年终盘点：这9条「脑机接口」新闻，不能错过！

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转眼之间，2021年已经步入尾声。

这一年，科技工作者们步履不停，在追求科学真理的道路上百折不挠，刷新着人类所能到达的新高度。未来，科技必将乘着时代的东风继续启航，向着光明的未来昂首前进。

在可预见的未来，人类智能与机器智能将逐步融为一体，充分发挥机器的存储和运算能力，融合人脑的思维与创新能力，以推动人工智能达到一个更高的层次——脑机智能融合。

实现脑机智能融合的关键技术环节之一是实现人脑与机器之间的信息交互，即脑机接口（Brain-computer interface, BCI）技术。BCI的核心是扩展我们人类的能力或补偿失去的能力，例如对瘫痪的人。

这一领域的公司通过两种形式的BCI来实现这一目标——侵入式和非侵入式。在这两种情况下，大脑活动都被记录下来，以将神经信号转换成指令，如用机械臂移动物品、头脑打字或通过意念说话。这些强大翻译背后的引擎是机器学习，它从大脑数据中识别模式，并能够在许多人类大脑中归纳这些模式。

接下来，我们一起看看「脑机接口技术」在今年取得了哪些突破。

一、学术类

1.Nature封面：脑机接口重大突破！意念手写字速度破纪录

5月，由斯坦福大学、霍华德·休斯医学研究所(HHMI)、布朗大学等机构的科研人员联合研究，该研究首次从脑电信号中解码手写字母的动作，使瘫痪人士意念中的写字动作可以实时转换成屏幕上的文字。

该项研究结果显示意念写字速度破纪录，写字速度能达到每分钟90个字符，原始准确率为94.1%。利用计算机通用自动校正功能，内容正确率进一步提高到99%以上。远超其他脑机接口的意念写字速度。

受试者的 “手写” 笔迹

不过由于该项脑机接口需要在患者脑部植入电极，该技术在临床应用前，其安全性和效果仍需进一步验证。另一个问题是，这项研究目前主要针对拉丁字母的书写进行解码，如何扩展这一方法将其应用到其他语言。

2.Nature子刊：基于水凝胶的灵活脑机接口

今年6月，韩国科学技术研究院(KAIST)的研究团队及其合作者开发了一种新的基于水凝胶的灵活脑机接口。为了研究大脑结构或识别和治疗神经系统疾病，开发一种能够刺激大脑并实时检测其信号的接口非常重要。

然而，现有的神经界面在机械和化学上都与真正的脑组织不同。这会引起异物反应，并会在界面周围形成一层绝缘层(glial scar：胶质瘢痕)，从而缩短其使用寿命。

下图为多功能水凝胶混合探针的设计、制备和表征。(a)图为水凝胶混合探针设计的概念说明及其在减少对脑组织影响方面的应用。(b)、(c)图为水凝胶混合探针的制造，包括功能纤维单元的热拉伸(b)，以及纤维组件内水凝胶基质的一步直接聚合(c). (d)图为光波导、微电极阵列和微流体通道纤维的照片。(e)为水凝胶基质与多功能纤维组件整合后的水凝胶混合探针的照片。

研究人员表示，这项研究意义重大，因为它是首次将水凝胶作为多功能神经界面探针的一部分，从而大大延长了它的寿命。随着我们的发现，我们期待在阿尔茨海默氏症或帕金森氏症等需要长期观察的神经系统疾病方面的研究取得进展。

3.美国「脑计划」新里程碑！Nature 连发16篇论文，绘制最全脑细胞地图

为了解开大脑的秘密，2017年，美国国立卫生研究院（NIH）通过推进创新神经技术，开启了「大脑细胞普查网络项目」(BICCN)，旨在对人类、猴子和小鼠大脑中的不同细胞类型进行全面识别和编目。

现在，这项雄心勃勃的努力的第一步已经完成，今年10月，研究人员在分子水平上全面绘制出了哺乳动物初级运动皮层细胞类型的特征图。这是迄今为止对哺乳动物大脑所绘制的最全面、最细致的地图。

