讲座题目：透视新科技——2022·新突破（四）脑机互联
主 持 人：胜  春
做客嘉宾：陶  虎，中国科学院上海微系统与信息技术研究所副所长。
                 叶　盛，北京航空航天大学教授。
讲座时间：2026年7月20日～7月26日
（备注：讲座视频可循环播放）
https://article.xuexi.cn/articles/video/index.html?art_id=9288903628539708766&read_id=90d313f8-62cf-4e1a-818f-85c54017caa0&ref_read_id=ad5746b1-bee6-4268-89d5-2c9058edfcde&reco_id=&mod_id=&cid=&source=share&study_style_id=video_default
透视新科技——2022·新突破（四）脑机互联

讲座内容：
       各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》节目！我是主持人胜春。像阿尔茨海默症、渐冻症、帕金森等等这些相关于大脑类的疾病，在医学上是很难被治愈，但现今科学界通过脑机接口的方式可以大大地改善这类病人的健康状况，他们是怎么做到的呢？我们通过短片来进入今天的节目。大脑是人体最精妙的器官，我们对大脑的认识和开发还十分有限。随着人口老龄化加剧，阿尔茨海默、帕金森等神经退行性疾病发病率日益攀升，现代社会日益高发的焦虑、抑郁等情绪情感障碍和自闭症等，也都严重威胁人类的脑健康。虽然目前我们还无法治愈患者大脑损伤的部分，但是通过一些机器，却可以辅助他们恢复部分丢失的功能，减轻病痛的折磨。2022年9月，由中科院上海微系统与信息技术研究所科研团队承担的脑机接口技术有了新突破，这项技术的出现与发展，将会给大脑受损的患者们带来哪些希望与帮助呢？首先给大家介绍一下我们今天请来的两位嘉宾，一位是中科院上海微系统与信息技术研究所的副所长陶虎，另外一位是我们的老朋友，北京航空航天大学的教授叶盛。
       阿尔茨海默症、渐冻症等等这样的病症为什么不能够解决，它的难点在哪里？因为大脑是最复杂的，从本身大脑的组成来看的话，成人大脑大概有接近1000亿个神经元，这个神经元跟旁边的成百上千，甚至成千上万的神经元，又有信息和物质的交互，它又组成一个非常庞大的网，所以我们说大脑是我们最重要，但很遗憾又是一个最脆弱的器官。人类的大脑有多复杂，目前我们的科技水平对大脑了解有多少？其实咱们人类的大脑最复杂的应该说是大脑的灰质层，也就是我们大脑表面，我们经常看到很多关于脑的科普的图片，你总能看到（脑）岛的形状，其实只是它表面的灰质层，这个层我们划分了很多功能脑区，那么这个功能脑区的认识，其实在整个科学发展史上也是一件很有意思的事情。它其实是通过在做一些相关的脑部的手术的过程中，医生在不断地用这种电极去探查脑部的功能分区，然后最终才得到了这样一张脑图。但其实我们看不见的是在大脑灰质层之下，脑其实还有非常复杂的结构，我们大家可能都能听说过很多名词，像我们知道大脑相应就是小脑，相应还有海马体、杏仁核等等的这些复杂的结构，里面还有一个很重要的就是白质，就在灰质下面的白质，其实是把所有的这些灰质层建立起来的一个连接的通路。你想想灰质层那么多的神经元，它们负责那么复杂的功能，所有这些神经元之间还都要有这种白质做一个链路，把它连接起来，这样我们才能形成一个信息的一个闭环。所以其实就体现了脑的一个巨大的复杂度，应该说是我们说的数学上的一个复杂系统，这也是为什么我们直到今天，对于它的认识仍旧十分有限的一个最主要的原因。
