腦機接口重大進展，AI模仿讓患者發(fā)聲！上游芯片技術也在不斷研發(fā)

電子發(fā)燒友網報道（文/李彎彎）近日，腦機接口技術又取得重大進展，美國加州大學戴維斯分校健康中心開發(fā)出一款新型腦機接口（BCI），可將腦信號轉化為語音，準確率高達97%。該團隊在一名因肌萎縮側索硬化癥（ALS）而語言能力嚴重受損的男子大腦中植入傳感器。啟動該系統(tǒng)后，該男子在幾分鐘內就能說出自己想要說的話。

腦機接口不斷實現技術創(chuàng)新

該團隊通過手術在這名患者大腦的外層植入了四個電極陣列，每個陣列的64個探針能捕捉到患者試圖移動嘴唇、下巴和舌頭說話時，神經元發(fā)出的電信號。

手術后三周，研究者成功將植入設備通過連接到患者頭骨上兩個金屬柱子的連接線，連接到一排計算機上。僅僅在計算機短暫地學習了患者的講話后，這套裝置就開始以99.6%的準確率記錄他想通過50個詞匯表達的內容。

在試驗的第二天，設備已經能夠以90%的準確率覆蓋125,000個詞匯，并且首次生成了該名患者自己編寫的句子。而且，該設備用一種非常像他自己聲音的聲音說出了這些句子：研究者使用播客采訪和其他舊錄音，使用AI深度模仿該名患者在患病之前的聲音。

隨著研究者們繼續(xù)訓練設備以識別他的聲音，設備表現得越來越好。研究報告稱，在八個月的時間里，該名患者共說出了近6,000個不同的詞匯，設備的準確率保持在97.5%。

研究人員表示，這一成就部分得益于像ChatGPT這樣的語言工具所使用的人工智能模型。在任何給定時刻，該名患者的植入物會拾取一組神經元的活動，將它們的發(fā)射模式翻譯成元音或輔音的聲音單位。然后，計算機將一串這樣的聲音聚合成一個詞，并將一串詞聚合成一個句子，選擇它們認為最有可能與該名患者試圖說的內容相符的輸出。

腦機接口，是指在人或動物大腦與外部設備之間創(chuàng)建的直接連接，實現腦與設備的信息交換。腦機接口技術是一種變革性的人機交互技術。其作用機制是繞過外周神經和肌肉，直接在大腦與外部設備之間建立全新的通信與控制通道。它通過捕捉大腦信號并將其轉換為電信號，實現信息的傳輸和控制。

腦機接口這一概念早已有之，但直到20世紀90年代以后，才開始有階段性成果出現。2023年，科學家們開發(fā)了可以將神經信號轉化為接近正常對話速度的語句的腦機接口。全球首例非人靈長類動物介入式腦機接口試驗在北京獲得成功，促進了介入式腦機接口從實驗室前瞻性研究向臨床應用邁進。

2024年1月29日，首例人類接受了腦機接口公司Neuralink的植入物，目前恢復良好。2月，首都醫(yī)科大學附屬北京天壇醫(yī)院神經外科賈旺教授團隊聯合清華大學洪波教授團隊，利用微創(chuàng)腦機接口技術首次成功幫助高位截癱患者實現意念控制光標移動。

3月，清華大學科研團隊公布了兩個案例，兩位高位截癱患者分別通過無線微創(chuàng)腦機接口實現了意念控制光標移動、意念控制手套外骨骼持握，其中一名患者四肢癱瘓14年來，第一次實現了“用手喝水”。5月消息，腦機接口公司Neuralink正在接收第二位植入者申請，該試驗可以實現意念控制手機和電腦。

腦機接口技術不斷實現技術創(chuàng)新。在電極與芯片技術方面，腦機接口技術的關鍵在于高效、精確地采集和分析腦電信號。近年來，電極材料和神經接口芯片技術不斷升級，使得信號采集的精度和實時性大大提高。

在信號解碼與處理方面，隨著人工智能和機器學習技術的引入，腦電信號的解碼能力顯著增強。這些技術能夠更準確地識別和理解大腦中的信息，為腦機接口的應用提供了堅實的基礎。人工智能技術在腦機接口創(chuàng)新方面的應用，在上述團隊的最新研究中就得到了很好的體現。

