陶虎談腦機接口的現(xiàn)實挑戰(zhàn)和未來發(fā)展 | 錨點

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INTERVIEW

腦機接口，曾經(jīng)只存在于科幻中的技術(shù)，如今正因馬斯克的Neuralink被熱議。中國賽道同樣突飛猛進：腦虎科技聯(lián)合華山醫(yī)院，憑借自主研發(fā)的256導柔性腦機接口，讓患者成功發(fā)出了世界上首段靠意念完成的新年祝福，被譽為里程碑突破。腦機接口究竟做到了什么、沒做到什么？科幻場景將來有多少能變成現(xiàn)實？未來腦機接口又該如何發(fā)展？

我在中國科學技術(shù)大學的師弟、腦虎科技創(chuàng)始人兼首席科學家陶虎認為，過去十年來，腦機接口行業(yè)處于漸進式發(fā)展的狀態(tài)，當前該領(lǐng)域面臨的核心挑戰(zhàn)在于硬件的工程化集成，而非單點技術(shù)突破。未來，除了醫(yī)療領(lǐng)域，他比較看好的是“腦機接口+”的潛力，如結(jié)合大語言模型、機器人、智能控制等，賦能更廣泛的應(yīng)用場景。同時，他呼吁腦機接口從前沿研究快速轉(zhuǎn)向產(chǎn)品落地。

陶虎

腦虎科技創(chuàng)始人兼首席科學家

Q：據(jù)有關(guān)媒體報道，你們在腦機接口的某些點上已經(jīng)達到了世界領(lǐng)先！具體做了什么？中國在腦機接口領(lǐng)域做到了哪些世界領(lǐng)先？

A：

與其說世界領(lǐng)先，可能更多應(yīng)該叫作“國內(nèi)首次”。我們首次用腦機接口實現(xiàn)了漢語的實時解碼，而且我們是用全自主研發(fā)的技術(shù)來做整個系統(tǒng)的搭建，包括植入手術(shù)。從這兩個方面來看，確實具有很大的突破性。

語言作為一種更高級的功能，往往覆蓋更多腦區(qū)，它本身的機制也不完全明朗，所以相比運動腦機接口，做語言腦機接口這一塊可以借鑒的以往案例并不多，很多進展 都是我們在實踐中一步步探索出來的。

之前也有團隊能做語言腦機接口，但是做不到實時解碼，他們完成解碼大概需要10秒的時間，但是現(xiàn)在我們可以做到0.1秒。這樣的話可以保證每分鐘40個字左右的語言合成速度。雖然相比我們面對面的日常交流（每分鐘大概能說150~200個字）還是要慢很多，但是基本上已經(jīng)可以媲美用手機發(fā)信息的速度了。

Q：語言解碼會涉及大范圍的腦區(qū)嗎？

A：

大腦是一個非常復雜的器官。我們的大腦里可以有800多億個神經(jīng)元，然后每個神經(jīng)元跟旁邊成千上萬個神經(jīng)元都有信息和物質(zhì)的交換，這使得大腦成為已知宇宙里面最為復雜的計算或連接網(wǎng)絡(luò)。

任何對外體現(xiàn)出來的大腦功能，不管是運動、語言，還是思考，其實都應(yīng)該是底層相應(yīng)的神經(jīng)元，特別是多個（甚至是成片的）神經(jīng)元，或者說是多個腦區(qū)協(xié)同工作的結(jié)果。

所以，越是涉及高級功能（如語言），相對來說需要協(xié)同的腦區(qū)就越多。這對腦機接口技術(shù)，特別是神經(jīng)電極的能力，提出了更高的要求，比如說通量要更高（即需要的電極點位更多），以覆蓋多個腦區(qū)。

Q：覆蓋多個腦區(qū)意味著很多不同的地方都要采樣嗎？

A：

是的。語言合成其實有很多途徑，有的是直接的，有的是間接的。像霍金用那個眼動儀，其實更多是在做選擇題，他在26個字母上掃，掃到A就是A。這是一種間接的方式。

之前也有通過運動腦機接口來做文字或者語言解碼的，設(shè)備還是放在他的運動區(qū)，但他腦袋里先想象的是筆畫，是ABCD等字母的筆畫，然后再將其變成單詞。這是一種只需要用運動腦機接口就可以做到語言解碼的方式，但它其實更多是意念打字或者意念敲字，而不是意念合成語言。