      大脑是人体最重要的器官，它不仅掌管着我们的思维和情绪，也控制着我们的感知和行动，人体的各个器官之所以能有条不紊地相互配合，全依赖于大脑发出的神经信号，大脑中有复杂的运行机制，关于这里的一切还有许多未解之谜。同时，大脑也是人体中最脆弱的部分，就像一块“豆腐”，轻微的碰撞都有可能造成严重后果。想要搞清楚大脑的致病机理，我们还有很长的路要走。渐冻症、阿尔茨海默症患者，他们的大脑出现有什么问题？（纵观）一生的话，包括我们说青少年的自闭，中青年的抑郁，中老年的痴呆，以及全年龄段的癫痫、渐冻症等等，这其实都是大脑出了问题，所以这些大脑出了问题的话，里面有一个本质的原因，就是我们大脑里面神经元放电出了错。简单说什么，就是它该放电的时候不放电，不该放电的时候乱放电。我们通过什么方式来帮助人类解决这种困难的？其实像这些重大的脑疾病，我们首先要找（到）发病的原因。一般来说，我们越深入大脑，我们可以更加精准地来定位病灶，就是怎么样能够安全地长期稳定地来读写神经元的大规模的动态信息。所以我们想到脑机接口，如果我们可以深入大脑里面，特别是在多个脑区里面做高通量的实时大脑状态的读写，这样对于我们这样重大脑疾病的发病的原因，它病灶的精准定位，这是有巨大的帮助。
      人类对于大脑的研究从很久以前就开始了，随着医学技术的发展，科学家对于大脑的认识也在逐渐深入。科学家将电极装入猴子的大脑中，从而采集猴脑中相应神经元发出的电信号，证明了大脑神经能够与外部设备建立连接与控制。20世纪90年代，科学家逐渐将脑机接口技术尝试用于有先天听觉障碍，以及失去肢体运动能力的患者身上，从而使脑机接口技术从实验室走向医疗临床应用。脑机接口到底是什么？先给我们解释一下。其实你从脑接口这个词来看就知道了，脑机接口其实是能够对神经元或者是大脑的信息做一个读写，是一个接口。简单来讲的话，脑机接口是大脑与外界世界，或者说外界设备信息交互的一个渠道，那么通过对于大脑神经活动的读或者写来进行信息的传输。实际上就好像我们把人体可以想象成一个自动化的系统，这个时候我们的大脑其实就是那个发出指令的CPU，是一个中央的这样一个计算机的系统，但是你光有计算机系统，它是没法跟外面的物质世界发生一个互动的，所以我们才会有眼睛来接收光的信号，我们有耳朵来接收声音的信号，同时我们有四肢去有肌肉系统去做执行。脑机接口其实是使得它中间断掉的循环的通路，把它重新替换掉，之前断掉的不再能够去执行这个信号了。现在就是用脑机接口等于是给它产生了一个替代的方案，同样还能够接收到中央CPU发出的这样的一个信号，然后用脑机接口去解读信号，进而交给一些执行单元去进行执行。
      目前我们就科技上而言，脑机接口到底能做些什么？其实脑机接口的研究由来已久了，但是受限于我们科学家对于人脑的知识的了解，其实一直都是非常有限的，所以脑机接口相应的发展，它也受到了一定的限制。比如说失明来说，那我们知道失明的话，它有的可能是本身我们的眼睛出了问题，但有的是它后面的从眼睛到我们后面皮层这一块的视觉皮层的通路出了问题。如果是后面这种情况的话，其实是可以用脑机接口来绕过我们自身眼睛成像的这个器官，直接把电极插到我们大脑后面的视觉皮层，来进行图像的一个输入。现在我知道的话，日本有些团队已经实现了用一个将近100道的电极，给一个盲人进行视力重建的过程，这也是脑机接口的一个临床上的表现，而且也是其他的方式很难去治疗的一个这样的临床疾病。这过去在我们的文学作品当中，它就是个奇迹，今天通过科技是怎么能够做到这一点的？
       其实这个发展它也是有一个历史过程的，最早的时候其实是有些科学家，发现我们可以不用去提供视觉信号，我们一样可以产生视觉。当时最早的技术是什么呢？它把一个摄像头拍到的这样一个简单的灰度的影像转换到一个电极阵列上，然后电极贴到哪儿呢？贴到我们的舌头上，因为我们舌头的触觉是非常灵敏的，你可能很难以想象说舌头是用来尝味道的，它被电刺激之后，我们怎么能产生图像的视觉呢？结果就真的产生了。而且他们通过一些经典的一些视觉的实验，比如说我们一些视觉的滞留的现象，都在这些病人的身上体现出来了，所以现在其实我们就有这样的技术，通过摄像头去替代眼睛，然后再通过脑机接口的技术，然后来替代我们的神经的传导，最终还是把信号反馈给我们的视觉皮层，然后由视觉皮层去对视觉信号做传统的加工和处理，这样就能使我们的盲人可能要重获光明了。与尚在研发的视觉修复相比，人工耳蜗是迄今为止最成功临床应用最普及的脑机接口技术，人类听到声音需要从耳朵接收声音后通过神经系统传输至负责听觉部分的大脑，从而辨别不同的声音，感知不同的音色，而听障人士之所以听不到声音，就是大脑听觉区域与耳朵相连的神经通路出现了问题。人工耳蜗就是一个外界机器，它能将接收到的外界声音转为电信号，传导到大脑听觉神经，使得听障人士能够辨别声音从而获得听觉。人工耳蜗的成功应用仅仅是脑机接口技术造福人类的一个开始，科研人员逐渐将其应用到渐冻症等疑难杂症上。
