昨日，一則腦機接口Brain-Machine Interface，簡稱BMI；或Brain-Computer Interface，簡稱BCI）的新聞引發全世界狂歡，人類首次被植入腦機接口芯片。這意味著，腦機接口行業終於迎來重大轉折，這門生意，成了，人類發展也可能要邁入新紀元了。
Neuralink創始人埃隆·馬斯克（Elon Musk）在社交媒體X上宣佈，人類首次接受腦機接口（Neuralink）芯片植入，植入者恢復良好。初步結果顯示，神經元尖峰檢測很有希望。
隨後馬斯克補充，“當人們植入腦機接口芯片，隻需思考，即可控制手機或計算機，通過它們可以實現控制幾乎任何設備。最初的使用者將是那些失去行動能力的人。想象一下，如果能讓史蒂芬·霍金溝通速度比打字員或拍賣師更快，我們的目標就達到了。”
馬斯克還介紹說， Neuralink的首個產品名叫“心靈感應”（Telepathy）。
當大腦與設備相連
“想象一下，如果你能把思想融入機器，就仿佛在你的思想和機器之間建立了一種直截了當的高速連接。”這是馬斯克在2016年一次旅途中冒出的想法， 那時，他覺得用手打字太慢了。
而現在，馬斯克的想法正在成為真實，腦機接口就是能夠實現“意念手寫”的那個技術，將大腦和外部設備之間創建的直接連接通路。其核心是充分發揮人腦的優勢，繞過人體自身器官，大腦直接與外界裝備進行高效互動。
我們為什麼要研發腦機接口？
首先，它被證明為神經修復的最強大工具，能夠為癱瘓、中風和帕金森等疾病導致的神經功能受損的患者提供全面的解決方案。
其次，腦機接口作為核心關鍵技術，幫助我們全面地理解大腦的工作機制，是國際腦科學研究領域的重要手段。
在未來，我們有望將腦機接口發展成為超越智能手機的智能終端，讓人們通過意識來操控周圍的設備，並賦予他們超乎尋常的耐力、速度、精度和效率。
更令人興奮的是，去年11月，Science一篇論文表明動物也有人類那樣的想象力，因此，把動物的大腦與設備相連也會讓人擁有更大想象力。
把連接外部的通路塞到腦子中，這無疑會損傷大腦，因此根據侵入和損傷程度，業界將腦機接口可分為侵入式、非侵入式以及半侵入式三類。
其中柔性電極陣列具有較高的穩定性和信號質量，但植入過程中易造成組織損傷；而柔性電極陣列雖能減少組織傷害，但植入困難且長期使用穩定性較差。因此，如何將兩者的優勢結合起來，開發出一種剛柔可調的電極陣列技術，成為當前的研究熱點。
這次有什麼不同？
如果從1924年德國醫生漢斯·伯格開發腦電圖（EEG）算起，腦機接口經過百年的近現代技術發展，已形成一系列基本的技術研究和應用范式。
腦機接口主要歷史事件，制表｜電子工程世界
不過，從始至終，腦機接口都缺乏侵入式的臨床應用。
目前市場上侵入式的腦機接口主要有三個技術路線：矽基硬質電極系統、血管電極系統和柔性電極系統。
這些技術路線在過去十年裡取得了顯著進展，但仍面臨一些核心問題，如高通量、低創傷和長期在體的挑戰。
而在業界，也有人提出，腦機接口的摩爾定律是每隔18個月可以讀寫的腦機接口神經元數量應該翻一倍，腦機接口通道數的增速可以符合半導體的發展規律。
此次人類首次接受腦機接口（Neuralink）芯片植入，是高性能腦機技術面向臨床應用的一次重大突破。
此前獲準的傳統植入式腦機接口，使用名為“猶他陣列”（Utah array）的硬質電極，可能會引起大腦內部出現對異物的排異反應，如果需要更多通道神經信息，需要在大腦內部放置更多電極，這往往是不可取的。
