，一部经典的科幻电影影片中，主角们的大脑通过电缆连接到电脑后，就可以凭借自己的意识直接在虚拟世界中畅游对于自己无法知道的事情，只需要几秒钟就可以通过输入相关知识到大脑中进行学习另外，在卡梅隆的《阿凡达》中，男主角通过意识替换控制阿凡达，然后可以通过阿凡达将意识和龙飞连接起来，直接用意识控制龙飞此外，《阿丽塔:战斗天使》中的脑神经与电子设备对接，可以通过意识直接自由控制整个机械体这些确实很科幻现在，伴随着脑机接口技术的发展，科幻能成为现实吗

李小健有一个大胆的预言:

李小健2001年毕业于西北大学化学工程系，2010年获得中国科学院生物物理研究所博士学位在接下来的八年里，他在佐治亚医学院和西北大学担任助理研究员更具戏剧性的是，李小健评论了自己的学术成长背景:从最开始的用合成生物学制造蛋白质，注重创造新的生命体，到从脑科学中获得灵感，研究更高级的人工智能形式，最后尝试将人脑与计算机融为一体

2018年秋天李小健回国时，没有选择离家乡天津更近的学术圈，而是南下加入了中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所，恰逢广东省脑与类脑重点研发计划启动随后，李小健参与了类脑智能关键技术与系统省级研究和基于脑机融合的脑信息认知关键技术国家级研究

李小健目前的研究领域主要是高性能脑机接口和类脑工程，他的团队专注于植入式脑机接口的研究，包括用于宽带脑机接口的神经电子学和神经光子技术，用于神经模拟和类脑计算的神经环路分析和解码技术，以及用于仿人机器人的神经模拟设备和系统的研发。

脑机接口其实从20世纪60年代就开始研究，此后很长一段时间都处于探索和功能验证阶段科学家发现，动物的行为可以从大脑获得的神经信号中解码出来当然，这是行为的神经生理学基础，但也说明脑机接口是可行的，有科学依据李小健说

目前热门词汇—脑—机接口有不同的解读狭义上是指大脑与计算机等外部电子设备建立一种独立于面部特征和肢体的直接交流模式它有两个英语源单词传统上，脑机接口主要是指基于采集脑外脑信号的无创脑机接口技术，而脑机接口主要是指将神经活动传感器植入大脑的脑机接口技术科学家希望通过这种技术，大脑可以控制外部设备，也希望信息可以直接输入大脑，实现双向闭环的信息系统

值得注意的是，我国大脑工程，即脑科学与类脑研究，将作为2030年科技创新重大工程全面启动中国科学院上海微系统与信息技术研究所副所长，研究员胡涛此前在一篇文章中提到

撰文中写道，伴随着该计划的推进，脑认知原理解析，认知障碍相关重大脑疾病发病机理与干预技术研究，类脑计算与脑机智能技术及应用，儿童青少年脑智发育研究，技术平台建设等都将取得不小的进展其中，脑机接口作为底层核心技术，关乎中国脑计划几乎所有关键内容

放眼世界，除引发最多的关注的马斯克及其创立的Neuralink，美国国防高级研究计划局，脸书，谷歌，亚马逊等商业巨头都在积极布局脑机接口领域陶虎提醒，当前，中国脑机接口的关键器件和高端装备严重依赖进口，国内缺乏原创性脑机接口核心技术，跟踪居多，布局分散，缺乏系统性近两年，美国对脑机接口进行出口管制，系统级产品及核心器件供应受到不小影响，对中国脑科学研究，神经疾病患者治疗等均产生不同程度的影响

不过，陶虎也认为，在高端科技中，脑机接口是中国最有可能迎头赶上甚至直线超车的领域之一。

4通道到几千通道，更小型设备采集到更多神经信号

人类现在知道，神经细胞利用电信号来相互通讯，这种电信号是短促的放电脑神经电信号幅度非常微弱，一般为微伏级别，并且还得经过颅骨和头皮的衰减，需要经过千倍的放大显示以及减少干扰的滤波器才能形成现在并不陌生的头皮脑电图

脑电活动的测量可追溯至上世纪二十年代，世界上第一次脑电记录出自德国精神科医生汉斯·伯格博士，其首次证明，放置在大脑头皮的电极能够测量反映大脑活动的电流科学家对脑内电信号的深入理解则又继续跨越了近半个世纪

直到上世纪六七十年代，脑机接口技术才真正开始形成而直到上个世纪末，它发展都相当缓慢李骁健将主要原因归结于微电子和微加工技术的落后他以神经信号采集举例:早期，我们只能用一个单根的传感器扎入动物脑内探测神经信号，基本上只能记录一两个神经元的活动，这完全不足以让我们理解大脑