      渐冻症大家并不陌生，脑机接口能帮助到什么程度呢？那我们知道渐冻症虽然它特别具体的病因还是不是完全清楚，但大家现在目前推断是渐冻症应该是大脑里面负责运动的那块神经元不断地凋亡，所以使他会丧失他的运动能力。这里面中间有一个很重要的中介叫作运动神经元，它其实是我们的脑通过运动神经元去控制肌肉，但是我们的肌肉有个特点就是如果这个运动神经元总是不给它发信号的话，它就会开始萎缩了。这个萎缩可能就是逐渐会失去功能，到最后如果连呼吸肌都失去功能的话，这个人的生命就要危险了。脑机接口目前来说其实已经在几例的渐冻症病人上面实现了意念合成语言，或者说意念合成文字，文字再转译成语言，这是可以做到的。所以从某种意义上来讲的话，至少恢复了或者部分恢复了渐冻症用来交流的一个这样的能力，这其实对病人来说很重要。首先从心理来说的话，他在生病过程中，如果可以去跟病人交流，可以跟家人交流，可以跟医生交流，对他心里是一个非常好的帮助。
       2018年霍金去世，这位轮椅上的物理巨人几乎一生饱受渐冻症折磨，在他生命的最后时刻，仅能通过眼球转动指挥电脑输出打字，速度只有每分钟一个单词。没有人知道霍金离世时脑中还藏着多少奇思妙想，人们为此感到惋惜，因为仅仅一年之后，加州大学旧金山分校的科学家们宣布，他们利用脑机接口技术成功实现了脑电波的直接语音输出，极限是每分钟150个单词。2019年世界机器人大会脑控机器人打字比赛现场，参赛选手穿戴特殊的装备，全神贯注的端坐在电脑显示屏前，双手纹丝不动，屏幕上就逐行显现出他们想要的文字，这就是传说中的“用意念打字”。天津大学研究生魏斯文通过脑电波，实现了691.55比特每分钟的理想信息传输速率，创造了新的记录。该信息传输速率相当于在100%的准确率下，以0.413秒输出一个英文字母，这个速度已经超过了普通人用触屏手机打字的速度。2019年，清华大学团队将这项技术带到了渐冻症患者的家里，解决了他和家人的日常沟通问题。
      我们的意念来控制机器帮助自身，除了渐冻症之外，还对哪些脑部的疾病有帮助？其实跟渐冻症的症状有很多是类似的。在我们国家的话，我记得是一年前或者两年前，在浙江大学第二附属医院的一个团队，张建民老师的团队就已经实现了用脑机接口来进行高位截瘫病，用脑机接口来控制外面的机械臂来进行一个抓取，而且抓取的目前来看，它的精度和灵活度还是挺好的，可以准确地抓取杯子，包括油条，包括其他的一些这样的日常生活的用品，而且可以很准确地送到他自己的嘴里。此外，还可以对外界做一些简单的交互。我记得他们这个团队应该是演示了一些比如说可以剪刀石头布，做一些简单游戏，这个是（可以）做到的。目前我们对脑信号的解读，到了一个什么样的程度？脑信号的解读它的困难程度很大，就在于说你在听很多人同时说话。我们大概可以把每一个神经元，比喻成一个人为什么会有脑电波？是因为神经元在他的轴突上进行电信号传导的时候，它一定会产生电磁波，但是那是一个神经元，我们的大脑中有将近1000亿个神经元，这么多的神经元大家都在说话，你说我们怎么能听得清楚，而且我们还不是在这个屋子里面听，我们是在这个屋子的外面，贴着屋子的墙壁，想要听清楚其中在聊什么，这就难度就很大了。那么如果说像植入式的这样的设备，等于是我们把这个麦克风放在屋子里面。