國內外腦機接口芯片進展

從腦機接口產業(yè)鏈來看，其上游主要包含電極、算法、BCI芯片等軟硬件設備，中游主要為腦機接口系統(tǒng)相關企業(yè)及合作伙伴，下游則為應用領域，包括科研設備和醫(yī)療健康領域。

其中，在腦機接口技術中，電極和芯片是兩個關鍵的硬件組成，電極負責高質量的信號采集，芯片負責對這些信號處理，使其能夠被外部設備理解和使用。

腦機接口芯片通常包含精密放大器、模數轉換器（ADC）、數字信號處理器（DSP）等，它們對信號進行放大、濾波、數字化和初步處理，以便于后續(xù)的數據分析和解碼。

根據應用場景不同，腦機接口芯片可以分為主要用于捕捉大腦神經元的電信號，并將其轉換為數字信號供后續(xù)處理，廣泛應用于神經科學研究、康復治療等領域的神經信號采集芯片；通過解析大腦信號，實現對外部設備的運動控制（如假肢、輪椅）的運動控制芯片；能夠識別和分析大腦信號中的情感信息，為人機交互等領域提供有力支持的情感識別芯片等。

目前，全球范圍內已有眾多科研機構和企業(yè)致力于腦機接口芯片技術的研發(fā)。其中，Neuralink是國外知名的腦機接口公司，其首例人體植入的“心電感應”N1芯片通道數為1024，用來實現對大腦活動的解碼并幫助患者控制鼠標光標等。

中國團隊也自主研發(fā)了多款腦機接口芯片，包括“天谷”V1.0，該芯片由中電云腦、腦機交互與人機共融海河實驗室、天津大學合作研發(fā)，是一款基于PKS的國產化腦機交互信號采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)面向EEG、ECG等神經電生理信號采集與計算應用，構建了生理信號的采集、處理、傳輸系統(tǒng)一體化系統(tǒng)。同時，該產品與“飛騰CPU芯片+銀河麒麟桌面操作系統(tǒng)”組合實現了兼容性測試與認證，對推動國產化進程具有重要意義。

還有NeuraMatrix芯片，由清華大學孵化的企業(yè)開發(fā)，已完成多輪迭代。該芯片在功耗、無線傳輸等方面具有顯著優(yōu)勢，能夠降低產品系統(tǒng)功耗，縮小電池體積，實現整機體積大幅減小。同時，其無線傳輸采用醫(yī)用頻段而非藍牙，使腦電數據傳輸量更大，并可無縫對接醫(yī)療器械。NeuraMatrix芯片已形成樣機并投入科研室使用。

以及“腦語者”芯片，這款芯片由天津大學和中國電子信息產業(yè)集團有限公司聯合研發(fā)，是全球首款腦-機接口專用芯片。該芯片擁有完全自主知識產權，具備精解碼、高指令、快通訊、強交互等四大優(yōu)勢，有望在醫(yī)療、教育、家居、游戲及特種行業(yè)等領域投入使用。

另外，去年8月，武漢高德紅外股份有限公司董事長黃立表示，他投資設立的衷華腦機接口公司成功研發(fā)出具有國際先進水平的65000通道雙向腦機接口芯片。這一技術的突破將使得多項醫(yī)療應用成為可能，例如讓假肢擁有真實的感覺、通過人腦意念控制假肢、治療多種神經系統(tǒng)疾病如癲癇、阿爾茨海默病、抑郁癥和帕金森病，以及讓盲人恢復視力、存儲記憶等。今年6月，三博腦科宣布，與武漢衷華腦機戰(zhàn)略合作簽約，促進腦機接口臨床轉化。

寫在最后

近些年，時?？梢钥吹侥X機接口技術創(chuàng)新和應用進展。尤其人工智能技術不斷成熟的情況下，腦機接口+人工智能，讓更多過往的想象成為可能，如上述美國加州大學戴維斯分校健康中心實現的這個案例，在人工智能技術的幫助下，讓肌萎縮側索硬化癥（ALS）而語言能力受損患者能夠重新“發(fā)聲”。同時，作為腦機接口的核心元件的芯片至關重要，可以看到，國內外企業(yè)和機構都在積極持續(xù)研發(fā)，并不斷取得進展。