漢語跟英語還是有很大區(qū)別的。漢語是有語調(diào)的（普通話有四聲），這一點我們需要加以利用，針對不同的語調(diào)進行調(diào)整。除此之外，回到文字本身，哪怕漢字已經(jīng)發(fā)展 到簡化字這個階段，有些字還是屬于會意文字，這就意味著在漢語的編解碼機制里，語意本身參與的程度可能會更高一些。我們通過對幾例受試者做的實驗發(fā)現(xiàn)，這些在腦電特征以及編解碼算法、范式設(shè)計里都會體現(xiàn)出來。

一位本身可以說話的受試者如果想要說什么，會通過相應(yīng)的面喉部肌肉把音發(fā)出來。這一過程至少會涉及兩個 非常主要的腦區(qū)：第一個是跟語意相關(guān)的，就是“我”到底想要說什么；第二個是跟運動相關(guān)的，就是“我”把這個東西說出來。我們現(xiàn)在就在嘗試把受試者“發(fā)”相關(guān)字的放電活動捕捉起來，同時結(jié)合其語意相關(guān)的放電活動進行聯(lián)合解碼，這樣效率會高很多。

Q：既然這位受試者本來就可以說話，為什么還要用腦機接口來讓她說話呢？

A：

她本身是一個語言區(qū)腫瘤占位的癲癇患者，手術(shù)過程中這一塊可能需要切除，切除后也許會影響她的語言功能。據(jù)我們了解，這是接受腦機接口漢語實時解碼嘗試的第一例患者。

我們不能無中生有地編一個編解碼機制，得有初始的腦電數(shù)據(jù)和樣本，所以我們必須在她還能正確說話的時候觀察她的腦電活動是怎樣的，并將其解碼出來。這樣后期如果真的有需要，就可以利用上（慶幸的是，現(xiàn)在這個患者整體恢復情況較好）。

而對于有些病癥，比如說漸凍癥，患者的語言功能是會慢慢消失的。針對這種情況，我們就可以在早期他還能正常說話的時候，給他植入一個腦機接口，通過這個腦機接口來進行語言功能的重塑。如此一來，后期他就可以用 意念合成語言來與外界交流。

其實，腦機接口本身還有一個很大的潛在作用，就是可以作為一個平臺工具或者輔助工具來用。現(xiàn)在開發(fā)的很多新藥和治療手段用在漸凍癥病人身上得到的反饋都不多，效率也是比較低的。但腦機接口作為一個“金標準”，它插在大腦里，我們就能知道這個神經(jīng)元凋亡還是沒凋亡，這對藥物藥效的及時開發(fā)，甚至是不同治療手段的聯(lián)動都有幫助。

這里只是以漸凍癥為例。除此之外，像失明、失語以及成癮、抑郁等精神類病癥，情況大抵相同。腦機接口在其中更多是作為一種核心工具和手段，賦予我們更多的方式去了解大腦，而且是實時地了解。

Q：能達到這樣的效果，你們的技術(shù)訣竅是什么？

A：

一般來說，植入式設(shè)備大多是三類醫(yī)療器械（中國醫(yī)療器械分類管理中最高風險級別的器械），長期在體的比短期的（比如說術(shù)中要用的）要難一些，放在腦袋里的又比放在骨頭里的相對來說難一些。所以，相對而言，我們走的是最難的一條路線。

我們更多還是在做全鏈條的技術(shù)研發(fā)。從系統(tǒng)框架來講，它其實是一個微系統(tǒng)，前端有非常重要的用于大腦信號采集和調(diào)控的電極，用于信號處理的芯片，用于信號分析的編解碼算法，用于信號傳輸?shù)臒o線協(xié)議、無線天線，以及用于維持整個系統(tǒng)運作的電池——我們希望將這些整體封裝成一個足夠小的package（包裝）。

它要么植入顱骨里面，要么就放在顱骨上，不能給病人本身帶來極大的負擔，而且在運行過程中，如果有大量數(shù)據(jù)需要實時處理，還不能有太大的功耗，否則一天到晚充電都來不及。

另外，功耗大還涉及發(fā)熱的問題。身體其他地方有一些熱我們或許還能忍受，但大腦只要提高兩攝氏度，人就會休克，這也是我們需要控制的。所以很多時候，我們這個領(lǐng)域做的事情其實是一種妥協(xié)。

Q：可能是單看每一項，每一項都不難，但集成在一塊兒就會變得非常難。

A：

所以，我們一直說自己做的是腦機接口的接口，就是讓電極跟芯片接口能匹配，芯片跟算法接口能匹配，算法跟無線通信能匹配。

Q：這個維度聽起來很有趣。據(jù)我所知，米格爾?尼可萊利斯（Miguel Nicolelis）在2014年巴西世界杯的時候做了一件非常有意思的事情：他借助腦機接口和外骨骼技術(shù)成功讓一位截癱青年為世界杯開球。為什么我們現(xiàn)在看起來還是在做類似的事情？十年過去了，難道這個領(lǐng)域進步如此之慢嗎？