       像阿尔茨海默症在思维意识方面是混乱的，我们的脑机接口怎么来帮助他们表达他的意愿呢？像老年痴呆或者是像类似于这样神经退行性疾病的话，其实也都是一方面是他神经元慢慢地凋零，另外就是他已有的这些正常功能的神经环路出现了问题。那脑机接口的通过神经元，它的放电的情况和神经元的活动的情况来知道它为什么会是这样，而且对不同个体的话，它可能本身的凋亡的机制还是略有不同，这是从本身诊断来看，从机理上来看是怎么回事。那第二个当然是治疗，那么治疗还是那个意思，就是我们可以在大脑的本身里面做非常精准的神经元的一个这样的调控。通过电信号来做一个这样的调控，从而来干预它本身紊乱的一个放电的情况，希望能够把它恢复到它应该的正常的情况。如果说他已有的这些环路已经不再工作了，看能不能通过脑机接口这样的调控，给它建立新的环路，但是还要达到它应该达到的功能。这是脑机接口，我们说用来治疗这些神经退行性疾病的一个巨大的可能性。这里边有一点非常重要，就是早诊断早发现，这个非常重要。实际上在我们国家现在的关于医疗健康产业的布局中也已经提出来，就是说我们要把研究重点往前移，很多疾病包括癌症，包括像我们今天谈的很多神经系统的疾病，如果我们能够早一点发现它，可能治愈的希望就会大得多。同时，我们为了治愈这个疾病所要付出的成本也能够低得多。降低多了？对，所以这件事情是一个于国于民都非常有利的事情。
       那我们怎么能早发现呢？癌症我们都知道你可以去做CT，去做一些分子指标的检查，但是神经系统的疾病往往这些手段就失效了，这个时候脑机接口可能是一个非常好的这样一个手段，也就是说，它去检测你的脑信号有没有发生什么变化。那么，如果说它发现你的模式发生了一些非常微小的改变，那么可能就有一些指征性的信号，能够告诉我们说，可能这个人他已经是处在刚才您说的像阿尔茨海默氏症的早期，那么这个时候我们可能就能够帮助医生去做出一个早期的诊断，并且去早点干预，可能就能够挽救这个人。脑机接口技术从最早期的人工耳蜗让听障人士获得听力，到后来将渐冻症患者的思维转换文字，获得交流的能力，让高位截瘫的患者能够凭借意念控制机器获得部分运动的能力。我国的脑机接口技术在不断地升级换代，而今我国的科学家正在面对更为困难的挑战，一方面让脑机接口技术更加安全，能够更长久地服务患者，另一方面也希望能够拓展应用场景，包括治疗自闭症、抑郁症患者的情绪异常，以及解决阿尔茨海默症患者思维混乱的痛苦。
       脑机接口这项技术在我们国家的发展，对于阿尔茨海默症、帕金森，包括视力、听力恢复，多少人有机会可能得到它的帮助。现在脑计划里面重点做的几个，你看青少年的自闭，中青年的抑郁，中老年的痴呆，以及全年龄段的癫痫、渐冻症、失明、失语，这其实都是重大脑疾病。所以说，人其实是挺可怜的，就（纵观）一生我们肯定会得精神或者神经类的疾病，就是不同的年纪，不同的程度而已。所以脑机接口作为一个大脑和外界设备直接沟通的渠道，还是蛮有用的，因为它可以起到认识脑、修复脑、保护脑，甚至后面增强脑的一个这样的作用。脑机接口现在在临床上大家都非常重视，我们做了一个数字，它可能适用的病人的范围，我们简单说从他本身的病理，病人的疾病严重程度来做一个划分的话，像渐冻症，我们国家病人大概在十几万，全球七十几万，如果按人口来算的话，还是相对来说比较平均的，那么后面我们说高位截瘫大概在百万量级，那么我们说失明失语这样的大概在几百万量级。那么，对于刚刚您说的痴呆，还有帕金森，甚至我们说抑郁、自闭，其实都是脑机接口适用人群的话，大概有几千万人，所以这是一个非常广的一个人群，所以亟待脑机构技术能够做一些突破，可以从绝症开始到重症到刚刚我们说的轻症，甚至最后用到普通人身上。
      这方面我觉得它可以用癌症去做一个比喻，就是我们知道现在癌症早筛基本上已经成为常识了，很多人单位可能都会组织每年一度的体检，那这体检套餐里边可能就包括了一些癌症的指标分子的这样一个检测。那么在神经系统的疾病，特别是脑的疾病这方面，现在肯定还没有到这样的程度。但是刚才陶老师也说了，其实可能有几千万人，但是问题在于我们都不知道自己是不是那个千万分之一。所以未来如果说这样的技术真的能够发展起来，能够变得更加廉价，然后更加便捷，我觉得可能我们可以想象一下，未来可能每个人每年都应该去做一个自己的这样一个脑电波的检测，我们看看自己现在的波形是什么情况，因为你需要记录一下你健康时候的状态，我们才知道什么情况下是生病了，所以这个检测可能未来它不是说（对）那几千万病人，而是会受惠于我们每一个人。对叶老师说这个非常重要，就是说在脑机接口，我们不但在技术上做一个工具上做一个这样的突破，现在大家一直想做一个事情的话，我想做脑电库，把每个人每种病的脑电指纹，把它拿出来，就有点像我们大家比较熟悉的基因库，现在很多疾病的早筛也好，判断也好，是跟他的基因来做对比，但其实脑电每个人的脑电，每种疾病的脑电，每个性别他的不同年龄段是不一样的。如果我们通过脑机接口能够做一个较大人群的脑电，这样的库的话，我们就可以把某一种的这个病的指纹对进去，而且可以把不同病的发展阶段也对进去，这对后面的诊治是一个非常好的参考。这也是一个庞大的工程。