李骁健早期做实验采用的传感器还是玻璃包被的钨丝电极，一根针下去，前面尖端触点能采集神经电信号，针杆部分都是绝缘体一次实验在脑袋里植入不了几根电极，也采集不到多少神经电信号当然二零零几年那会我们分析数据的台式机的算力可能还不如现在的智能手机，采的数据多也分析不过来

正因如此，李骁健在博士毕业后加入了脑破译计划倡导者，美国佐治亚医科大学钱卓教授的实验室钱卓被称为聪明鼠之父，他的实验室当时拥有全世界采集神经信号通量最高的装置——一套由 Plexon 公司研制生产的具有1024通道的神经电生理信号采集系统那个时候的电生理信号采集系统也是相当的庞大，基本是一个柜子的大小全负荷工作时，需要八台台式电脑同时运行

类似于电子计算机的发展史，开始时体系庞大，且电路集成度不高李骁健谈到我研究生时做实验，用的信号采集仪器有台式电脑大小，却只能支持4个信号通道，现在我们巴掌大的设备支持几千通道都没什么问题了他强调，微电子和电子工程技术的发展，大幅提高了功能集成度，让我们能够以更小型的设备采集到更多的神经信号

现如今风头最劲的Neuralink在这方面即做出了很多创新2019年7月，Neuralink首次对外宣布其成果——一种可扩展的高带宽脑机接口系统该系统由一组电子芯片和一些厚度只有4至6微米，宽度比人类头发丝还细的丝线组成整个系统包含3072个传感器，分布在大约100根柔性丝线上

总体而言，按照获取脑内信息的技术方式来分，现阶段脑机接口技术主要包括传统非侵入式头皮脑电图，非侵入式的成像技术，以及侵入式的脑内植入电极记录电信号技术从时空精准度而言，侵入式有着不可比拟的优势，因此即使面临较多的安全性及伦理风险，这种方式也毫无疑问成为全球脑机接口顶尖研究团队的首选

而就植入式脑机接口技术而言，眼下还存在哪些挑战和难点全球领先的测试测量厂商，同时已在脑科学或生命科学行业深耕多年的NI公司对此有一番观察

郭翘提到，前三个环节中国国内主要脑机技术相关院校，科研机构和公司都有在进行攻关，NI平台的侧重是后两环节，与自研或现成的采集系统搭配使用构建一个完整的闭环实时系统。

对脑科学认识不足，是否是脑机接口的障碍。

Neuralink的缝纫机能植入的3000多个电极显然不是终点大脑活动时经常有几十亿神经细胞同时参与，上万根电极对科学家们来说可能都不够用

有人提出要做百万道的脑机接口系统，当然也有人提可能需要上亿通道，这样的想法提归提，但是从技术层面来说并不是几年内就能实现的，当然也有人认为，这种想法是否过于粗暴李骁健提到，在植入更多电极之前，需要探索的是:哪些信息我们最需要这些重要信息又采集自何处

他认为，现阶段更可行的是针对特定任务进行研究以非侵入式的功能核磁共振成像技术 为例，它可以采集到全脑的总体概况，但是无论在空间和时间上都无法给出细节信息换做神经电子信号，其时空分辨率要高出千倍以上，但这里存在一个问题，我们现在的脑机接口技术无法实现全脑覆盖，只能植入在少数特定位置上，而且对植入脑区的传感器数量也有一定的限制植入电极数量的增加，也意味着手术风险和伦理争议的加剧

脑机接口如何实现熟练执行多任务，而非目前展示的执行单一任务这个对脑控提出的高性能要求，使脑机接口研究同时面对增大采集信息量和对脑科学进一步深入认知的挑战它涉及几个脑区从这些脑区采集多少信息现在的技术能否支持得住这也是我们现在正在做的事情李骁健预计，总体上或需要5000—10000道的采集通量，才有可能基本实现多任务功能

在李骁健看来，脑科学和脑机接口之间也存在着双向困难的问题脑科学基础研究还不是很清楚，这限制了脑机接口应用场景的快速扩展，而脑机接口技术本身也是脑科学研究的重要工具，急需技术升级来加快推动脑科学的深入研究他认为，脑机接口技术既可以推它在医疗领域的应用场景，同时也要推它作为探索大脑运行机制，启发类脑智能系统设计的高性能工具方面的价值

海量的脑神经电信息采集后，如何快速处理这又是另一个问题脑机接口需要实时解码，它需要速度很快地采集，很快地处理，这是一个基本前提，应该几十毫秒内就需要完成

郭翘也对澎湃新闻记者表示，超高通道加上每通道每秒数万采样点的16bit/24bit数据，对系统带宽的要求非常高，上G带宽的数据需要进入到FPGA板卡中进行实时处理进入FPGA板卡中，神经信号滤波，去噪，解码，甚至AI深度学习的算法，都需要大量的定点数运算，包括通道间的信号运算，实时处理通常要求运算在毫秒甚至微妙内完成

