脑认知科学是以揭示人类认知与智力的本质及内在规律为核心目标的交叉学科。它立足于心理学、神经科学与信息科学的深度融合，不仅为解析心智本质提供关键支撑，也在脑疾病研究和新一代人工智能的发展中发挥着不可替代的基础性作用。
那么，在新一轮科技革命与产业变革中，我国脑认知科学领域年轻的科技工作者们取得了哪些自主创新成就？能为我们的健康生活带来哪些助力？近日在国家科技传播中心举办的“新天工开物——科技成就发布会”脑认知科学专场活动中，我国科研工作者带来令人振奋的科研成果。
□本报记者 崔芳
“据统计，全球因脊髓损伤而致残的患者约有2700万。我国脊髓损伤患者超过370万，并且每年有9万的新增病例。在卒中方面，我国现有患者1500万，每年新发病例330万，卒中存活者中80%伴随有不同程度的残疾……”北京脑科学与类脑研究所仪器仪表中心主任、研究员张垒介绍，“过去几年，我们团队一直在追逐一个梦想，就是将‘意念’变成‘行动’，从而帮助到这些患者。”
“北脑一号”智能脑机系统，就是张垒和同事们几年来努力的成果。“它是国际首次实现百通道以上高通量、无线全植入、准实用化的半侵入式脑机接口产品，能够帮助因脊髓损伤、脑卒中、渐冻症等导致的运动和言语障碍患者实现功能替代和康复。”中国科学院院士、国家神经系统疾病临床医学研究中心主任赵继宗表示。
在意念与行动间“架桥”
关于意念与行动相联结的科技场景，在上世纪末上映的经典科幻电影《黑客帝国》中有所呈现。影片中，主人公通过接入大脑的装置，便能直接与计算机交互，感知并控制虚拟世界，给观众带来了巨大的震撼。在此次“新天工开物——科技成就发布会”脑认知科学专场上，以“北脑一号”智能脑机系统为代表的我国脑认知科学领域自主创新成就提示，随着人工智能、柔性材料、生物传感器等技术的发展，那些电影中的科幻场景正逐渐成为现实。
张垒介绍，大脑在思维活动时，神经元之间相互作用会产生微弱但清晰的生物电信号，从而控制人体所有的感受、感知、情绪、情感和记忆。脑机接口技术的基本原理可以理解为，用技术手段构建起大脑与外部设备的信息通路，以实现大脑的神经信号与外部世界的直接交互。它能够将人的脑电信号翻译成指令，将“意念”化作“行动”。
脑机接口技术已被多国明确为重点发展方向，我国也高度重视这一前沿领域。面向世界科技前沿与国家战略需求，北京市依托优越的跨学科科研与临床资源生态，于2023年启动“智能脑机系统增强计划”，由北京脑科学与类脑研究所牵头，聚焦高通量全植入方向，以工程化方式快速推进研发。
从“深海”舀出“那瓢水”
2024年，北京脑科学与类脑研究所组建北京市脑机接口青年突击队，由张垒担任队长，团队成员平均年龄仅29岁。脑机接口属于高度交叉的领域，这个团队成员的学科背景既有机械、电子、材料、化学、医学、数学等传统学科，也有生物医学工程这样的交叉学科，还有人工智能等新兴学科。大家到了突击队，“极限挑战”也随之而来。张垒感慨道，人的大脑蕴含着极为丰富庞杂的信息，要从这纷繁的信号中精准抓取，实现意念与行动的对接，无异于从大脑的“深海”舀出特定的“那瓢水”，难度可想而知。