Nature上一口气发表了16篇这一项目的研究论文。这个成果可谓意义非凡。此次绘制出的大脑图谱，将帮助人类更好地理解大脑疾病，包括那些攻击控制运动神经元的疾病，如肌萎缩性脊髓侧索硬化症等。

此次主要完成的是对初级运动皮层的逐个细胞级的图谱绘制。而之所以选择初级运动皮层，是因为这部分大脑结构在所有哺乳动物中都很相似。

人类（左）、狨猴（中）和小鼠大脑（右）中按脑细胞类型聚类的转录组数据

二、应用类

1. 首位植入脑机接口的患者通过Twitter发布信息

脑机接口公司Synchron 给一名患有肌萎缩侧索硬化症(ALS) 的患者(PhilipO'Keefe)植入了脑机接口，PhilipO'Keefe将他的想法直接转化为文字，并首次通过 BCI 直接在社交媒体Twitter上发消息——对于这项技术来说，这是一个具有象征意义的时刻，它可以为瘫痪的人打开与世界保持联系的大门。

“Hello word！” Synchron 首席执行官Thomas Oxley在推特上写道，“简短的推文,巨大的进步。”

ALS，也被称为Lou Gehrig 's disease，已经导致62岁的奥基夫失去很多运动功能，并使他无法工作。2020年4月，他接受了Stentrode BCI，这是一种通过颈静脉植入大脑的小型支架安装电极阵列。

O’Keefe 说，“当我第一次听说这项技术时，我就知道它能给我带来很多的独立性，这个系统令人惊讶，就像学习骑自行车一样——需要练习，但是一旦你开始滚动，它就会变得很自然。”

“现在，我只需想我想点击电脑上的哪个位置，然后我可以发送电子邮件、银行、购物，现在还可以通过 Twitter 向全世界发送消息。”

2.全球首款群体脑机接口系统发布，最多可支持二十人实时脑电交流

2021年9月10-13日，2021世界机器人大会（WRC）在京召开。自2015年创办至今，世界机器人大会已成功举办五届。大会以“共享新成果，共注新动能”为主题，展示全球各个领域的先进技术和科研成果，旨在促进国内外的学术交流，深挖合作潜力，推动机器人技术、产品与市场的发展。

本次大会上，清华大学医学院生物医学工程系高小榕教授，重点关注了BCI脑控机器人大赛。

左边为高小榕教授，右边为陈小刚研究员

高小榕教授常年专注于脑机接口技术（BCI）、神经信号检测和处理的理论和方法，并基于此技术研究生物神经系统信息相关的脑功能分析方法，是中国脑机接口领域的领军学者。

在谈到脑机接口的市场应用时，高教授依旧持谨慎态度。他表示，教育和工业还不是脑机接口的刚需，真正的刚需在于医疗行业。

与此同时，高小榕教授也补充到，我们必须平衡脑机接口研究的目标、实际能力和手段，不能让它发展过快。大家一窝蜂投入研究后，会忽视伦理问题的重要性。与此同时，脑机接口的发展是一项综合性的工程，涉及到各个学科的协同发展，没有其它学科的进步也是局限的。

3.脑机接口新应用，利用深度学习对无声语音信号解码

浙江大学、中国矿业大学和伦敦大学的研究人员研究了可用于识别神经肌肉信号的空间特征和解码器。具体来说，研究人员提出了利用迁移学习和深度学习的方法，将表面肌电信号数据转换为包含丰富的时频域信息的声谱图。

(a):表面电极捕捉神经肌肉活动;(b):所有数据通过短时傅里叶变换(STFT)转换为频谱图;(c):使用迁移学习方法从谱图中提取特征;(d):神经网络利用提取的特征解码多通道sEMG

对于迁移学习，在大型图像数据集上使用一个预先训练好的Xception模型来生成特征。然后利用提取的特征对三种深度学习方法(MLP、CNN和bLSTM)进行训练，并对其进行评价，以识别词集中的发音肌肉运动。

