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在我们的大脑上开个 25mm 的孔，再用跟红细胞大小差不多的针，往大脑里插入 128 根电极束，每根电极束上又有 8 个有的电极。
也就是说，要往大脑里插入超过1000个电极，这 1000 个电极接在植入体上，植入体通过螺丝固定在头骨，弥补缺失的头骨，缝上头皮。
这就是马斯克的脑机接口公司 Neuralink 最新公布的脑机接口手术。
目前已经有 13 位高位截瘫患者和渐冻症患者接受了脑机接口手术，在术后通过练习，他们重新获得了行动能力，还能玩游戏。
不只是马斯克的公司，在国内，脑智卓越中心联合华山医院，在给瘫痪患者接上脑机接口后，可以实现控制轮椅移动，指挥机器狗取外卖，甚至还能重新回归工作。
另一家脑机创业公司脑虎科技，也帮助一个因为车祸瘫痪近 3000 多天的患者，把玩游戏、操控电器的意念变成了现实。
所以这次我们来聊一聊脑机接口这一中外都受到关注的领域。
脑机接口是什么？是不是一定要打开脑子插入电极？
这项技术离实际应用，甚至是全脑接口，还有哪些需要跨越的障碍？
21 世纪是属于生物的世纪，也是属于材料的世纪。
这句话放在 10 年前，可能很多人会说是纯纯忽悠人的，但到了现在，结合脑机接口来看，含金量还在上升。
因为脑机接口，也就是 BCI 或者说是 BMI，恰好处于生物、材料交叉的领域。
我们先来聊一下脑机接口的原理。
首先，我们都知道，当大脑要指挥身体完成一个动作，是一系列复杂电信号的过程。
比如，要拿老狐桌上的杯子，大脑先整合其他信息，计算好用哪只手、手要伸多长。
当大脑开始发送手臂抬起的指令，实际的过程就是电信号的传播。
电信号从大脑皮层开始，传导到锥体束、脑干、脊髓，再到我们手臂上的神经末梢，释放乙酰胆碱，乙酰胆碱触发钠离子内流，再引发电信号，触发肌肉收缩，控制手臂动作。
而脑机接口的原理，就是在检测这些电信号，来判断我们想要执行的动作，这里的关键就是机器如何去检测这些电信号。
早在 1972 年，UCLA 的研究人员就成功让实验对象通过脑电波控制电脑屏幕上的光标。
不过随着技术的发展，脑机接口出现了不同的技术方向，按照信号采集方式可以分为非侵入式、半侵入式以及侵入式。
首先是非侵入式，这是目前最常见，也是商业化最多的脑机接口设备，这里面又以脑电 EEG 设备最常见，EEG 通过在头皮放置电极，检测大脑内电信号的变化。
比如这种医用的 EEG 电极帽，影视作品中我们常常能见到。在消费市场常见的睡眠监测头环，也是 EEG 的一种。
在非侵入式脑机接口领域，比较有代表性的企业是强脑科技，他们推出过不少头环产品，而比较出圈的是智能仿生手，通过检测神经和肌肉细胞的电信号，来解读使用者的意图，做出相应动作。
非侵入式除了 EEG，还有在医院或科研机构才能见到的脑磁图 MEG，它的原理是通过检测神经元电流产生的微弱磁场变化来反映电信号的变化。
而半侵入式，就需要给大脑做手术，将检测电极放在了颅骨和大脑皮层之间，但不会侵入大脑皮层，不损伤大脑组织。
相比与 EEG，半侵入式采集的电信号不用穿过皮层和颅骨，信号衰减少，质量也更高。
打个比方，非侵入式能够检测到马路上有没有车经过，那么半侵入则能够检测到经过的车是货车、轿车还是 SUV。
清华大学在 2023 年完成了两次半侵入式脑机接口的临床试验，可以看到，两枚硬币大小的脑机接口处理器植入了颅骨中，电极覆盖在硬膜外，然后线缆贴在大脑上，由无线技术来供电和传输信息。