A：

如果只是用意念開球，根本不用植入式腦機接口，因為不需要踢得有多準。但是運動本身也有流暢度、自由度、實時的延遲等維度的比較，這個是永無止境的。現(xiàn)在大家 就是在（試圖讓截癱人士）從簡簡單單踢個球轉(zhuǎn)變到可以像正常人一樣踢球，這中間雖然在不停地迭代優(yōu)化，但還是差得很遠。

在我看來，這十年所取得的只能說是很漸進式的變化，還沒有顛覆性的變化。我內(nèi)心有自己的判斷標準。第一個就是把病人變成“正常人”。比如說語言，如果語言合成的速度能達到我們正常說話的速度，我認為這就是一個很重要的里程碑。

下一個里程碑是看什么時候能夠超過正常人的速度。腦機接口是什么？它是繞過我們的五官四肢跟外面直接建立聯(lián)系。比如說運動，如果我們針對某個單項技能使用腦機接口這種運動控制，它可能確實會比人的操作還要快。在我看來，這也是一個里程碑，不過目前還沒有見到。

人體最發(fā)達的就是大腦。可以說，我們的五官四肢是配不上我們的大腦的，無論是數(shù)量上還是質(zhì)量上都配不上。例如，數(shù)量上我們只有兩只手，質(zhì)量上我們的視力也比不過老鷹。但是隨著硅基技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在我們有了傳感器， 它比老鷹看得還準；我們也有了機械手，可以做8個機械手、10個機械手，這完全沒有限制。

也就是說，現(xiàn)在我們有了比自身五官四肢更好的外部設(shè)備。即便如此，在性能功耗比方面，我們依然沒有看到任何一個計算機比大腦更好。腦機接口就是要把我們的大腦跟外面更強的執(zhí)行器、傳感器連接起來，但里面的核心技術(shù)一直沒有太大的突破。這里的突破指的是能夠安全可靠地大規(guī)模進行神經(jīng)編解碼的分析。

它的核心技術(shù)卡在什么地方呢？神經(jīng)電極的通道數(shù)依然很少。從早期的1個通道、4個通道到目前為止依然在用的100個通道的猶他電極，以及以埃隆·馬斯克為首的團隊終于做到了幾千個通道……我們深刻意識到，在硬件上有所突破，才能做到更高效率的編解碼。但總體來看，我們在硬件上其實一直沒有太多突破，這是因為在腦科學領(lǐng)域，做硬件、做工具的人太少。

神經(jīng)科學家有很多，也許是因為破解一些未知的科學難題更吸引人，相比之下，做工程就沒有那么吸引人了，再加上硬件本身投入比較大，周期也比較長，就會導致愿意從事硬件開發(fā)的人相對較少。但是，近些年大家慢慢開始看到腦機接口在臨床上有一些確切的應(yīng)用前景，意識到它確實是有用的。我相信，在接下來的3~5年腦機接口領(lǐng)域會迎來大爆發(fā)。

Q：前面談的應(yīng)用場景主要還是醫(yī)療。除了醫(yī)療領(lǐng)域之外，腦機接口還有哪些應(yīng)用場景？

A：

腦機接口在我心中的定義就是接口。既然是接口，現(xiàn)在要討論的就不是腦機接口能干什么，而是腦機接口加什么。

Q：就像“人工智能+”是吧？

A：

對，這是“腦機接口+ ”。

首先是“腦機接口+語言大模型”。當我們能做到語言的編解碼的時候，就會發(fā)現(xiàn)腦機接口加語言大模型非常有意思。在這一場景下，人們不僅可以跟語言大模型進行互動，而且可以快速積累數(shù)據(jù)。

其次就是“腦機接口+機器人”。腦機接口如果本身針對 的是患者肢體有障礙的問題，和機器人結(jié)合在一起就可以做很多事情，包括康復、陪伴、執(zhí)行任務(wù)等。

再次，還有 “腦機接口+智能控制”，不管是控制智能家居，還是后面能做得更加可靠和成熟的無人駕駛，都可以實現(xiàn)。

除此之外，主流行業(yè)里類似的對人們有很大影響的東西，其實都可以通過腦機接口的方式加以賦能、拔高，甚至做出顛覆性的改變。

所以我想說的是，腦機接口這個賽道要有人去做，腦機接口跟其他賽道之間的接口也要有人去做，而我們正在做的就是把腦機接口發(fā)展成一種容易接入其他賽道的平臺技術(shù)。

Q：近些年關(guān)于腦機接口，宣傳最多的可能就是馬斯克的Neuralink。人們對其有肯定，也有批評，比如，很多人認為馬斯克的宣傳是過度夸大的。對此，你怎么看？