在脑神经信息处理上，李骁健认为眼下更适合从两个路线分别看待一条路线指的是神经信号采集后需要继续进行深入研究，我们对大脑的认识不是特别清楚，采的信号必然有科研用途，这方面用途当然希望神经信号采集得越细致越好，然后把它储存下来，后面可以通过超级计算机进行更细致的分析

另一条路线就是用在脑机接口的实际应用场景中，我们需要以最快的速度输出解码结果，这就需要进行有意义的数据压缩，获取我们真正要用且用得到的神经信息，对它进行准实时的处理，并输出解码结果。

根据上述两条路径，相应技术人员会有不同的策略李骁健再次以Neuralink此前的成果展示举例，他们在2019年用大鼠展示的有线脑机接口系统，有3000多通道，但是最近两次展示的无线脑机接口系统的通道数低了很多，实际上还做了很大的数据压缩，无线传出来的数据非常少由于对应的任务简单，这一点点信息已经足够让猴子用意念控制屏幕上的光斑运动

而对另外关键的一环脑神经电信息解码来说，科学家们也仍在求解真正的解码方法。

中国科学院院士，中国脑计划的领军人物蒲慕明在2021浦江创新论坛上即指出，脑机接口领域往前走仍存在着很大的障碍，一些重大的科学问题需要解决第一大问题就是如何解码大脑信息他认为，现有的收集脑波信息，在用人工智能算法和机器学习算法把大脑的脑波所代表的信息解码，这是表面上的解码，并不是真正理解大脑活动

谈及这一问题，李骁健认为，大脑被划分为多个脑区，因为其功能不一，它们处理信息的方式也不同在处理连续动态信息的初级皮层区域，或者产生离散的某种抽象信息结构的脑区，可以有各自对应的解码方式但是在很多中间的，联合功能的脑区，信息还是处于混合态中，我们现在还没有太好的办法把这里的信息都有效地提取出来哪些才是跟我们的认知任务对应的信息另外怎么把它解码出来还是存在很大的挑战

今年5月，顶级学术期刊《自然》以封面文章的形式刊发了由美国斯坦福大学，布朗大学，哈佛医学院等团队的研究人员联合完成的一项里程碑式研究，他们将人工智能软件与一款脑机接口设备结合起来，让一名大脑中植入脑机接口设备的瘫痪患者想象拿着一支笔，在一张横线纸上尝试写字，就像他的手没有瘫痪一样，并将该男子手写意图快速转换为电脑屏幕上的文本。

Willett提到，这也意味着，也许与我们直觉的认为相反，解码复杂的行为比简单的行为更有利，特别是在分类任务中。

全技术链集成是关键，商业化已来。

回国至今，李骁健率领的团队在脑机接口领域已取得了一系列突破。

团队研发的千通道神经电生理信号解析系统体积小巧且具有实时并行神经解算功能，是和Neuralink系统同级别的宽带脑机接口电子装置他们与中科院兄弟所合作，在家兔和食蟹猴脑内成功植入了双阵列256道柔性神经电极阵列数月前更是成功完成了双阵列超过1400通道柔性电极阵列在猕猴脑内的长期植入，并且使用自研仪器实现了对所有通道神经电信号的高速同步采集，在国内率先打通了脑机接口全技术链

超两千通道脑神经信号采集器原型机。

同时，李骁健等人还在加速实现中国首个采用自主研发的超千道脑机接口技术设备进行的猕猴双手协同脑机接口实验该项研究将为中国自主研发供瘫痪病人使用的植入式脑机接口系统奠定基础瘫痪患者将通过脑控机械肢体恢复行动自由

现在团队在脑机接口领域的水平如何针对这一问题，李骁健谦虚地自我评价:若单论每个技术环节，其实也就一般般他认为其过往工作的意义主要在于，我们已经对脑科学和神经解码有过多年的系统研究，现在通过自研加暂时进口零配件的方式，把整个我们认为比较理想的系统搭建起来，让它能比较高效地运转，实现全技术链的贯通这样我们就有了基于自己思想，自己技术，自己系统，独立自主地发展有自己特色的脑机接口技术及应用的完备基础了目前，团队的脑信号采集器已经可以做到只有巴掌大小，实现超过2000道的采集和处理通量，带宽超过每秒100兆字节

猕猴上肢运动脑机接口模型和实验演示。

李骁健反复提及的对标就是Neuralink从我们的角度来看，他们所有的东西都不是什么逆天科技，马斯克招募了各领域的专家，而这些专家们带来的技术，此前在各个领域的顶尖期刊或者会议上都有报道，并不稀奇其关键的优势则在于能同时对全技术链进行优化集成