一位高位截瘫 14 年的患者，在接受了微创脑机接口临床试验手术后，经过三个月练习，可以通过气动外骨骼手套，实现抓瓶子喝水，看采访。
另一位高位截瘫的患者，在接受手术后，经过两个月练习，能够用意念控制光标移动。
半侵入脑机接口另一家具有代表性的企业是 Synchron，这是一家总部位于美国的神经技术公司，投资人包括贝佐斯和比尔盖茨。
他们的检测脑部的方案是 “Stentrode”，翻译过来是血管支架电极。
这个方案是通过静脉血管，将电极支架植入患者的头部中，来读取脑部的电信号活动，然后通过埋在体内的线，传输到胸部的处理器中，再将数据经过无线传输至体外来处理。
由于 Stentrode 并不是常规的非侵入式，也有人将它归类为介入式。
介绍完非侵入式和半侵入式，侵入式是什么，我想大家看到这里，应该有个基本的概念了。
其中侵入式，电极会直接插入到大脑皮层内部，从某种程度上来说，这是在对大脑皮层“动刀子”。
这种方案的上限也最高，因为电极实现了单神经元细胞的信号采集，信号质量、精度以及信息密度都要高很多。
还是以马路上经过的车来比较，侵入式脑机能拍清楚车牌准确的数字，分辨车里司机是谁，乘客有哪些人。
更高的信号质量，可以让外接的机器完成更精准的动作，反映到我们使用电脑上，半侵入式脑机能让患者操控鼠标，完成点击、翻页这些简单动作，而侵入式能让患者玩游戏。
在 Neuralink 的实际植入案例中，患者甚至能通过脑机玩FPS游戏。
简而言之，侵入式脑机接口拥有更高的带宽，更高的空间分辨率和时间分辨率，可以传输更丰富的大脑皮层信号，捕捉到更精细的神经细胞电信号。
甚至，在脑智卓越中心开发的脑机接口通信协议上，把系统从信号采集到指令执行的延迟控制在 100ms 以内。
那我们人体自然神经环路传导的延迟是多少呢？
在 200 毫秒左右，大家可以打开一个网页对自己反应速度进行测试，这感觉在给身体上科技外挂了。
由于电极深入到大脑皮层，侵入式脑机不仅可以读取大脑电信号，也能向大脑写入电信号，比如让盲人接收视觉信息，不过，这需要将电极插入大脑皮层更深的位置。
如果未来能实现全脑机接口，几乎能读取整个大脑所有的信息，也能向整个大脑写入相关的信息，比如视觉、听觉、触觉等等，实现大脑与外部机器的高带宽连接。
我的理解，就是脑子有了物理外挂。
总的来说，侵入式脑机可以拓展人类的能力边界，千里眼顺风耳，从理论上来说，也可以实现。
所以侵入式脑机是目前最受关注的脑机接口方案，尤其以马斯克的 Neuralink 受到关注，虽然还没有投入量产，但估值已经百亿美元级别。
除此之外，侵入式脑机比较受到关注的企业或机构还有开山祖师级别的 BrainGate、脑虎科技以及中国科学院的脑智卓越中心等等，
所以，侵入式脑机接口可能是脑机接口的一个终极方案。
我们已经知道了侵入式脑机接口有很多优点，那为什么很多神经技术公司不把研究方向投入到侵入式，而是要开发非侵入式，半侵入式呢？
那是因为它的缺点，或者说是技术难点还有很多。
这就好比我幼儿园就知道清华北大很好，但最后没去上的原因。
首先，侵入式脑机接口的电极要插入大脑皮层，为了插入不伤害我们的大脑组织，这需要非常细、非常柔软的电极材料。
而且电极长时间插入大脑皮层，还要解决生物相容性问题，这就是生物领域和材料领域的交叉融合领域。
而国内外的研究机构，都采用了了相同的方案，就是柔性电极。
以脑智卓越中心采用的是超柔性神经微电极为例，这种电极通过 MEMS 微纳加工工艺制备，生产出尺寸仅为头发的 1/100，达到细胞尺寸级别。
所谓 MEMS 微纳加工工艺，就是在纳米这个级别的尺度加工材料的工艺（Microelectromechanical systems，MEMS）。