A：

馬斯克本質(zhì)上還是商人，所以他會用商業(yè)化的方式來催熟一門技術(shù)。在我看來，馬斯克在一些項目（包括Neuralink、特斯拉在內(nèi)）中做得非常成功的一點——同時也是一直以來我覺得我們需要認真學習的地方——就是系統(tǒng)工程學。

他的每一個產(chǎn)品依靠的都不是單點的優(yōu)勢，至少目前看下來是這樣的。從理論創(chuàng)新的角度來講，我（在他那兒）甚至都沒有看到一個顛覆性的前沿產(chǎn)品。他就是把現(xiàn)有的，甚至只是稍微有一點突破的東西，通過系統(tǒng)工程學的方式進行優(yōu)化，包括它的成本、開發(fā)周期等。然而，這恰恰是國內(nèi)過去缺乏的。

我們原來更擅長什么呢？是點上的突破。根據(jù)報道，國內(nèi)現(xiàn)在已經(jīng)有了超級高通道——通道數(shù)能達萬級。甚至如果我們想做，未來百萬級也是可以實現(xiàn)的。

問題是，即便做到百萬通道，沒有芯片匹配有什么用呢？芯片如果能匹配，功耗降不下來，耗電量降不下來，放上去10秒鐘就沒電了，又有什么用呢？怎么通過系統(tǒng)工程學的方式，把已有的六七成的技術(shù)，集成在一起做到八成、九成，這是之前國內(nèi)科學家創(chuàng)業(yè)時很難去想的事情。在點上比別人的性能好，不代表做出來的產(chǎn)品就比別人的性能好。

此外，在實驗室里獲得的發(fā)現(xiàn)、在文章里發(fā)出來的東西跟產(chǎn)品本身是不一樣的。做產(chǎn)品，特別是醫(yī)療產(chǎn)品，10個里面有一個壞的都不行。因為做產(chǎn)品跟做科研有本質(zhì)上的區(qū)別，你不能將關(guān)于產(chǎn)品的要求套用在科研上，也不能按科研要求的先進程度來要求產(chǎn)品，這是兩回事。但目前我認為，腦機接口不能再停留在前沿科技層面，而是要快 速轉(zhuǎn)向，聚焦到產(chǎn)品落地上來。

一定要讓政府、讓病人、讓市場看到它作為一個產(chǎn)品真正能帶來的收益。

Q：2025年1月10日，上海發(fā)布了《上海市腦機接口未來產(chǎn)業(yè)培育行動方案（2025—2030年）》。這對整個行業(yè)來說應(yīng)該是巨大利好，對嗎？

A：

首先，現(xiàn)在整體上明確了“企業(yè)家+科學家+投資人”三位一體的工作方式。

其實，原來有很大一部分都是科學家在牽頭，但僅靠科學家是不夠的；也有一段時間在考慮是不是讓企業(yè)家牽頭，先把產(chǎn)品做出來再說，結(jié)果發(fā)現(xiàn)里面的科技屬性又太淡了。

現(xiàn)在，我們發(fā)現(xiàn)科學家和企業(yè)家之間還有資本驅(qū)動的情況存在，因為它畢竟是一個需要資源助力的行業(yè)。如此一來，明確三位一體的工作方式對行業(yè)發(fā)展來說顯然是有利的。

其次，腦機接口一定是以應(yīng)用場景需求驅(qū)動的方式發(fā)展，它的執(zhí)行主體一定是企業(yè)，它必然以產(chǎn)品形態(tài)出現(xiàn)。我們不能再以文章、論文的形式來做這些。

最后，腦機接口的發(fā)展也需要國家機構(gòu)的監(jiān)督，需要多方配合、共同制定標準。著眼于這個方案，我們可以非常明確地看到上海市要以產(chǎn)品為導向發(fā)展腦機接口行業(yè)的決心。

Q：在你看來，腦機接口領(lǐng)域下一個亟待解決的重要問題是什么？或者說，下一個錨點是什么？

A：

下一個錨點就是接口，或者說是連接。我們希望腦機 接口這樣的技術(shù)可以連接不同領(lǐng)域、不同學科的專家，甚 至可以連接不同國家，大家一起來做這件事情。因為這件 事情對全人類的現(xiàn)在，包括未來，都是有歷史價值的。

袁嵐峰

《錨點》科學對談人

-本文刊載于《世界科學》雜志2025年第10期“錨點”專欄；該專欄由《世界科學》編輯部和東方衛(wèi)視《錨點》節(jié)目組聯(lián)合開發(fā)，節(jié)目原題為《腦機接口，中國后來居上？》-

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