2023年1月15日小年夜，央视新闻联合科技部和中国科协，邀请欧阳自远、赵宇亮、郑纬民三位院士，以及航天员王亚平及多位科技工作者，共同步入“跨未来”之旅，为大家带来了一场“中国科技创新之夜”。朱广权、何岩柯和总台记者王冰冰共同主持。科技分享分为星辰大海、天工开物、智启无界三个板块。清华大学医学院生物医学工程系洪波教授在“智启无界”板块，介绍了微创脑机接口的最新进展和未来展望。
你是不是也幻想过，像超人一样摆脱身体束缚，心想事成，用思维去星际航行，进入元宇宙？其实通过科学家和工程师的努力，这样的梦想正在一步步变成现实。
简单讲，脑机接口就是翻译大脑的信息，和世界互动。要开发脑机接口，首先要了解大脑。大脑是人体结构最复杂的器官，大约有1000亿个神经细胞组成，每个神经细胞还和其他1千个左右的神经细胞相互连接，组成一张巨大的神经网络，我们的感觉、运动、记忆、语言等都来自这个神经网络的精细活动。天文学家估算，在我们的银河系中，大约有数千亿颗恒星。所以，把复杂的人类大脑比作一个深邃奥妙的银河系，也毫不夸张。当我们仰望星空的时候，总想知道那些闪烁的星星在告诉我们什么宇宙的奥秘。脑科学家通过传感器记录神经细胞放电的时候，同样也想知道它们放电的密码是什么，表达了怎样的思维活动？
脑机接口的科学挑战是如何破解大脑的密码。大家看到的这些绿色的亮点，是染了荧光的神经细胞，就是它们在处理大脑中的信息，指挥你的感觉和行动。
要实现脑机接口，首先要用各种光电传感器采集不同脑功能区的神经放电信号，经过数字化和信号处理以后，采用机器学习、人工智能算法，提取出脑电中的关键特征和编码信息，这样就实现了对大脑状态或意图的解码。解码以后的信息，就可以和外部设备通信，并把控制结果反馈给用户。这样你就实现了思维驱动的“心想事成”。
脑机接口的初心是帮助那些脊髓损伤、中风、高位截瘫的患者，让他们通过脑机接口控制假肢、轮椅，甚至使用智能手机、操作计算机等，这将大大减轻他们的病痛，提高他们的生活质量。最近的研究发现，这些患者使用脑机接口，还可以促进大脑神经细胞的再连接，增强神经可塑性，加快康复进程，这是一个非常有临床价值的康复新手段。随着脑机接口技术的进一步发展，还有可能实现双向闭环的神经调控，从而帮助治疗癫痫、抑郁等更多的神经疾病。
那么，怎么实现“脑”和“机”的互联呢？以前比较常见的方式有两种，侵入式和非侵入式。侵入式脑机接口需要通过开颅手术将神经电极植入大脑皮层，神经信号质量很高，但会导致神经细胞的炎症反应，采集的信号慢慢变差，最终神经电极失效，而且开放的创口也会有感染风险。非侵入脑机接口把电极贴在头皮外表，就像带了个帽子，虽然对人没有伤害，但是头皮脑电信号微弱，噪声很大，需要粘乎乎的导电膏帮忙，很难稳定可靠地工作。
近几年，随着脑科学、微纳传感器、微电子芯片、人工智能等技术的进步，脑机接口迎来新突破，开始进入快速发展的阶段。我们团队通过和临床医生合作，不懈努力，研发出了一种全新概念的脑机接口技术——微创脑机接口。
我们把神经传感器和处理器都嵌在头骨里面，通过和WI-FI通信类似的技术，隔着头皮把神经信号传出来。同时采用手机充电类似的感应耦合技术，给里面的传感器处理器供电。一元硬币大小的体内机，整合了大量神经传感、信号处理和无线通信、无线供电的芯片，和头皮外面的体外机“里应外合”，没有任何创伤地传递信息。在大大降低神经损伤的前提下，获得了最高的通信带宽。
我们和神经外科医生合作，只用3个颅内电极实现了微创植入脑机接口打字。速度达到每分钟12个字符，每个电极的等效信息传输率达到每分钟20比特。美国BrainGate侵入式脑机接口系统的最高水平，是每个电极等效信息传输率每分钟2比特，清华微创脑机接口在这项指标上提升了10倍。
脑机接口的通信速度决定了用户的体验和可能的场景。慢速的脑机接口，1分钟打字只能打个“嗨”；速度提高10倍后，1分钟可以打出“祝福大家兔年皆得所愿”。
有一位四川的小学教师，因为病痛我们很少看到她笑。当她学会了用脑电信号来打字的那一刻，脸上露出了惊喜的笑容。我和医生团队都很激动，这是等待了三年的突破，最重要的是我们的脑机接口技术让病人看到了新的希望。
脑机接口改变人类生活的进程已经开始，例如，只用戴脑电帽的无创脑机接口，已经在互动游戏中崭露头角；帮助提升睡眠质量的脑机接口，实现家居环境控制的脑机接口，都有了初级的产品。这些产品，虽然还不完美，但脑机接口技术不断完善、走进生活的趋势已经不可阻挡。
也许10年20年后，更加轻巧微创的脑机接口，会像今天的智能手机一样，每人都有一个，装在眼镜上，或者戴在耳朵上，直接连通我们的大脑和智能手机。甚至智能手机也不需要了，脑机接口就是未来的智能手机，成为我们和外界信息交流的主要媒介。
未来某一天，你想听一首歌，只要在脑海里回忆一下它的旋律，手机就会自动播放出来；你想给朋友问个新年好，或者回复一个微信，只要想一想，脑机接口就会自动帮你发出去。
关于脑机接口的未来，欢迎大家一起来畅想。正如我们今天在探讨的“智启无界”，智能的边界在哪里呢？也许不在计算机的算力，也不在人类大脑的想象力，恰恰是打破边界，通过脑机接口界面，把人工智能和大脑智能融合起来，成为无界的混合智能。
让硅基的芯片和碳基的大脑直接对话，这是一个宏大而激动人心的科学目标，我们已经在路上……
2023-01-20