國產侵入式腦機接口對標馬斯克Neuralink，率先實現人體實驗

從1942年到1972年，短短30年間，美國開展了舉世聞名的“曼哈頓計劃（Manhattan Project）”與“阿波羅計劃（Apollo program）”兩大國家級大科學工程。可以說，正是這兩大工程鑄就了美國全球科技強國的地位。

1940年代的曼哈頓工程歷時3年，工作人員超過15萬，總投資25億美元，以產生高純度濃縮鈾（U235豐度大于90%）為標志，最終使原子彈由假想成為現實，其中工業化的核心技術是離心機。1960年代開始的阿波羅計劃歷時12年，高峰時有30萬人參加，耗資超過250億美元，以提供超強運載能力（運力大于127噸）的大排力運載火箭為成果，最終將人類送上了月球。

1980年代，人類開始了第三次大型科學計劃——人類基因組計劃（Human Genome Project）。這項跨國跨學科的科學探索旨在測定組成人類（指）中所包含的六十億對組成的序列，從而繪制圖譜，并且辨識其載有的及其序列，達到破譯人類遺傳信息的最終目的。高通量測定基因序列要求并行處理DNA大于600萬，核心技術在于基因測序儀。

腦計劃(Human Brain Project)作為人類第四大科學計劃，與2010年左右開始實施，目標是實現長期穩定讀寫大規模神經元動態網絡數據，而腦機接口（Brain Computer Interface, BCI）是其中最重要的技術工具。所謂腦機接口，是在人腦與計算機或其他電子設備之間建立的直接交流和控制通道，通過這種通道，用戶可直接通過大腦思想來表達想法或操作設備，而不需要語言或者動作。

腦機接口的四個發展時期

“腦機接口系統本身比較復雜，又是一個交叉學科，范圍涉及微電子、醫療器械、芯片、材料、算法、機器人、醫學、倫理、神經科學、心理學等不同學科交叉。核心難點在于最大限度利用大腦，與最低限度損傷大腦之間的平衡。” 在12月21日舉辦的第二屆南渡江智慧醫療與康復產業高峰論壇上，上海腦虎科技有限公司創始人、CEO彭雷 在主題為《腦機接口·讓大腦連接未來》的演講中說到。

上海腦虎科技有限公司創始人、CEO彭雷

1970年代以前，腦機接口技術處于理論萌芽期。1924年BCI雛形誕生，并于1929年首次進行人體實驗。直到1969年，美國神經科學家埃伯哈德·費茲（Eberhard Fetz) 首次在猴子腦中植入電極，形成閉環神經調控。

70年代到90年代末期，是腦機接口的概念論證期。1977年，美國加州大學洛杉磯分校（Universityof California, LosAngeles，簡稱UCLA）計算機科學系榮譽教授雅克·維達爾（Jacques J. Vidal）首次實現用腦電波控制光標走迷宮的腦機接口底層技術，正式提出了“腦機接口”概念，這一時期歐美學者提出的幾種范式，也被沿用至今。

20世紀初到2019年，腦機接口技術迎來爆發期。加州理工學院神經科學教授理查德·安德森（Richard Anderson）在一位四肢癱瘓的病人大腦中植入芯片，幫助其喝到一口冰啤酒。同時聚焦于實現BCI的技術路線，我國針對BCI的研究也有了重大突破。

彭雷認為，隨著2021年，Neuralink使用1024通道柔性電極讓猴子通過腦機接口打游戲實驗的成功，產業已經開始進入發展期。“2021年之前，是以學術驅動的方式推動產業，大概每兩三年會有一篇高分論文，作為《NATURE》的封面文章發表，其中都是全球領域大科學家針對腦機接口做的范式探索。而2021年之后，隨著馬斯克Neuralink公司包括動物實驗在內的一系列進展，讓整個學術界開始往產業化轉型。”例如清華大學課題組在2022年，采用了3個顱內電極進行微創植入腦機接口，受試者打字速度達到每分鐘12個字符；同年，《Nature》公布了一則數據，人類用意念打字可以實現99%的準確率。