加工出来的超柔性微电极不仅要柔软，它的弯曲应力仅为细胞间作用力的量级，而且电极上还要有电子电路、传感器等结构，才能实现信号感应功能，技术难度可想而知。
而且，这种超柔性微电极，还必须要减少身体的排异反应，包括长时间插入大脑皮层引起炎症，中枢神经细胞会形成胶质瘢痕，胶质瘢痕反过来会影响信号的精度。
这些从生物相容性来说，这些都需要解决。
其次是信号质量的问题，不只是胶质瘢痕会影响电极的信号质量，我们大脑活动、眨眼、呼吸，包括情绪波动，这些生理活动都会产生无关的电信号，也就是噪声，从而影响信噪比。
即便侵入式脑机接口这种方案本身就是为了提升电极采集到信号的信噪比，但还是避免不了信号的噪音问题，因此，如何识别提取信号中的有效特征，也是脑机接口的研究方向。
第三个难点是设备的小型化或者说是微型化，这张图是 Neuralink 无线植入体的演变过程，上面是更早的版本，右下角 N1 是最新的版本，即便缩小了体积，但植入人头骨上的这个设备还是有一个硬币的大小，也就是说需要在颅骨上挖开一个 25mm 的孔。
国内的脑智卓越中心的侵入式脑机方案，更保守也更友好一些一些，因为植入体更薄，只需要在颅骨上“挖出”一个差不多大小的凹槽，在凹槽底部再打开一个 5mm 的穿刺孔，电极由穿刺孔进入脑腔，插入大脑皮层中。
而且既然是无线设备，它需要充电，需要对信号进行初步的提取、完成模拟信号到数字信号转换、压缩数据、无线传输，这些过程都会产生热量，而植入体必须对发热有严格的控制。
在这个硬币大小的设备上，目前一共连接了 1000 个电极，而 Neuralink 的目标是连接2万根电极，这意味着采集的信号更加丰富，更加庞大，植入体需要更加强大的数据处理能力。
此外，数据传输对带宽也是一个挑战。
比如我们上网，已经非常习惯 100M 的带宽，但是到目前为止，Neuralink 的蓝牙传输带宽，理论最高传输速度是 1Mbps。
如果想要实现全脑接口，势必要更高的带宽，如何提升传输的带宽，并且控制发热，仍然是脑机接口需要克服的一个障碍。
所以仅仅是植入体这一项硬件，就是一个非常大的工程挑战。
国内的神经技术公司脑虎科技，就把植入体的电池模块置于胸口位置，让发热的单元可以远离大脑位置。
未来如何把成上万个电极插入脑中，也依然是一个需要解决的工程问题， Neuralink 给出的方案手术机器人。
由医务人员来进行开颅手术，然后由机器人控制红细胞大小的针头，避开大脑中的血管，以 1.5 秒一针的速度将电极植入大脑皮层中，再将植入体固定在颅骨上。
国内的自动化研究所也成功研制脑机接口柔性微电极植入机器人 CyberSense，但在参数上离 Neuralink 的机器人还有差距，比如植入的柔性电极没有后者细，植入速度这些也没有提及。
即便如此，也可以见到，咱们国内很多企业或研究单位，在侵入式脑机接口方面都在取得突破，在这个领域，目前来看，是美国领先，中国追赶的形势。
其实关于脑机接口还有一些伦理方面的讨论。
比如，隐私问题，公平问题，这次我们就不展开讨论了。因为也不是当下脑机接口的主要问题。
目前，接受脑机接口试验的都是高位截瘫患者或 ASL 患者（肌萎缩侧索硬化症（Amyotrophic Lateral Sclerosis）），帮助他们重新拥有行动能力，这些应用前景让脑机这项技术看起来非常让人激动。
所以，说 21 世纪是生物的世纪，也是材料的世纪，大家会不会认同。
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