脑机接口技术横跨多门学科，怎么进行学科大交叉研究和研发，怎么把多学科的人才集中在一起，并贯通一体，这其实是目前脑机接口真正前沿的困难所在李骁健进一步强调，国内在大系统集成方面的经验不够充分，现在相当于每一个技术环节都有东西，也都做得不错，但是把这若干个技术点有机的组合起来，发挥最强效能，这是一种能力和过程

郭翘也谈及类似痛点:传统的脑机接口科研团队并不具备或精通所有方面，如何快速将科研成果转化并落地，是这一领域的挑战而颇为不便的是，目前商用或现成的系统都比较封闭，科研人员难以做定制修改，或将自己的创新算法集成到系统中进行迭代开发NI致力于构成一个完整的开放的生态系统，无论是对接第三方的硬件，还是软件算法IP，都能极大减少科研人员的开发时间，让科研人员专注在自己所擅长的领域，加速其对大脑机制的基础研究的进程

值得一提的是，李骁健所在中科院深圳先进院在跨学科合作方面颇有优势，其定位也是成为新型国际一流的工业研究院李骁健表示，脑机接口既有基础研究又有应用研究，需要一个包括基础脑科学，神经工程，机械和自动化，电子和计算机等研究人员共同组成的多学科交叉的综合团队在这方面深圳先进院有天然优势，项目合作甚至不用出大院例如，有负责非人灵长类实验平台的戴辑副研究员，从事传感器设计和评估的邓春山高级工程师，从事神经解码器算法的张单可副研究员，从事生物相容性增强的都展宏副研究员，以及电子芯片设计的王怡珊高级工程师等

当然，在实际的研究中，李骁健等人也会走出大院其他研究机构，包括我们的兄弟所，他们在自己的研究领域有着多年的深耕和储备，我们也在和在某项技术上有较大优势的团队进行紧密的合作

团队成员

相比其对标的Neuralink，李骁健也谈到一些差距，例如，推进更高通量的传感器，并拥有更好的组织相容性和使用寿命，推进神经电子芯片的自研自产，系统更加集成化实现完全体内植入等毕竟我们现在还处于原型机阶段，虽然说有巴掌这么大，但还是比Neuralink装置要大不少的，我们希望进一步实现微型化

实际上，拓展至后期应用，微型化是极关键的一步设备的微型化以及通讯无线化，将直接影响植入者的活动自由度，决定着该技术未来的普及度在李骁健等人的设想中，未来进入实际应用的脑机接口应具备四化特征，即微创化，微型化，无线化，类脑智能化

技术最终如何落地马斯克在成立Neuralink之初时提到，其短期目标是治疗老年痴呆症，帕金森病等脑部疾病，其长远计划，则是通过植入一些芯片和电缆将人脑与AI融合来增强人类大脑的功能

人脑到跟人工智能融合这些都是远景，需要几十年时间，最乐观估计也得要20年，但实际上几年内能够做的，其实主要还是医疗用途，针对各种脑部疾病的患者这也正是李骁健本人目前想推动的

Neuralink的大热是否也意味着脑机接口商业化的引爆点已至李骁健谈到，植入式脑机接口属于有创型，哪怕是微创，对应产品也属于三类医疗器械所谓的三类医疗器械，即指植入人体，用于支持，维持生命，对人体具有潜在危险，对其安全性，有效性必须严格控制的医疗器械这意味着审批比较繁琐

2020年8月，马斯克宣布Neuralink的脑机接口设备在当年7月获得了FDA 的Breakthrough Devices Program认证，即将在人类身上进行植入实验，公司也正计划进行更多的实验批准申报而另一家竞争对手，成立于2017年的Synchron公司在今年7月获FDA 批准，率先对其产品进行人体临床试验，验证其旗舰产品Stentrode运动神经假体在严重瘫痪患者中的安全性和有效性

需要区分的是，Synchron公司采用的是类似脑血管支架的方式，以微创的方式将网状的Stentrode传感器通过血管输送到大脑这种方式比较容易通过临床试验审批，但是电极只能停放在较粗大的血管中可用位点少，且离神经元距离远，不能清晰地获得大量的脑神经信息，所以这仍旧是两码事李骁健始终认为，Neuralink脑机接口未来的临床试验获批，才能最终带动这一领域的开闸

在真正开闸之前，国内的团队应该保持什么样的步伐如果这个节点上大家都在努力，脑机接口技术这块就不会有明显的科技差距出现现在也正是神经科技开始进入市场转化的阶段，如果在脑机接口这块也能跟上，那么我们跟Neuralink为代表的美国技术应该不会形成多大差距李骁健表示