“腦機接口產業化的啟動元年，大概就是2021年之后。” 彭雷說到。

侵入式腦機接口的技術路線

目前，市場上侵入式的腦機接口主要分為三個主要技術路線。第一種是硅基硬質電極系統，可以同時記錄96個通道，可應用于臨床、需要開顱，適用于硬質易剪切腦組織；第二種是血管電極系統，可同時記錄16通道，可應用于臨床，頸靜脈植入，但只能記錄場電位；第三種是柔性電極系統，可同時三維記錄1024通道，可通過機器人開顱自動植入，但尚未實現臨床。

第一種技術路線從誕生到現在，已經經歷了約十年，目前在全球范圍植入50人。除了前面提到了Richard Anderson教授，其他代表性成果還包括美國杜克大學名譽教授，法國科學院和巴西科學院院士Miguel Nicoleils的“重新行走計劃”和2014巴西世界杯腦控外骨骼，此外也參與到國內其中的一例。

Neuralink的柔性深部電極屬于第三種，可通過手術機器人植入大腦，此前該公司通過將這種電極植入了小豬腦部，通過解碼豬在跑步機上走路時的運動皮層，來判斷它的運動信號、腦電信號跟步態間關系。2021年進一步實現在猴腦上的植入，目前這種方式已獲批首次人體臨床實驗。

“腦虎科技與Neuralink一樣選擇的是柔性腦機接口，我們認為這條路線長期推廣最核心的要素之一是高通量。” 彭雷指出，這條路線是三種技術路線中通道最多的，高達一千多條，其他最少的只有16條。而通道數決定可以讀寫神經元的數量，從目前來看一千多條仍是非常小的數量指標，遠不足以把人體800多億個神經元都記錄下來。

記錄多少神經元信號可以解釋大腦？沒有人知道，但彭雷認為腦機接口的通道數一定會持續增長，這就是“腦機接口的摩爾定律，每隔18個月可以讀寫的腦機接口神經元數量細胞應該翻一倍，這是我們認為要實現的目標。”

第二個核心要素是低創傷，要求手術植入的創口越來越小，從厘米級走向毫米級、亞米級甚至更小。第三個要素是長期在體，指的是植入電極穩定在人體內的時間從短期植入，提升到周、月、年甚至更長。

動物和臨床實驗方面的進展

在動物實驗方面，腦虎已經完成了小鼠、兔子、狗、猴的實驗，臨床實驗上目前完成了一系列上人實驗，在國內處于領先狀態。在今年7月的上海人工智能大會上，腦虎發布了國內首個全套自研的電極植入體腦電算法平臺，展示了通過半植入的方式訓練一只兩歲名叫尼奧（Neo）的拉布拉多犬在跑步機上走路，在走路的過程中去解碼運動區的腦電源區的信號跟步態關系，實現了80%以上的軌跡相關性，解碼的準確率也非常之高。

彭雷表示，這次植入的是第一代半植入產品，采用有線連接，“馬斯克做了豬走路的實驗，我們同樣在狗上完成了實驗。” 可以看到，雖然腦虎科技起步比Neuralink要晚，但是在侵入式腦機接口技術的進展和動物實驗上，目前已經達到了與Neuralink相當的水平。

同樣在今年7月，腦虎科技還對一只名叫悟空（Goku）的7歲恒河猴做了植入實驗。在訓練了100天后，這只猴子學會了通過控制搖桿與電腦對打類似乒乓球的小游戲，接到球會有獎勵，可以喝到果汁。然后對其進入了腦機接口的植入，在實驗過程中把搖桿斷線，讓猴子“以為”它還是用手在控制游戲，實際上是用腦信號控制。由于猴子本身無法區分搖桿是否在線，但是斷掉搖桿連接之后，屏幕上的小板還能受（腦信號）控制，連續十次接球都是成功，說明信號不是來自于搖桿，而是來自于它腦部的信號解碼。

