2023年7月,脑虎科技对一只名叫悟空(Goku)的7岁恒河猴做了植入实验。这也是国内首次做的恒河猴脑控运动解码的项目。马斯克的Neuralink于2021年展示的恒河猴脑控实验,也是用了同样的实验标准范式。人体实验方面……

从1942年到1972年,短短30年间,美国开展了举世闻名的“曼哈顿计划(Manhattan Project)”与“阿波罗计划(Apollo program)”两大国家级大科学工程。可以说,正是这两大工程铸就了美国全球科技强国的地位。

1940年代的曼哈顿工程历时3年,工作人员超过15万,总投资25亿美元,以产生高纯度浓缩铀(U235丰度大于90%)为标志,最终使原子弹由假想成为现实,其中工业化的核心技术是离心机。1960年代开始的阿波罗计划历时12年,高峰时有30万人参加,耗资超过250亿美元,以提供超强运载能力(运力大于127吨)的大排力运载火箭为成果,最终将人类送上了月球。

1980年代,人类开始了第三次大型科学计划——人类基因组计划(Human Genome Project)。这项跨国跨学科的科学探索旨在测定组成人类(指)中所包含的六十亿对组成的序列,从而绘制图谱,并且辨识其载有的及其序列,达到破译人类遗传信息的最终目的。高通量测定基因序列要求并行处理DNA大于600万,核心技术在于基因测序仪。

脑计划(Human Brain Project)作为人类第四大科学计划,与2010年左右开始实施,目标是实现长期稳定读写大规模神经元动态网络数据,而脑机接口(Brain Computer Interface, BCI)是其中最重要的技术工具。所谓脑机接口,是在人脑与计算机或其他电子设备之间建立的直接交流和控制通道,通过这种通道,用户可直接通过大脑思想来表达想法或操作设备,而不需要语言或者动作。

脑机接口的四个发展时期

“脑机接口系统本身比较复杂,又是一个交叉学科,范围涉及微电子、医疗器械、芯片、材料、算法、机器人、医学、伦理、神经科学、心理学等不同学科交叉。核心难点在于最大限度利用大脑,与最低限度损伤大脑之间的平衡。” 在12月21日举办的第二届南渡江智慧医疗与康复产业高峰论坛上,上海脑虎科技有限公司创始人、CEO彭雷 在主题为《脑机接口·让大脑连接未来》的演讲中说到。

上海脑虎科技有限公司创始人、CEO彭雷

1970年代以前,脑机接口技术处于理论萌芽期。1924年BCI雏形诞生,并于1929年首次进行人体实验。直到1969年,美国神经科学家埃伯哈德·费兹(Eberhard Fetz) 首次在猴子脑中植入电极,形成闭环神经调控。

70年代到90年代末期,是脑机接口的概念论证期。1977年,美国加州大学洛杉矶分校(Universityof California, LosAngeles,简称UCLA)计算机科学系荣誉教授雅克·维达尔(Jacques J. Vidal)首次实现用脑电波控制光标走迷宫的脑机接口底层技术,正式提出了“脑机接口”概念,这一时期欧美学者提出的几种范式,也被沿用至今。

20世纪初到2019年,脑机接口技术迎来爆发期。加州理工学院神经科学教授理查德·安德森(Richard Anderson)在一位四肢瘫痪的病人大脑中植入芯片,帮助其喝到一口冰啤酒。同时聚焦于实现BCI的技术路线,我国针对BCI的研究也有了重大突破。

彭雷认为,随着2021年,Neuralink使用1024通道柔性电极让猴子通过脑机接口打游戏实验的成功,产业已经开始进入发展期。“2021年之前,是以学术驱动的方式推动产业,大概每两三年会有一篇高分论文,作为《NATURE》的封面文章发表,其中都是全球领域大科学家针对脑机接口做的范式探索。而2021年之后,随着马斯克Neuralink公司包括动物实验在内的一系列进展,让整个学术界开始往产业化转型。”例如清华大学课题组在2022年,采用了3个颅内电极进行微创植入脑机接口,受试者打字速度达到每分钟12个字符;同年,《Nature》公布了一则数据,人类用意念打字可以实现99%的准确率。

脑机接口产业化的启动元年,大概就是2021年之后。” 彭雷说到。

侵入式脑机接口的技术路线

目前,市场上侵入式的脑机接口主要分为三个主要技术路线。第一种是硅基硬质电极系统,可以同时记录96个通道,可应用于临床、需要开颅,适用于硬质易剪切脑组织;第二种是血管电极系统,可同时记录16通道,可应用于临床,颈静脉植入,但只能记录场电位;第三种是柔性电极系统,可同时三维记录1024通道,可通过机器人开颅自动植入,但尚未实现临床。

第一种技术路线从诞生到现在,已经经历了约十年,目前在全球范围植入50人。除了前面提到了Richard Anderson教授,其他代表性成果还包括美国杜克大学名誉教授,法国科学院和巴西科学院院士Miguel Nicoleils的“重新行走计划”和2014巴西世界杯脑控外骨骼,此外也参与到国内其中的一例。

Neuralink的柔性深部电极属于第三种,可通过手术机器人植入大脑,此前该公司通过将这种电极植入了小猪脑部,通过解码猪在跑步机上走路时的运动皮层,来判断它的运动信号、脑电信号跟步态间关系。2021年进一步实现在猴脑上的植入,目前这种方式已获批首次人体临床实验。

“脑虎科技与Neuralink一样选择的是柔性脑机接口,我们认为这条路线长期推广最核心的要素之一是高通量。” 彭雷指出,这条路线是三种技术路线中通道最多的,高达一千多条,其他最少的只有16条。而通道数决定可以读写神经元的数量,从目前来看一千多条仍是非常小的数量指标,远不足以把人体800多亿个神经元都记录下来。