“我们选择了半侵入式、全植入技术。”张垒解释，脑机接口技术按植入条件可分为非侵入式、半侵入式和侵入式3个技术路线。非侵入式技术主要通过头皮上的电极采集脑电信号，虽然操作简便、风险较低，但信号经过颅骨、头皮等生物组织后衰减严重，其精准度和泛化能力也相应受损。侵入式技术则需要将电极直接植入大脑内部，虽然信号质量高，但有一定的手术风险、恢复周期较长，且植入物的生物相容性挑战很大。半侵入式技术则介于两者之间，既保证了较高的信号质量，又不会对人体带来过多生物学风险，成为当前研究的热点。“‘北脑一号’的电极是放在脑膜上而没有进入硬脑膜下。如果把人的大脑想象成一颗鸡蛋，那么‘北脑一号’的电极放在蛋壳里，但贴在蛋膜外，蛋膜内的密封环境还是稳定的。”张垒说。
张垒介绍，“蛋膜”上的操作每一步都至关重要且困难重重。植入的电极与大脑的生物相容性好不好？电极薄膜能不能与脑组织实现良好接触？主机是不是够小够强够稳定，以支持长期大通量、低功耗信号处理？这些都是他们要应对的挑战。而且，电极还不能升温，更准确地说，相关医疗规范要求温升不能超过2摄氏度。在团队成员的不懈努力下，上述问题得以解决，“北脑一号”智能脑机系统实现了多项技术突破：团队采用微纳技术自研的高通道、高密度柔性薄膜电极，厚度仅为几微米，薄如蝉翼，生物相容性好，能够与脑组织形成良好的共形接触，脑电信号记录精度高；高集成度的微型主机，只有一元硬币大小，能进行大通量、低功耗信号处理；新一代无线短距通信技术，可完成低功耗、高带宽数据传输；高实时性、高准确性、多场景编解码算法，输出高精度、低延迟的控制指令，实现更自然的运动解码和高准确度中文言语解码……
从功能替代到功能恢复
说到“北脑一号”的临床试验，张垒尤为开心：“自年初以来，北京脑科学与类脑研究所联合北京大学第一医院、首都医科大学宣武医院、首都医科大学附属北京天坛医院，已完成5例人体植入，这些植入‘北脑一号’的患者包括脊髓损伤截瘫患者、渐冻症导致的言语障碍患者、脑卒中偏瘫患者。”
今年2月，在北京大学第一医院，四肢截瘫患者小锐完成首例“北脑一号”手术植入。术后训练两周，小锐即可实现脑控机械臂、驱动功能性肌肉刺激装置开展康复训练。7个多月以来，植入小锐脑部的“北脑一号”有效通道数保持在98%以上，信号质量持续稳定。目前，小锐可通过“意念”控制电脑屏幕上光标的移动和点选，实现自由轨迹光标控制，追踪成功率保持在95%以上。肌力和运动功能测评显示，康复效果明显，能够完成术前无法做到的抓握、对指等动作。
“经过这段时间的运动想象训练和脑控肌肉刺激，我找回了自己手腕发力的感觉，对未来的康复又充满了信心。”小锐说。
小锐是一名因车祸导致脊髓损伤高位截瘫的患者，其中枢神经与四肢已经“断联”3年。脑机接口技术证实了神经的强大可塑性。“当我们使用脑机接口技术把他的中枢神经命令和四肢控制同步起来时，他有了发力感，已经断了的通道有了重连趋势，康复效应出现了。”张垒说。
因车祸瘫痪在床、下肢完全丧失运动能力的小王，接到“北脑一号”的临床试验入组电话后，和爱人连夜安顿好8个月大的双胞胎女儿，次日一早就赶到北京。这是卧床5年来他第一次出远门。
今年5月，小王在京接受了“北脑一号”植入手术，术后联合脊髓刺激装置和外骨骼装置进行脑机康复训练。2个月后，小王的腰腿部肌力提升，大腿能够移动、小腿能够抬起。经过3个月的脑机康复训练后，他的脊髓损伤功能评分奇迹般地从最严重的A级跨越到B级。而且，借助无动力支具，他实现了站立、行走，甚至能倒退着走路。最令人头疼的排便，也不需要他人辅助了。
“小王还在持续的康复当中，每个月都有令人惊喜的进展。”张垒表示，“北脑一号”早期临床验证成效明显，有望在2～3年后获批三类医疗器械注册证，实现产品上市。“这些患者的恢复情况让我们更加坚信，我们的研究不仅在修复功能，更是在重启人生。”