這也是國內首次做的恒河猴腦控運動解碼的項目。馬斯克的Neuralink于2021年展示的恒河猴腦控實驗，也是用了同樣的實驗標準范式。

人體實驗方面，Neuralink在今年9月才終于拿下了美國食品和藥品監督管理局（FDA）的人體試驗許可，并開始招募受試者。 腦虎科技在進度方面可以說實現了對Neuralink的領先。

今年2月腦虎首次在術中實現將電極植入人腦，并采集到單個神經元的信號，也因此獲得人工智能大會的最高獎。得益于在侵入式腦機接口技術上的領先性，上海腦虎科技也獲得了資本的追捧。據彭雷介紹，上海腦虎科技成立僅兩年多的時間就已經獲得了3.3億人民幣現金的融資，是目前國內腦機接口領域融資額最高的公司。

另一個案例是今年5月，腦虎聯合華山醫院，在手術中進行了漢語語調的解碼，采用了腦虎自研的全套腦電電極。在術中開顱的情況下，將電極放在受試者的語言區并將她喚醒，受試者在清醒狀態下進行了語言范式的讀取跟解碼合成。

關于腦虎

據介紹，NeuroXess（腦虎）是一家通過柔性腦機接口技術來保護及探索大腦的生命科技公司，創立于2021年。聯合創始人、首席執行官彭雷是一位S級連續創業者，曾在2012年創立面向本地生活商家的SaaS化服務企業客如云并擔任CEO，2019年被阿里巴巴收購后擔任本地生活資深副總裁；聯合創始人、首席科學家陶虎博士，是中科院上海微系統所副所長，2020前沿實驗室創始主任，傳感技術國家重點實驗室副主任。

從組合來看，屬于典型的科學家跟創業者結合。彭雷認為，科技創業公司，一定要有科學家牽頭做前沿技術探索，還要有人把公司商業化路徑規劃好。

腦虎總部位于上海，成立的時間只有兩年，公司核心技術是醫療器械結合MEMS工藝，帶來領先的深部電極設計制造技術。利用MEMS集成電路制造工藝，從技術路線上顛覆了傳統醫療器械半手工制備方式。這種方式制造電極，可以實現高通量、高密度、超柔性的特性，都是用光科技的技術來做。

在植入層面上，因為深部電極要插入大腦皮層，無法自行植入，“馬斯克的做法是用機器人選擇性地躲避血管，腦虎也支持這樣的植入方式，但同時也在探索更新的植入方式。” 彭雷表示，他們正嘗試用蠶絲蛋白來包裹柔性電極，這是一種天然抗菌、可控降解、生物相容性好、機械性能佳的材料。在柔性上，蠶絲蛋白可以把電極柔軟的表面固化，讓電極硬度介于血管和腦組織之間，方便植入，植入完成后，蠶絲蛋白便會溶解，逐漸恢復之前的柔軟。電極順應性和腦組織比較接近，運動過程中，電極與腦組織直接保持相對靜止。弱排異上，蠶絲蛋白天然抗菌可降解，不易引發炎癥，此外亞毫米級植入創口，讓創傷更小，恢復更快

據透露，目前這種植入技術還只在實驗室探索種，尚未實現產業化，但在方向上值得深入研究。

成立兩年間，腦虎科技面向市場推出了一系列工業化腦機接口整體解決方案。硬件層面包括電極、半植入BCI產品、采集芯片、手術植入機器人以及高頻數字腦電圖機及相關組件。

軟件方面，腦科學過去沒有形成面向全球的開源與數據算法，但基于AI技術在過去一年的快速發展，帶來了包括大模型在內的更成熟底層生態。因此腦虎希望結合自身算法、云和數據能力形成一套平臺。