       大脑植入芯片会不会有什么我们看不到或想象不到的风险？按照它使用方式来说，或者说它本身电极的放置的位置来说的话，主要可以分为三种，第一种是非侵入式，平时我们去医院做脑电波的就放在这个头皮上的这种，不用开刀。第二种的话，就是我们常说的侵入式的，就是电极要插到大脑里面的。第三种叫半侵入式的，它需要开刀，需要把颅骨切开，但是它的电极我们说叫作皮层电极是贴到大脑上，所以在脑机接口领域的话，我们一直面临的一个核心的挑战，就是怎么最大限度地去利用大脑和最低限度地去伤害大脑，中间取一个权衡。目前我们有什么方法能够解决这个植入芯片的时候对人脑产生的影响吗？其实我们说植入芯片也好，或者植入电极也好，它其实基本上是有两块需要去做一个衡量，一个就是植入手术本身带来的创伤，第二个是植入后，它长期在体以后对于大脑带来的创伤，这两块其实它涉及到的技术和要求还不太一样。第一个植入式的脑机接口，它现在目前来说还是开颅，那么开颅开口的大小，以及它本身植入的装置的话，对大脑的创伤，这是急性的一个创伤，包括现在柔性电极，它的电极本身是柔的，那么它对大脑的创伤就小一点。但有一些脑机接口用来意念控制外骨骼或者机械臂，它其实是硬质的电极，那么硬质电极这样的话，它其实对大脑的创伤会更大一些，这是指植入部分。
       如果说长期在体（内）的话，那么长期在体（内）的稳定性和安全性，它更多地取决于材料本身的安全性，以及这个器件它到底会引起多大的免疫反应？怎么样能够去降低这样排异现象？从一个层面来说的话，我们希望把它做得越小越好，越薄越好，这样的话它植进大脑的话，它的占比会小一点。另一方面，希望它越柔越好，这样的话它就不会去切割大脑，这是我们现在在做的两个重要的方向。脑机接口技术发展至今，在医疗健康领域应用前景非常广阔，但却面临着植入电极后信号衰减，植入后可能造成感染、损伤大脑，在体内工作寿命短等多重困境，这让一些需要用到脑机接口的患者望而却步。面对这样的问题，我国科学家提出了有效的解决方式。2022年9月2日，中科院陶虎老师团队发布了他们新型脑机接口设备，它仅仅38g，采用中国传统材料蚕丝蛋白，包括电极进行植入，利用这种天然抗菌且可控降解的生物蛋白就能做到微创开颅，自动躲避血管，可自愈的植入技术，一方面可以更长时间地稳定工作，精准地收集传输大量数据。另一方面可以减少脑机接口植入大脑时，带来的大脑损伤风险。脑机接口技术的发展和进步将会帮助渐冻症、高位截瘫、视觉、听觉障碍等患者进一步治疗。未来，我国科学家也将继续研制更加安全可靠的脑机接口，让更多人群得到普惠应用。
       柔性的这种脑机接口能够完全解决掉大脑感染和受伤的风险吗？目前来说它这个技术是很有希望的，但是可能暂时还做不到这一点，这里面其实主要还是因为我们的脑是一个非常精密而又非常敏感的一个器官。我们都说这个脑叫脑花，那就是一个非常柔软的，这么一个东西。它其实是悬浮在一个液体环境中，我们叫脑脊液，它其实悬浮在里面的，所以可能很多人运动的时候，有过这种创伤，就突然磕了一下头，但你磕的明明是这一侧，但你伤害的其实是大脑的另一侧，因为你大脑悬浮在那儿没有动，你的颅骨向这个方向去动，结果伤害的是对侧。所以你就可以想象出它其实是浮在那儿的一个非常柔软的物质，你现在往里面插入电极，即使是柔性的电极，我想可能仍旧还是不会和你的组织有那么好的这样一个贴合度，所以这个技术还在继续发展当中。好，谢谢！也感谢您收看我们今天的《透视新科技》节目！如果您想了解我们更多节目内容，可以下载央视频收看我们过往的节目。好，今天的节目就到这儿了，我是胜春，咱们下期节目再见。