而Neuralink采用的是柔性電極，有效降低大腦的排異反應，且具備1024個通道的電極，能采集到相當高質量的神經信息。
目前，國際上植入式腦機接口公司中，進入人體臨床試驗階段的有三傢，分別是Neuralink、Onward和Synchron。其中，Neuralink 屬於“皮層刺入”路線；Onward屬於“皮層表面”路線，走這種路線的國內也有微靈醫療；Synchron屬於“血管介入式”。
電子工程師要關註什麼？
腦機接口關鍵技術包括采集技術、刺激技術、范式編碼技術、解碼算法技術、外設技術和系統化技術。其中，電極與芯片與電子工程極為相關。具體技術細節包括：
植入式電極
植入式微電極通過將以離子為載體的神經電信號轉換為以電子為載體的電流或電壓信號，從而獲取大腦神經電活動信息。
植入到大腦中的微電極可以高空間分辨率和時間分辨率方式，精確記錄電極附近單個神經元的動作電位，從而實時監測大腦活動。
傳統植入式微電極由金屬和矽等硬質材料制備而成，形成了以密西根電極和猶他電極為主的硬質電極。隨著微納加工技術和電極材料不斷發展，微電極趨向於柔性、小型化高通量和集成化發展，形成了以微絲電極、矽基電極和柔性電極為主的多元化發展局面。
高性能柔性微電極對長期穩定慢性記錄具有重要意義，高通量微電極將為拓展全腦神經科學研究奠定重要基礎。
采集芯片
目前，腦信號采集技術朝著微型化、輕量化、高通量、分佈式采集的方向不斷前進。針對腦機接口的應用、算法、硬件以及范式的研究內容也逐漸主富，其中，腦信號采集芯片是將腦信號直接轉化為數字信號的核心硬件，也是腦信號讀取與解碼，腦部疾病診斷與調控所依賴的工具。
在定制化腦信號采集芯片設計過程中存在諸多技術挑戰。精密放大器是腦信號采集芯片中的核心模塊，在腦機接口應用場景中需要滿足多重技術參數要求。
對於腦信號來說，其幅值微弱 (幾十uV到幾個mV)、頻率低 (0.5Hz到數kHz)，因此易受外界噪聲幹擾，從而導致信號質量不佳。為了保持最佳的信號質量，腦信號采集模塊的部分關鍵參數,例如信號噪聲共模抑制比(CMRR)、電源抑制比(PSRR)、增益匹配、運動偽影等需要優化。
多個腦信號采集參數之間存在相互制約的關系，多參數的統籌優化是當前腦信號采集芯片設計的核心問題之一。
信號噪聲是腦信號采集過程中最大的幹擾源之一；共模抑制比是衡量系統應對環境幹擾的關鍵參數；采集芯片的微型化設計是植入式腦機接口系統核心技術挑戰之一。
針對不同的腦機接口應用以及采集芯片面對的一些技術難題，國內外有許多團隊提出了解決方案。
- 例如針對采集過程中的電極間直流偏置引起斬波放大器輸出飽和的問題，一種直流伺服反饋回路技術通過積分器將輸出端的直流分量提取並反饋至輸入端，有效抑制了電極間的直流偏置；
- 對於采集芯片的超低功耗需求，有團隊設計了基於反相器結構的超低壓斬波放大器，非常適合植入式場景。針對芯片微型化的問題，放大器與DAC結合的數字-模擬混合反饋技術可大幅縮小采集芯片的片上面積；
- 針對腦信號采集過程中的共模幹擾問題，基於電荷泵 (chargepump)的共模反饋技術通過對輸入端的共模擾動信號進行動態反饋，能有效抵抗高達 15V 的共模擾動；