记录多少神经元信号可以解释大脑?没有人知道,但彭雷认为脑机接口的通道数一定会持续增长,这就是“脑机接口的摩尔定律,每隔18个月可以读写的脑机接口神经元数量细胞应该翻一倍,这是我们认为要实现的目标。”

第二个核心要素是低创伤,要求手术植入的创口越来越小,从厘米级走向毫米级、亚米级甚至更小。第三个要素是长期在体,指的是植入电极稳定在人体内的时间从短期植入,提升到周、月、年甚至更长。

动物和临床实验方面的进展

在动物实验方面,脑虎已经完成了小鼠、兔子、狗、猴的实验,临床实验上目前完成了一系列上人实验,在国内处于领先状态。在今年7月的上海人工智能大会上,脑虎发布了国内首个全套自研的电极植入体脑电算法平台,展示了通过半植入的方式训练一只两岁名叫尼奥(Neo)的拉布拉多犬在跑步机上走路,在走路的过程中去解码运动区的脑电源区的信号跟步态关系,实现了80%以上的轨迹相关性,解码的准确率也非常之高。

彭雷表示,这次植入的是第一代半植入产品,采用有线连接,“马斯克做了猪走路的实验,我们同样在狗上完成了实验。” 可以看到,虽然脑虎科技起步比Neuralink要晚,但是在侵入式脑机接口技术的进展和动物实验上,目前已经达到了与Neuralink相当的水平。

同样在今年7月,脑虎科技还对一只名叫悟空(Goku)的7岁恒河猴做了植入实验。在训练了100天后,这只猴子学会了通过控制摇杆与电脑对打类似乒乓球的小游戏,接到球会有奖励,可以喝到果汁。然后对其进入了脑机接口的植入,在实验过程中把摇杆断线,让猴子“以为”它还是用手在控制游戏,实际上是用脑信号控制。由于猴子本身无法区分摇杆是否在线,但是断掉摇杆连接之后,屏幕上的小板还能受(脑信号)控制,连续十次接球都是成功,说明信号不是来自于摇杆,而是来自于它脑部的信号解码。

 

这也是国内首次做的恒河猴脑控运动解码的项目。马斯克的Neuralink于2021年展示的恒河猴脑控实验,也是用了同样的实验标准范式。

人体实验方面,Neuralink在今年9月才终于拿下了美国食品和药品监督管理局(FDA)的人体试验许可,并开始招募受试者。 脑虎科技在进度方面可以说实现了对Neuralink的领先

今年2月脑虎首次在术中实现将电极植入人脑,并采集到单个神经元的信号,也因此获得人工智能大会的最高奖。得益于在侵入式脑机接口技术上的领先性,上海脑虎科技也获得了资本的追捧。据彭雷介绍,上海脑虎科技成立仅两年多的时间就已经获得了3.3亿人民币现金的融资,是目前国内脑机接口领域融资额最高的公司。

另一个案例是今年5月,脑虎联合华山医院,在手术中进行了汉语语调的解码,采用了脑虎自研的全套脑电电极。在术中开颅的情况下,将电极放在受试者的语言区并将她唤醒,受试者在清醒状态下进行了语言范式的读取跟解码合成。

关于脑虎

据介绍,NeuroXess(脑虎)是一家通过柔性脑机接口技术来保护及探索大脑的生命科技公司,创立于2021年。联合创始人、首席执行官彭雷是一位S级连续创业者,曾在2012年创立面向本地生活商家的SaaS化服务企业客如云并担任CEO,2019年被阿里巴巴收购后担任本地生活资深副总裁;联合创始人、首席科学家陶虎博士,是中科院上海微系统所副所长,2020前沿实验室创始主任,传感技术国家重点实验室副主任。

从组合来看,属于典型的科学家跟创业者结合。彭雷认为,科技创业公司,一定要有科学家牵头做前沿技术探索,还要有人把公司商业化路径规划好。

脑虎总部位于上海,成立的时间只有两年,公司核心技术是医疗器械结合MEMS工艺,带来领先的深部电极设计制造技术。利用MEMS集成电路制造工艺,从技术路线上颠覆了传统医疗器械半手工制备方式。这种方式制造电极,可以实现高通量、高密度、超柔性的特性,都是用光科技的技术来做。

在植入层面上,因为深部电极要插入大脑皮层,无法自行植入,“马斯克的做法是用机器人选择性地躲避血管,脑虎也支持这样的植入方式,但同时也在探索更新的植入方式。” 彭雷表示,他们正尝试用蚕丝蛋白来包裹柔性电极,这是一种天然抗菌、可控降解、生物相容性好、机械性能佳的材料。在柔性上,蚕丝蛋白可以把电极柔软的表面固化,让电极硬度介于血管和脑组织之间,方便植入,植入完成后,蚕丝蛋白便会溶解,逐渐恢复之前的柔软。电极顺应性和脑组织比较接近,运动过程中,电极与脑组织直接保持相对静止。弱排异上,蚕丝蛋白天然抗菌可降解,不易引发炎症,此外亚毫米级植入创口,让创伤更小,恢复更快

据透露,目前这种植入技术还只在实验室探索种,尚未实现产业化,但在方向上值得深入研究。

成立两年间,脑虎科技面向市场推出了一系列工业化脑机接口整体解决方案。硬件层面包括电极、半植入BCI产品、采集芯片、手术植入机器人以及高频数字脑电图机及相关组件。

软件方面,脑科学过去没有形成面向全球的开源与数据算法,但基于AI技术在过去一年的快速发展,带来了包括大模型在内的更成熟底层生态。因此脑虎希望结合自身算法、云和数据能力形成一套平台。

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