所提出的解码器成功地识别了无声语音，双向长短时记忆的准确率达到了90%，优于其他两种算法。实验结果验证了谱图特征和深度学习算法的有效性。

三、大事件

1.马斯克脑机接口最新突破：猴子用意念玩游戏！

马斯克（Elon Musk）的脑机接口公司Neuralink发布了一篇新的博客文章与视频，展示了他们在大脑控制研究上的最新突破：通过植入脑机接口技术，一只猴子能够在没有游戏操纵杆的情况下，仅用大脑意念来玩Pong（一款模拟两个人玩兵乓球的电子游戏）。

在“猴哥”玩游戏时，神经植入物会从它的大脑所释放的脑电波信号中传输数据。利用“猴哥” 以前使用操纵杆时收集的数据，植入物和连接软件可以控制游戏光标，展示信号指示“猴哥”的手做出什么动作，并将这些指令直接发送到光标本身。

2.脑机接口走向现实，11张PPT看懂中国脑机接口产业现状

目前我国脑机接口行业的设备市场规模在十亿人民币级别，2040年会达到560亿人民币，综合市场规模更会放大至千亿。

国内脑机接口公司大抵分成三种角色：基础设施提供商、产品/APP提供商和二次定制服务商。

人才和资本，是脑机接口行业的两大核心门槛。

未来脑机接口行业的马太效应可能会进一步加强，细分化切入是普通人和小公司进入脑机接口的良策。

3.侵入式脑机接口设备获FDA突破性认证

11月16日，全球脑机接口技术领导者Blackrock Neurotech 宣布其开创性脑机接口（BCI）设备MoveAgain已被FDA授予突破性设备。据悉，MoveAgain作为首创的脑机接口技术，可以让无法移动的患者只需通过思考即可控制鼠标光标、键盘、移动设备/平板电脑、轮椅或假肢设备。

要获得FDA突破性设备称号，设备必须代表现有技术的新应用，并表明它有可能为不可逆转的衰弱疾病或病症提供更有效的治疗。该计划的目标是通过加速这些突破性设备的开发、评估和审查，同时保留上市前批准的法定标准，让患者和临床医生更及时地获得这些突破性设备。

Blackrock 的便携式 MoveAgain脑机接口可以为患者提供改善行动能力和独立性的新可能性，使他们重返工作岗位、参加休闲活动以及更有效、更快速地沟通，为患者实现运动和独立性的长期改善，减少患者对护理人员的依赖，并帮助他们更好地融入社会和世界。

人体植入脑机芯片后，可以通过意念控制，来完成日常操作，比如意念打字、踢球、操控汽车等等。对于瘫痪的人来说，这项技术可以帮助残疾人恢复身体的各项技能。不仅如此，芯片的植入，还可以将人类和人工智能有效的融合起来，对治疗老年痴呆、失聪、记忆力减退等有非常显著的效果。

从目前的发展状况而言，脑机芯片植入大脑，虽然只可以读取简单的脑电波信号，但对于结构复杂的人脑而言，其发展潜能又是无限巨大的，在医疗领域的作用极大，对精神类疾病也有针对性治疗。

无论是从脑机接口的落地产品形态还是发展路线来说，它都已经不再神秘，它的「确定性」越来越高：从医疗健康领域落地，再逐渐落实人机交互未来的「想象」。

脑友互动

看完了今年的「脑机接口技术」盘点

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参考资料：

1.https://doi.org/10.1038/s41467-021-23802-9;

2.https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-05/nion-ctm051121.php;

3.https://www.nature.com/articles/d41586-021-02493-8;

4.https://mp.weixin.qq.com/s/QXntv8ZGCMIZuabN-heksw;

5.https://www.leiphone.com/category/healthai/DzEoY2jCL3mjdkFw.html;

6.Wang Y, Zhang M, Wu R M, et al. Silent speech decoding using spectrogram features based on neuromuscular activities[J]. Brain Sciences, 2020, 10(7): 442;

7.https://techcrunch.com/2021/04/08/watch-a-monkey-equipped-with-elon-musks-neuralink-device-play-pong-with-its-brain/?utm_source=feedburner&utm_medium=feed&utm_campaign=Feed%3A+Techcrunch+%28TechCrunch%29;

8.https://mp.weixin.qq.com/s/F4d9n90B-f3wF4I0tkBFmA;

9.https://its401.com/article/zyb228107/116280250

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