- 對於采集芯片的無線供電問題，線圈的無線電感傳輸技術被應用在植入式腦機接口芯片中，通過外部傳輸線圈以及中繼線圈和片上耦合線圈，實現了對體內采集芯片的無線供電以及采集到的腦電信號無線傳輸。體表網絡無線傳輸技術 (Body areanetwork，BAN) 解決了無線供電時線圈難對準的問題，利用被試者的身體表面對采集到的信號以及能量進行無線傳輸，適用於可穿戴的腦機接口場景；
- 在提升系統集成度方面，目前已有將信號采集、存儲、以及基於AI的信號歸類識別等模塊集成在一起的腦機接口片上系統，實現了較高的系統集成度。針對於高通量植入式腦機接口芯片，有些公司設計了帶有動作電位識別的高集成度采集芯片，該芯片與數千個柔性電極相結合，實現了對高通量腦信號的采集。
中國“直線超車”的另一條路
環顧世界，美國國防高級研究計劃局（DARPA）、臉書、谷歌、亞馬遜等商業巨頭都在積極佈局腦機接口領域，成果不斷湧現，並已形成較高的技術壁壘。
我國也不例外。中國“腦計劃”，也即“腦科學與類腦研究”作為“科技創新2030重大項目”即將全面啟動。
中國科學院上海微系統與信息技術研究所副所長、研究員陶虎曾在一篇文章中寫道：“在高端科技中，我認為，腦機接口是中國最有可能迎頭趕上甚至‘直線超車’的領域之一。目前來看，在腦機接口核心器件的設計方面，中國完全不落後於國外，而且其加工隻涉及成熟的半導體工藝，這些核心加工技術均不面臨被“卡脖子”的問題和風險。因此，對於中國來說，推進腦機接口未來的發展，主要還是加快推進資源調配等問題，各環節協同合作，研制出全鏈條自主可控的腦機接口系統，為中國“腦計劃”的全面開展和順利推進提供解決方案。”
學界方面，目前，中國高校在腦機交互技術研發方面非常踴躍，浙江大學、天津大學、南方科技大學、上海交通大學、西安交通大學等高校皆有建樹。
縱觀整個中國資本市場，一直也活躍在腦機接口領域。根據動脈網統計，2023年腦機接口領域共發生投融資事件10起。其中，深圳市應和腦科學有限公司(以下簡稱“應和腦科學”) 以超億元的融資金額在上半年領跑。
當前，中國在腦機接口領域，尤其是植入式腦機接口的關鍵器件和高端裝備上，嚴重依賴於進口。國內缺乏具有原創性的核心技術，多數時候是在進行跟蹤研究，佈局分散且缺乏系統性。近兩年，美國對腦機接口實施了出口管制，導致系統級產品和核心器件的供應受到了一定的影響。這不僅對中國腦科學研究產生了影響，還對神經疾病患者的治療帶來了不同程度的影響。
此外，中國的腦機接口研發，面臨幾大挑戰：
- 一是安全性和有效性難以兼得，這一問題的待解限制了腦機接口技術的大范圍運用；
- 二是腦機接口的有效帶寬，即到底植入多少個電極足以基本涵蓋大腦重要活動或滿足特定功能需求，仍是一個未知數；
- 三是海量神經信號的處理仍是難題；
- 四是社會普遍關註的腦機安全與倫理風險。
對於腦機接口的商業化，也是一大問題。上海腦虎科技有限公司的創始人兼CEO彭雷，曾在第二屆南渡江論壇上表示。腦機接口商業化的挑戰，包括用戶購買和使用的成本以及給用戶帶來的價值。他認為，將腦機接口與XR技術結合是一個有前景的方向，因為這樣可以實現在佩戴上的無成本，並且可以提供更多的交互方式，包括運動交互和情感交互。
腦機接口，作為人與外部世界之間的溝通橋梁，並非絕對安全，它同樣面臨著被惡意攻擊的風險，這無疑增加了決策的復雜性和不確定性，並可能導致更大的風險。因為腦機接口技術的最終應用對象是人類，所以在開展臨床試驗之前，必須嚴格遵守國傢的法律法規，確保符合臨床倫理要求。而對於未來的風險，我們仍需保持警惕和謹慎評估。